智能制造背景下大學(xué)時(shí)期自動(dòng)化智能化 設(shè)備開發(fā)的培養(yǎng)探索

楊氟，楊康民

YANG Fu1, YANG Kang-min2

(1.戶縣嘉泓機(jī)械設(shè)備有限公司；2.陜西鑫盛強(qiáng)園林建設(shè)有限公司）

(1.Huxian Jiahong Machinery Equipment Co., Ltd.；2.Shaanxi Xinshengqiang Garden Construction Co., Ltd.)

1 引言

我國(guó)智能制造業(yè)發(fā)展的速度相當(dāng)驚人，而高技術(shù)人才卻嚴(yán)重缺乏。與其它國(guó)家相比我國(guó)高級(jí)技師和技師占技能勞動(dòng)者的比重僅為1.5%，而發(fā)達(dá)國(guó)家占到了35%，2020年我國(guó)技能勞動(dòng)者需求將比2009年增加3290萬[1-2]。《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略，由李克強(qiáng)總理從2015年3月提出到2015年5月8日正式頒布以來，其主旨在于圍繞創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型、綠色發(fā)展人才為本,信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合，將我國(guó)從制造大國(guó)轉(zhuǎn)換成制造強(qiáng)國(guó)；其目的在于主攻智能制造業(yè)[3]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)需求的種類也越來越多，各領(lǐng)域制造行業(yè)的人工成本也越來越高，導(dǎo)致東南沿海地區(qū)的好多公司將廠區(qū)移至他國(guó)。面對(duì)這種實(shí)際存在的問題，我們必須改變生產(chǎn)方式，改變傳統(tǒng)的工作模式，改變當(dāng)今大學(xué)生的知識(shí)構(gòu)架體系，加快培養(yǎng)智能制造人才，讓中國(guó)制造進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代[4-8]。但是改變大學(xué)生教育體系，還需要一段時(shí)間，畢竟需要投入很大的財(cái)力物力。根據(jù)筆者一些經(jīng)歷，總結(jié)一點(diǎn)智能制造設(shè)備開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，讓畢業(yè)生想就業(yè)于智能制造設(shè)備開發(fā)行業(yè)的在校大學(xué)生，結(jié)合自己的專業(yè)和學(xué)?，F(xiàn)有的資源打下結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)，以備日后工作之需。

2 知識(shí)構(gòu)成特點(diǎn)

當(dāng)今世界更需要的是綜合人才，尤其是產(chǎn)品研發(fā)人員必須具備更全面的知識(shí)儲(chǔ)備，才能適應(yīng)當(dāng)今世界的飛速發(fā)展。智能制造是一種多學(xué)科集成在一起的復(fù)雜制造方式，這種跨學(xué)科的智能制造行業(yè)所需要的專業(yè)知識(shí)分散在大學(xué)不同的專業(yè)中[9]。如機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)是機(jī)電學(xué)院的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)；電器設(shè)計(jì)方面的知識(shí)是機(jī)電學(xué)院的電器自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)；上位機(jī)開發(fā)，軟件開發(fā)，Mes系統(tǒng)方面的知識(shí)是軟件學(xué)院的軟件工程專業(yè)知識(shí)；運(yùn)動(dòng)控制，視覺方面的知識(shí)是機(jī)器人學(xué)院的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)專業(yè)和機(jī)器人感知專業(yè)；物流倉儲(chǔ)管理的知識(shí)是物流學(xué)院的物流管理專業(yè)。接下來筆者將從以下幾個(gè)方面重點(diǎn)說明。

2.1 機(jī)械方面

機(jī)械部分相當(dāng)于人體的骨骼框架。機(jī)械方面在工作中主要包括：最基本的機(jī)械3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、2D加工圖設(shè)計(jì)（包括選材和材料表面處理等）、機(jī)械配件選型、氣動(dòng)配件選型、氣路圖設(shè)計(jì)、裝配圖設(shè)計(jì)等。機(jī)械部分是必須的基礎(chǔ)，即使有再好的軟件和控制系統(tǒng)沒有優(yōu)秀的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配那么對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目來說也是達(dá)不到整體的預(yù)期效果。一臺(tái)優(yōu)秀的設(shè)備或者產(chǎn)線，其結(jié)構(gòu)緊促，運(yùn)行可觀，結(jié)構(gòu)美觀，妙不可言。

2.2 電氣方面

電氣部分相當(dāng)于人體的血液系統(tǒng)。電氣方面在工作中主要包括：電路圖的設(shè)計(jì)，電氣元器件的選型、電氣實(shí)物的布線等。電氣部分是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的重要條件，電氣通過機(jī)械結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)電器元器件的安裝位置，再經(jīng)過合適的布線安裝為控制單元和機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)單元之間架起溝通的橋梁。氣動(dòng)方面的選型，一般都是由機(jī)械工程師完成。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制方面、PLC、板卡開發(fā)

運(yùn)動(dòng)控制部分相當(dāng)于人體的心臟，去控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。從應(yīng)用角度看，一般常用的主控方面主要包括：PLC控制,運(yùn)動(dòng)控制卡控制等。其中PLC在學(xué)校學(xué)習(xí)時(shí)，若是一名電氣相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，應(yīng)該主要在梯形圖的編寫上多下功夫，梯形圖比較簡(jiǎn)單且比較直觀,電氣專業(yè)相關(guān)的學(xué)生選擇PLC作為主控是比較合適的；如果是一名軟件相關(guān)專業(yè)的學(xué)生選擇運(yùn)動(dòng)控制卡作為主控是比較合適。在校期間應(yīng)該多練習(xí)一下面向?qū)ο蟮木幊?，至于學(xué)習(xí)哪種語言比較好？ c++或C#就可以了，或者是其他高級(jí)語言也可以，根據(jù)自己的喜好選擇一門好好研究即可。如果有時(shí)間學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)其他語言那就更好了。

2.4 軟件方面

軟件部分相當(dāng)于人的大腦，輸入數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)處理之后輸出。軟件方面在工作中主要是上位機(jī)的開發(fā)，通過上位機(jī)去控制整個(gè)生產(chǎn)線或者其中一臺(tái)設(shè)備。開發(fā)完成后再將其發(fā)布成可安裝軟件供客戶使用。同學(xué)們?cè)谛Ｆ陂g可以學(xué)習(xí)一些高級(jí)語言，如：c++，c#，Java等。將一門研究透徹即可，若果有時(shí)間多研究一些其他高級(jí)語言那是更好了。對(duì)于這些高級(jí)語言的研究?jī)?nèi)容，個(gè)人建議主攻：文件的寫入、寫出，TCP通訊、串口通信和數(shù)據(jù)庫方面的研究，選擇其中一套方式進(jìn)行透徹研究即可。數(shù)據(jù)庫有很多種類。比如：SQL Server、mySQL、Oracle等。個(gè)人較喜歡用SQL Server。

2.5 機(jī)器人方面

機(jī)器人部分相當(dāng)于人的手臂。在機(jī)器人應(yīng)用方面主要包括兩個(gè)方面：

1）機(jī)器人單純走點(diǎn)位搬運(yùn)

在一些領(lǐng)域中，由于環(huán)境或者效率的問題，機(jī)器人代替了人工，將一個(gè)產(chǎn)品從這個(gè)地方搬運(yùn)到另一個(gè)地方，就只做一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)位取放動(dòng)作。

2）機(jī)器人與其他控制器協(xié)同工作

在另一些領(lǐng)域中，由于產(chǎn)品的工藝要求，機(jī)器人需要和其他控制器之間相互通訊來完成一些連續(xù)、反饋的動(dòng)作。比如，機(jī)器人和PLC或者視覺通過串口通訊，或者通過TCP協(xié)議通訊來達(dá)到工藝要求。機(jī)器人又是如何被控制的呢？從應(yīng)用層面來講，他是通過相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)或者說是機(jī)器人語言來控制機(jī)器人本體的動(dòng)作和其他控制器的相互通訊。對(duì)于在校的同學(xué)來說，自己可以根據(jù)自己的知識(shí)選擇一款或者幾款不同品牌的機(jī)器人，認(rèn)真研讀其說明書，學(xué)習(xí)相應(yīng)機(jī)器人硬件的連接和軟件方面的語言編程。有條件的，可以去其公司學(xué)習(xí)，申請(qǐng)編程實(shí)操練習(xí)。

2.6 視覺方面

機(jī)器人視覺部分相當(dāng)于人的眼睛，將拍攝的照片通過視覺的一系列算法，算出結(jié)果，從而輸出給機(jī)器人控制器去控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)或者輸出給其他控制器，去控制相應(yīng)的機(jī)構(gòu)去動(dòng)作。如果設(shè)備不復(fù)雜，那么視覺可以單獨(dú)在工控機(jī)中做一個(gè)小軟件與機(jī)構(gòu)配合工作。如果設(shè)備較復(fù)雜，那么視覺部分可以寫在上位機(jī)軟件里，搭建好框架和通訊方式，與機(jī)構(gòu)配合工作。對(duì)于視覺開發(fā)這塊主要以C++，C#等語言為主。在校的同學(xué)可以根據(jù)自己的喜好選擇一種高級(jí)語言認(rèn)真學(xué)習(xí)研究；另外可以學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)OpenCV開源視覺庫，了解了解HALCON、VisionPro等視覺軟件，通過這些學(xué)習(xí)可以對(duì)自己視覺算法的研究和視覺的應(yīng)用起到一定的幫助作用。

2.7 Mes方面

MES(Manufacturing Execution System)即制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)，是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)[10-12]。這種MES系統(tǒng)一般在有生產(chǎn)的企業(yè)中是必不可少的。對(duì)于那些想畢業(yè)后從事這種系統(tǒng)開發(fā)的在校同學(xué)來說，在校期間主要好好研究一下C++，C#等高級(jí)語言以及和他們相關(guān)的通訊和數(shù)據(jù)庫。學(xué)完之后可以根據(jù)自己的實(shí)際情況試著做一個(gè)小小的系統(tǒng)來鞏固和訓(xùn)練自己所學(xué)的相關(guān)知識(shí)。

3 知識(shí)組成

3.1 知識(shí)框架

一臺(tái)自動(dòng)化智能化設(shè)備或者一條自動(dòng)化智能化生產(chǎn)線，所需要的集成領(lǐng)域與分布關(guān)系，如圖1所示。一臺(tái)完整的自動(dòng)化智能化設(shè)備或產(chǎn)線，在工作時(shí)，他內(nèi)部的各個(gè)領(lǐng)域之間的相互關(guān)系：上位機(jī)軟件會(huì)將客戶輸入的參數(shù)或數(shù)據(jù)傳送到控制部分里面的PLC、運(yùn)動(dòng)控制卡、RB控制器或者其他的控制部分。然后，控制部分通過各種方法或者高級(jí)算法得出一個(gè)信號(hào)給電器元器件，通過串口、TCP或者其他的通訊方式去控制機(jī)構(gòu)工作、RB工作、相機(jī)工作或者其他執(zhí)行元件工作，最終完成設(shè)備或生產(chǎn)線所要達(dá)到的最終目的。在此生產(chǎn)期間，所有檢測(cè)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)備內(nèi)部各種重要零部件的數(shù)據(jù)都會(huì)根據(jù)客戶需求，通過MES系統(tǒng)，將其數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至看板和數(shù)據(jù)庫，為企業(yè)家做出某種重要決策的依據(jù)，為維修師父對(duì)設(shè)備或生產(chǎn)線的保養(yǎng)計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)等。

圖1 集成領(lǐng)域與分布圖

3.2 成功事例

通過對(duì)以上領(lǐng)域知識(shí)的練習(xí)、掌握，設(shè)計(jì)出了許多智能設(shè)備和智能產(chǎn)線。并且通過調(diào)試，他們都能夠成功達(dá)到預(yù)期的功效。以下有幾款重要的成功案例示意圖。圖2為智能插件機(jī)。該設(shè)備涉及到：上位機(jī)，機(jī)器人，視覺，PLC等領(lǐng)域知識(shí)；圖3為汽車旋轉(zhuǎn)開關(guān)產(chǎn)線。該生產(chǎn)線涉及到：機(jī)器人，視覺，PLC，總線等領(lǐng)域知識(shí)；圖4是汽車撐桿產(chǎn)線。該生產(chǎn)線涉及到：機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)控制卡，總線等領(lǐng)域知識(shí)。

圖2 智能插件機(jī)圖

圖3 汽車旋轉(zhuǎn)開關(guān)產(chǎn)線圖

圖4 汽車撐桿產(chǎn)線圖

4 總結(jié)與展望

運(yùn)用這套知識(shí)框架體系可以滿足大眾需求。如果想要做出自動(dòng)化、智能化更高的設(shè)備或者生產(chǎn)線且成本較低的工程，那我們還有一定的提升空間。

下一步可以研究一下這樣的知識(shí)框架體系，如圖5所示。運(yùn)用軟件運(yùn)動(dòng)控制和EtherCAT實(shí)時(shí)總線，結(jié)合一體化軟件控制算法，利用強(qiáng)大的Intel多核CPU運(yùn)算能力，去控制機(jī)械機(jī)構(gòu)、RB本體、相機(jī)等執(zhí)行部分工作，從而達(dá)到完成項(xiàng)目預(yù)定的目標(biāo)任務(wù)。這樣的方式可以大大降低成本，并且讓設(shè)備或者生產(chǎn)線的智能化程度更高。

圖5 知識(shí)框架體系圖