王志岩

摘要：随着社会经济的不断发展，智能化的发展速度令人瞠目结舌。现在越来越多的行业都在与智能化接轨，机器人群控智能制造系统就是智能化发展的典型产物。机器人群控智能制造系统的研发加快了加工制造业、内燃机制造业的发展速度。本文对机器人群控智能制造系统功能设计与应用的发展现状进行了分析，同时对于机器人群控智能制造系统功能在内燃机行业的设计与应用进行了研究，希望对于内燃机行业的发展提供借鉴。

Abstract： With the continuous development of social economy， the development speed of intelligence is amazing. Now more and more industries are integrating with intelligence. Robot group control intelligent manufacturing system is a typical product of intelligent development. The research and development of robot group control intelligent manufacturing system has accelerated the development of processing manufacturing industry and internal combustion engine manufacturing industry. This paper analyzes the development status of the function design and application of robot group control intelligent manufacturing system， and studies the design and application of the function of robot group control intelligent manufacturing system in the internal combustion engine industry， hoping to provide reference for the development of the internal combustion engine industry.

關键词：机器人群控;智能制造;系统功能设计与应用;内燃机

Key words： robot group control;intelligent manufacturing;system function design and application;internal combustion engine

中图分类号：TP242.6                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0196-03

0  引言

内燃机是近代革命的核心产物，也是推动社会生产力的重要因素之一。所以内燃机制造行业的发展也间接影响着社会的发展速度，经过科研人员多年的研究使得内燃机的发展得到了飞速的发展，也让内燃机成为社会发展不可或缺的事物。进入二十一世纪以后，人工智能化被科研人员提出，并且已经取得重大的突破，其中机器人群控智能制造系统功能设计与应用就是人工智能化的重要成果之一，作为推动社会发展的内燃机，也要积极的将机器人群控智能制造系统引进到内燃机制造行业的发展中，这样才能让内燃机制造行业紧跟社会潮流，促进内燃机行业的健康、可持续发展。

1  机器人群控智能制造系统功能设计与应用的发展现状

1.1 机器人群控智能制造业的发展  一个国家的国民经济与工业的发展程度是需要制造业作为支柱，制造业也是实现国家民族伟大复兴的根本。在进入二十一世纪后，高新技术得到了发展，技术难关也被不断攻克，传统的制造业也面临着产业调整的局面，在新的社会环境下，德国最先提出要提高制造业的智能化，在制造业中加入工业机器人、数字技术等高新技术。

1.2 机器人群控智能制造系统中存在的问题  机器人群控智能制造系统最早是在西方发达国家应用的，所以国外在机器人群控智能制造领域的技术研究比较先进，并且机器人群控智能制造系统在国外发展的几十年时间中，已经在电力产品、离散自动化、运动控制等多个行业得到了广泛的应用。但是西方国家对于机器人群控智能制造系统的技术封锁比较严重，再加上我国机器人群控智能制造系统起步比较晚，虽然现在国家与地方政府都在大力促进发展智能制造，所以在整体的研发进度上落后于西方的先进水平。国内机器人群控智能制造水平落后于西方先进水平主要以下几点：①在机器人群控智能制造系统中的底层源代码落后于西方国家。②在机器人群控智能制造系统功能设计与应用经验上严重不足。③国内机器人群控智能制造系统功能设计与应用一直是在强调提高制造业的智能化程度和减少人员，没有重视到以寻求最优为制造业发展的原则。④在机器人群控智能制造系统的标准化、平台化建设、精益车间理念、模组化、流程化、规则化等方面都没有明确的文件作为指导，即使存在的参考文件也存在诸多的不足。

机器人群控智能制造系统的设计与制造是一个多学科交叉的技术，是需要各领域技术人才协作才能发明与研究的。机器人群控智能制造系统设计中的机器人系统集成是机器人商業化、大规模普及的关键。虽然系统集成的难度相对较少，但是上下游议价能力较弱，毛利水平不高，系统集成的市场规模要远远大于本体市场。经过工信部的数据调研，截止到2020年，全国工业机器人装机量已经超过了100万台，从事系统开发、系统集成和制造的工程师已经超过了10万人，但是相关从业人员还存在着严重的缺口，缺少从业人员超过了20万。

1.3 内燃机发展的现状  现在我国内燃机发展已经进入多元化时期，主要表现在以下几点：①内燃机进入高速发展时期。随着国内经济的快速发展，国内基础设施的建设数量也呈现几何式增长，如信息产业、能源工程、交通运输业、高速公路网络等基础设施的建设让世界都瞠目结舌，被世界冠以“基建狂魔”的称号，这样的社会环境使得内燃机行业的投资环境也趋于稳定，这就形成了巨大的市场需求。

②国内外车企发展迅速。自从改革开放与加入WTO后，我国经济贸易的大门向世界敞开，这就给国外各大车企提供了投资发展的机会。国外汽车商在我国投资建厂，加上国内车企的不断发展，使得我国汽车制造业实现了快速的发展。汽车业的快速发展意味着内燃机企业的发展需要跟上汽车业的发展。于是内燃机企业纷纷引进国外先进技术来不断改进与完善内燃机的制造工艺，同时对工厂进行专业化、协作化、大量生产的改造建设，使得内燃机的技术难关不断被突破，内燃机的技术水平也逐渐追赶上国际水平。

③中国内燃机产业的技术进步。我国内燃机工业已经成为世界内燃机生产大国。汽车配套动力的产量已经位居世界前列;内燃机生产总量也跻身世界前列等等。在进入二十一世纪后，我国内燃机进入到了自主创新时期，并且实现在轿车发动机领域实现自主品牌产品占30%，实现自主开发出满足国Ⅳ、国Ⅴ排放标准以上的电控汽、柴油机，同时国内电控燃油喷射技术开发软硬件平台也在陆陆续续搭建，并且实现了高压共轨燃由喷射系统的研发与应用。在加上国家政策的支持，我国与内燃机相关的专利技术数量在呈现翻倍的增长。

2  机器人群控智能制造系统功能在内燃机行业的设计与应用

2.1 机器人群控智能制造系统的设计  机器人群控智能制造系统的核心就是系统设计。对于内燃机制造业来说，内燃机的每一个部件的生产都可以使用机器人群控智能制造系统来提高工厂的效率和节能减耗。基于部件加工的机器人群控智能制造系统可以借鉴下面介绍的这个系统整体设计。该系统主要包括：①主站单元：整个系统的总控单元。②信息化管理单元：检测整个系统运行。③从站单元：对所有反馈信息进行处理。④数控加工单元：对加工工件进行加工并与其它单元通信。⑤机床上下料单元：系统执行机构，负责搬运加工工件。这些单元之间通过系统控制实现各单元的联系，实现零部件自动运输、自动加工、自动检测、自动补偿和最后的自动入库。

机器人群控智能制造系统通过对上述单元实时状态的监督、然后将数据进行人机交互，最终实现人、设备与产品的连通与交流。在生产内燃机部件的时候，机器人群控智能制造系统通过控制机床上下料单元把需要加工的部件运输到数控加工单元，数控加工单元在按照主站单元发送的加工程序将部件加工成需求的样子，当部件在数控加工单元加工完成后，再经过机床上下料单元将加工好的部件运送到检测单元，这是检测单元按照主站单元发送的检测标准来进行测量，然后把部件的测量数据上传到主站单元，主站单元会将部件的数据进行分析，然后将不合格的部件通过机器人将其送到加工程序中重新加工。内燃机各部件通过单独的加工制造最后统一由机床上下料单元运输到内燃机组装线，最终实现内燃机的加工制造。

机器人群控智能制造系统，可以对内燃机各部件加工数据与内燃机组装数据进行实时采集与处理，然后依据数据分析来对设备进行计划维护，这样就可以有效提高内燃机制造效率。

2.2 机器人群控智能制造系统组成  仓储单元。在国内外的制造行业中，已经越来越注重自动化仓储与柔性制造技术的应用，自动化仓储尤其在内燃机这样的流水线生产中扮演着重要的角色。在机器人群控智能制造系统中的仓储单元主要是动力货架、平面货架、PLC控制台等组成，这样的单元是为了内燃机部件在生产完可以第一时间进入仓库，然后运输到内燃机组装线上。

加工单元。加工单元主要是由数控车床、数控加工中心和从站通讯等组成。这个加工单元是对内燃机部件加工的主要单元，加工完后再由机器人进行搬运。

运输单元。运输单元主要是输送工件和配合工作站完成任务。机器人群控智能制造系统中的运输单元主要包含铝型材输送线、电机、减速机、视觉检测装置、急停装置、传感检测元件等部件。

机床上下料单元。在机器人群控智能制造系统中机床上下料单元由工业机器人、AGV运载机器人、机器人滑轨系统、机器人末端夹具等组成，这样的机床上下料单元主要是在内燃机部件生产和内燃机组装时对加工件进行输送和最后的入库。

检测单元。检测单元是贯穿整个机器人群控智能制造系统中单元，为了实时检测加工件的数据，并把监测数据传送至总站，以此来保障加工件的合格率。检测单元主要由测量运动平台、视觉测量系统、激光测量系统等组成，实现加工部件在整个机器人群控智能制造系统中都被监控。同时检测单元还需要具备输入/输出单元，让检测单元的数据可以与外围进行数据的交换。

2.3 建立通信体系  在机器人群控智能制造系统中，想要实现整个系统的无缝连接，机器人群控智能制造系统中通信技术的建立也是核心技术之一。在机器人群控智能制造系统中的通讯技术主要有主站通信方式与从站通信方式。

主站通讯方式。主站通讯是机器人群控智能制造系统中的通讯的核心控制器，主要与多个从站进行信息的交换，同时还对各个单元有绝对的控制与管理，甚至会控制内燃机组装和部件生产加工的整个系统。在主站通讯中可以借鉴采用 S7-300 PLC 作为主站进行控制， S7-300 PLC主控的优势：配备有集成功能的 Profibus-DP 接口，Profibus-DP 总线通过光缆或者屏蔽双绞线连接其它设备，其中屏蔽双绞线的最长通讯可以接近10km，光缆的通讯可以接近100km。同时传输速率可达9.6K-12Mbps，而且 S7-300 PLC 主站可以同时连接32个分站。

从站通信方式。从站通信在机器人群控智能制造系统主要是对总站发出的命令进行输入采集和反馈输出的数据。从站是每个单元的独立执行程序，但是在从站程序编辑的时候需要做到与主站通信的数据共享。

2.4 MES系统的应用  信息管理系统的重要性。信息管理系统的提出是为了加强企业上层管理系统与下层制造系统之间的联系。该系统主要是负责生产任务的管理和调度，让企业的订单生产计划及时落实到位。MES系统是实现内燃机制造车间生产敏捷的基础手段，一直是在关注生产原料的管理和生产任务的调度。但是在内燃机制造中加入机器人群控智能制造系统的时候，就需要建立以机器人群控智能制造系统运行过程为主要的信息化管理系统，这样就能对机器人群控智能制造系统生产加工过程进行监控与管理。在MES系统中，可以对生产过程中各部件的重要数据和参数进行数据采集和处理，然后协助机器人群控智能制造系统管理人员对生产、维修、计划进行管理。这样就可以预警设备可能出现的故障，减少不必要的设备停机，进一步提高内燃机制造的效率。最要目的还是通过多方面协助机器人群控智能制造系统的正常运转来提高企业的核心竞争力。

2.5 内燃机的磨损和润滑  ①磨损。两个相互接触的物体，在接触表面间产生阻止物体相对运动的现象，称为摩擦。由于摩擦力的存在，会使得内燃机内部产生摩擦热、摩擦阻力和磨损，导致不同程度的不良效果：

1）消耗内燃机大量的能量。由于摩擦产生摩擦阻力，终将消耗内燃机大量的能量，使得内燃机产生大量的额外功，摩擦阻力大致分为外摩擦（摩擦副间）和内摩擦（润滑油膜内部），大大降低了内燃机的经济型。

2）产生热量。根据焦耳定律，摩擦力做功将产生大量的热能，如果这及时不散发出去，内燃机的零件温度会不断升高，大大地降低了机械强度，甚至产生热变形、热疲劳、间隙减少不断而磨损、卡死，造成内燃机零部件的损坏。

3）磨损摩擦副。大量的磨损使得内燃机寿命缩短，使得内燃机空隙不断变大，内燃机压力会大大地降低，内燃机的振动和噪音一定程度地加大，燃料会燃烧不彻底。

②结合人工智能改善添加剂。利用人工智能领域中的神经网络对内燃机的添加剂配比进行分析和定向预測，使得内燃机燃烧地更加充分和高效。运用前向多层神经网络对内燃机的添加剂的配比进行分析和预测。

1）前向多层神经网络（MLFN）是目前应用最广泛、发展最迅速的人工神经网络之一，它是一种单向多层结构，每一层包含若干个神经元，同一层的神经元之间没有必然的联系，层级之间的信息传递只是单向进行的，主要是由底部向上级逐步描述的结构，包括输入层、隐层和输出层三个层级。

2）在图1中网络求得训练集中的最佳参数，使得训练集内的预测值尽量趋近理想的输出值，使得内燃机的平均损失，即经验风险，达到最小。通过进一步的分析使得平均损失达到足够小。网络推广性能与添加剂的实用价值成正相关。利用有限的训练集数据求得一套最佳的参数之后，采用一般归纳法进而用于无穷尽的集内外的数据。

按照统计学习理论，所有输入向量X及相应理想输出y的集合再用联合概率分布函数P（X，y）进行描述。

3  机器人群控智能制造系统功能设计与应用的优势

国内制造业企业逐渐被自动化智能化技术主导，对于生产技术人员培养成本的投入越来越高，相关精英人才空缺缺口越来越多，同时对于制造成品的交货时间要求越来越段，加上制造企业制造成本的越来越低、精准度越来越高。这时的工厂更加需要增加工厂的自动化、智能化，来提高企业的核心竞争力，作为国民经济支柱的内燃机行业更加需要去增加工厂的自动化、智能化，在内燃机的加工制造中引入机器人群控智能制造系统，就可以解决像内燃机这样的生产型行业困境的必经之路。

现在制造业追求单纯的信息化与数字化已经不能满足现在企业对于社会发展的需求，现在需要以知识驱动创新、信息化与工业化深度融合的智能化制造才能让企业适应社会的发展。在内燃机制造行业中加入机器人群控智能制造系统可以将内燃机行业目前的电气自动化与制造管理进行连接。加强了内燃机制造加工流水线各工位之间的联系，然后通过机器人群控智能制造系统中的控制系统实现对每一单元的控制，这样可以将内燃机的制造效率提高40%。

川崎工业机器人通用I/O信号通过AS编程语言来进行智能操控。然后通过再现模式运行系统，这些信号输出到端口，再从端口输入。再在川崎机器人控制器专用的信号板上显示，端口信号与机器人的语言编程一一对应。

4  总结

当今社会已经是智能化的时代，内燃机行业想要不被社会所淘汰，就需要对内燃机行业的生产方式进行改变。将创新驱动发展融入到内燃机制造业中，当下机器人群控智能制造系统的出现就是制造业改变的一次契机。近年来智能制造的观念也在不断地深入，众多高新技术的发展也在推动机器人群控智能制造系统的发展。但是在机器人群控智能制造系统中还存在着诸多问题，例如，底层源代码落后于西方国家;机器人群控智能制造系统功能设计与应用经验上严重不足;智能化强调提高制造业的智能化程度和减少人员，没有重视到以寻求最优为制造业发展的原则;没有明确的文件作为指导等，这些都是在内燃机制造业进行机器人群控智能制造系统改造时需要注意的地方。

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