機器人與自動化技術在工藝智能化升級中的優化策略研究

鄭永杰，劉旭東，周 桐，滕紹東，季 奇

（1.中國機械科學研究總院集團有限公司，北京 100044；2.北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著我國戰略性新興產業快速發展和傳統產業轉型升級，機器人、人工智能、大數據等先進技術在制造業中得到廣泛應用，實現制造環節的精確控制與調節，部分重復性高、危險系數高人員被替代，在一定程度上提高產品質量與一致性，助力企業實現降本增效[1]。需要進一步指出的是，在信息時代背景下，市場對于產品個性化和定制化的要求越來越高，而傳統產線缺乏靈活性，很難適應多品種、小批量生產的需求，工藝智能化升級仍面臨挑戰。同時，制造業面臨著勞動力成本上行壓力。通過引入更先進、更智能的機器人和自動化系統，提高生產線的高度智能化與自適應性，生產過程的穩定性和一致性，進而提升產品質量，能夠充分增強企業在市場上的競爭力。有鑒于此，進一步優化工藝智能化技術，提高其應用水平和智能化程度，已經成為制造企業迫切需要考慮的問題。

本文旨在對機器人與自動化技術在工藝智能化升級中的優化策略進行深入研究。通過對現有工藝智能化水平與應用現狀的深入探究，探討如何進一步優化工藝智能化技術，提高其適用性和智能化水平。

1 機器人與自動化技術在工藝智能化升級中的應用

1.1 機器人與自動化技術在工藝智能化升級中的應用

工業機器人是指在工業生產過程中，通過程序控制完成各類任務的自動化設備。起初，工業機器人主要用于完成簡單重復性工作，如焊接、搬運、噴涂等。隨著科技進步，工業機器人逐漸融合視覺感知、力觸覺反饋、氣體檢測等功能，能夠更加靈活地適應復雜多變的生產環境[2]（如圖1所示）。目前，工業機器人已廣泛應用于各個領域，包括汽車制造、電子電器、食品包裝、醫藥等。在汽車制造業中，工業機器人扮演著重要角色，實現車身焊接、涂裝、裝配等關鍵環節的自動化生產，大大提高汽車制造的效率和質量。在電子電器產業，工業機器人應用于電子組裝、手機生產等工序，保證高精度和高穩定性的生產過程。

圖1 應用領域圖

1.2 自動化技術在工藝智能化中的角色與地位

自動化技術是工藝智能化的基礎和核心。通過傳感器、控制系統以及新一代信息技術等技術手段，實現對生產過程的自動控制與監測[3-6]。自動化技術在工藝智能化中扮演著至關重要的角色，其主要體現在以下幾個方面：

一是精確控制與調節。自動化系統能夠實時監測生產過程中的各項參數，如溫度、壓力、速度等，并根據預設條件進行精確的控制與調節，確保生產過程的穩定性和一致性；二是數據采集與分析。自動化系統通過傳感器等設備，實時采集大量的生產數據，這些數據可以用于后續的數據分析與處理，幫助企業更好地解決生產過程中的問題與瓶頸，從而優化生產和管理流程；三是協作與協調。在智能制造中，不同的機器人和自動化設備需要實現協同工作，完成復雜的生產任務。自動化技術能夠實現這些設備之間的信息共享和通信，從而實現更高效、更智能的生產流程；四是可編程與靈活性。自動化系統具有較強的可編程性，可以根據生產需求進行靈活調整，這使得工藝智能化升級后的生產線能夠適應多品種、小批量生產的需求，提高生產的靈活性和適應性。

2 機器人與自動化技術的融合與協同創新

2.1 機器人與自動化技術融合的優勢與挑戰

隨著工業智能化的發展，機器人與自動化技術的融合成為智能制造的重要方向。機器人與自動化技術的融合可以帶來許多優勢，但也面臨諸多挑戰[7-12]。

2.1.1 優勢

1）提高生產效率。傳統的人工生產通常受制于工人的主觀能動性，而機器人在生產過程中不會出現情感化操作，能夠持續高速運行。同時，機器人具有高精度的運動控制能力，可以實現在短時間內完成復雜的生產任務，從而縮短生產周期。機器人的高速度、高精度和無疲勞特性與自動化技術的精準控制相融合，使得生產過程更加穩定和高效，生產效率顯著提高。

2）優化資源利用。融合后的機器人與自動化系統能夠更好地優化資源的利用，進一步降低生產成本。傳統的生產線往往存在著許多冗余無效操作和資源浪費，而機器人可以通過高度智能化的控制和自動化的調度，精確地控制資源的使用，提高資源利用率，機器人使用可以使企業在一定程度上減少燃料動力的消耗。

3）實現柔性生產。通過機器人與自動化技術的融合，生產線可以根據不同產品的生產需求，快速地進行轉換和調整，實現多品種、小批量生產。這種柔性生產模式可以更好地滿足市場對個性化和定制化產品的需求，提高企業的市場競爭力。同時，在面對市場需求的快速變化時，柔性生產也能夠更加靈活地適應，使企業更具有應變能力。

4）提高產品質量。融合后的系統能夠實現更精確的控制和監測，從而優化產品的一致性和質量，降低次品率。機器人的高精度和穩定性使得其在生產過程中可以精確控制各個環節，避免人為因素對產品質量的影響。同時，自動化技術可以實時監測生產過程中的各項參數，如溫度、壓力、速度等，確保生產過程的穩定性和一致性[13-14]。

2.1.2 挑戰

1）技術融合存在一定難度。機器人與自動化技術的融合是一項復雜而具有挑戰性的任務。機器人技術涉及到機械、電氣、計算機等多個領域，而自動化技術包含傳感器、控制器、軟件等多方面的知識（如圖2所示），不同技術之間存在兼容性問題，需要進行全面的系統集成與測試，以確保融合后的系統能夠順利運行。

圖2 主要功能清單系統占比

2）系統復雜性較強。融合后的機器人與自動化系統涉及到多個智能設備的協同工作，這使得系統復雜性大大增加。不僅需要確保各個設備之間的無縫銜接與通信，還需要建立相互之間的協調機制。例如，工業機器人可能需要與自動化輸送線、自動化倉儲系統等進行協同工作，完成產品的裝配與搬運。因此，系統的設計與實現需要兼顧各個環節的協同工作，確保整個系統的穩定性和高效性。同時，系統復雜性也增加故障排查與維護的難度，需要有專業的技術人才進行及時處理[13]。

3）初始投資高。機器人和自動化技術的引入需要較高的初始投資，這是融合發展中的一個不可忽視的問題。特別是對于中小型企業來說，面臨著資金短缺的挑戰。機器人本身的成本較高，再加上系統集成與軟硬件的投入，使得初始投資較大。然而，企業需要認識到這是一種長期投資，通過融合發展可以顯著提高生產效率、優化資源利用、降低生產成本，從而獲得長期的經濟效益。

2.2 機器人與自動化技術的協同創新典型領域

機器人與自動化技術的融合與協同創新在實際應用中較為成功的應用案例主要有：

1）汽車制造行業

汽車制造是機器人與自動化技術應用最為廣泛的領域之一。許多汽車制造企業采用機器人與自動化系統完成焊接、涂裝、裝配等工序。這些系統通過視覺感知、傳感器監控和智能控制，實現生產過程的高度自動化與智能化，大幅提升汽車制造的效率和質量。工藝管理主要包括以下幾個方面：用戶登錄、產品信息維護、工藝模板編制、工藝路線維護、工序BOM維護、作業指導維護、工序參數維護、產線工藝關聯。以上這些功能共同構成工藝管理系統的主要功能，它們可以幫助用戶有效地管理和優化生產過程，提高生產效率和產品質量（如圖3所示）。

圖3 產品BOM處理流程案例

2）智能倉儲系統

物流領域采用機器人與自動化技術實現智能倉儲管理也取得很好的效果。機器人可以自動搬運貨物，根據倉庫內貨物的種類和數量進行智能排布。通過智能化的管理，大大提高倉庫的貨物存儲密度和倉儲效率。

3 機器人與自動化技術的融合與協同創新實證案例分析

3.1 案例公司選取

為進一步探究機器人與自動化技術在工藝智能化升級中的應用情境，本文選擇汽車制造企業開展案例分析，深入了解機器人與自動化技術在工藝智能化升級中的實際應用以及對生產效率、產品質量和資源利用影響[14]。

3.2 實施工藝智能化升級的過程與效果分析

3.2.1 案例選擇與背景介紹

本研究選擇知名汽車制造企業作為案例研究對象，該企業在工藝智能化升級方面投入大量資源，并引入先進的機器人和自動化技術（如表1、表2所示）。本文將深入研究該企業在工藝智能化升級過程中所采取的策略與措施，以及實施后取得的效果。

表1 工藝智能化升級后研究案例工廠系統架構

表2 研究案例工廠設備簡介

3.2.2 工藝智能化升級的實施過程

1）技術規劃與選型

該企業在工藝智能化升級之前，進行全面的技術規劃和選型工作。根據企業的生產需求和目標，確定需要引入的機器人和自動化設備的類型和數量。同時，對相關的軟硬件技術進行評估和選擇，確保所采用的技術與設備能夠相互配合和協同工作（如圖4、表3和表4所示）。

表3 涂裝生產線采集信息

表4 焊接生產線采集信息

圖4 數據采集系統架構

2）設備安裝與調試

確定技術方案，進行設備安裝和調試工作中，需考慮設備的布局和位置，以確保機器人能夠在生產線上順利運行，并與其他設備進行良好的協同工作。調試階段主要包括設備的聯動測試和控制系統的優化，確保整個系統能夠穩定運行，如圖5～圖8所示。

圖5 設備配置安裝模塊流程圖

圖6 信號配置模塊流程圖

圖7 線程配置模塊流程圖

圖8 上傳配置模塊流程圖

3）人員培訓與轉型

工藝智能化升級需要企業內部的技術人員和操作人員具備相應的知識和技能，進行人員培訓和轉型計劃，以便更好地維護和管理設備。操作人員也接受相應的培訓，以熟練掌握與機器人合作的操作技巧。

3.2.3 工藝智能化升級的效果分析

1）提高生產效率

經過工藝智能化升級，企業生產效率顯著提升。機器人在生產過程中的高速度和高精度使得生產周期大幅縮短，生產效率得到明顯提高。機器人實現24/7不間斷工作，增加生產線的運行時間和產出。

2）優化資源利用

工藝智能化升級使得資源利用更加優化。機器人的精確控制和無疲勞特性，資源使用更加精細化，避免不必要的浪費。通過自動化系統的優化調度，減少人力資源的浪費，降低生產成本。

3）提高產品質量

機器人在生產過程中實現高度的精確控制，使得產品的一致性和質量得到提升。機器人的高穩定性和無誤差特性，有效地減少人為因素對產品質量的影響，產品的次品率明顯降低。

4）實現柔性生產

工藝智能化升級后，企業生產線更加靈活適應性強。機器人能夠根據不同產品的生產需求，快速進行轉換和調整，實現多品種、小批量生產，更好地滿足市場需求。

5）人力減少與崗位變化

在工藝智能化升級中引入機器人和自動化技術，企業員工能夠轉向更高級任務，如設備維護、技術支持和生產規劃等，整體提升企業運轉效率。

4 工藝智能化升級中的優化策略

4.1 數據采集與傳感技術的優化

在工藝智能化升級中，數據采集和傳感技術是關鍵一環。通過有效地采集和處理數據，可以實現對生產過程的實時監測與控制，從而優化生產效率和產品質量。第一，傳感器在工業智能化中起著至關重要的作用，可以實時獲取生產過程中的各項參數和指標。優化傳感器技術包括提高傳感器的精度、靈敏度和穩定性，使其能夠更準確地感知生產環境的變化。此外，還可以開發多功能傳感器，實現多參數的同時檢測，減少設備數量和成本。第二，優化數據采集系統包括設計高效的數據采集網絡和數據傳輸協議，確保數據的實時傳輸和可靠性。同時，利用云計算和大數據技術，將采集到的數據進行存儲和分析，為生產過程優化決策提供數據支持。第三，對采集到的大量數據需要進行有效的處理和分析，提取有用的信息和規律，發現生產過程中的潛在問題和優化空間，為制定優化策略提供依據。

4.2 人機協作系統的優化

在工藝智能化升級中，人機協作系統的優化是實現人機合作的關鍵。優化人機協作系統可以提高工人的工作效率，減輕工人的勞動負擔，并確保機器人與人類在生產過程中的安全性和穩定性。設計直觀友好的人機交互界面，使工人能夠輕松地與機器人進行交互和操作。交互界面應該簡單易懂，提供清晰的指導和操作步驟，減少人為操作錯誤的可能性。優化工人與機器人之間的協同工作流程，確保二者在生產過程中的默契配合?？梢酝ㄟ^工作分配、任務協調和信息傳遞的優化，實現工人與機器人的高效協同工作。優化安全措施包括建立安全防護措施，防止機器人產生意外運動和潛在危險，以及制定相關的應急處理方案。

4.3 人工智能與機器學習在工藝智能化中的應用

人工智能和機器學習技術在工藝智能化升級中扮演著重要角色，它們可以提高系統的智能化水平和自主決策能力，進一步優化生產過程和資源利用效率。利用人工智能技術，可以構建智能控制系統，實現對生產過程的自動化和智能化控制。智能控制系統可以根據傳感器采集到的數據，自動調整機器人的運動軌跡和操作參數，使其適應不同的生產需求[14]。同時通過機器學習技術，可以對生產設備的狀態進行預測和監測，實現預測性維護。預測性維護可以在設備出現故障之前預測和預防，減少生產線的停機時間，提高設備的可靠性和穩定性。還可以利用人工智能技術，可以對生產過程進行智能優化調度。通過機器學習算法，分析生產過程中的各項數據，優化生產計劃和調度方案，實現資源的最優分配和生產效率的最大化。并且人工智能技術可以用于質量控制和產品缺陷檢測。通過機器學習算法，可以識別產品生產過程中可能出現的缺陷和質量問題，并實時調整生產參數，確保產品質量符合標準。最后通過機器學習技術，機器人可以進行自主學習和優化。在不斷的生產實踐中，機器人可以根據反饋數據和結果，自主調整和改進其工作方式，提高生產效率和質量。

5 結語

工藝智能化升級中，機器人與自動化技術的融合為企業提升生產效率、優化資源利用、提高產品質量和實現柔性生產帶來重要支持[15]。通過優化數據采集與傳感技術、人機協作系統和應用人工智能與機器學習技術，智能制造得到推動。挑戰包括技術融合難度、系統復雜性、初始投資高和人才需求，需要跨學科合作、財政支持和人才培養來應對。汽車制造業作為案例表明機器人應用帶來顯著優化效果。工藝智能化升級將推動工業領域革新，促進經濟社會的可持續發展。