基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的遠程智能調控噴涂綠色生產線產學研案例*

王金聰，任長清，楊春梅，胡 松

（1.東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.國家林草局人工智能與裝備工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150040；3.廣東博碩涂裝技術有限公司，廣東 佛山 520308）

1 案例設計的示范性意義

建材家具涂裝產業(yè)發(fā)展主要面臨用工成本高、粉塵和油漆污染大、對人體的危害大等問題。隨著環(huán)保意識的日益提升，國家對于油性涂料的限制政策不斷出臺，因此全自動智能化機械操作替代人工操作和綠色環(huán)保涂飾行業(yè)的發(fā)展，是市場產業(yè)轉型升級的大勢。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和機器人技術在自動化裝備等諸多行業(yè)的應用越來越廣泛，面向我國工業(yè)轉型升級和戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展的需求越來越迫切，重點發(fā)展智能制造、綠色制造，把高端裝備制造業(yè)培育成為國民經濟的支柱產業(yè)，對實現(xiàn)我國裝備制造業(yè)由大到強的轉變具有重大意義。

案例企業(yè)所在的佛山市順德區(qū)于2018年3月被商務部認定為“國家家具外貿轉型升級基地”，順德建材家具約占國內市場份額的20%左右，占廣東省內市場份額的40%左右，已經形成了建材家具設計、制造、物流等配套完整的產業(yè)鏈。因此全自動涂裝設備在該行業(yè)的使用量增長空間極大，有廣闊的市場空間及發(fā)展前景，作為案例具有較好的示范作用。案例課程將展示一條基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術、具有噴涂數(shù)控設備和機器人的現(xiàn)代化、具有工業(yè)4.0水平的噴涂生產線（見第2頁圖1），通過視頻展示和科學技術講解讓研究生對基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能遠程技術和5G技術、數(shù)字化工廠有一個感性認識，從而進一步引導研究生深入學習相關導論知識，有效促進研究生課堂分析與討論。案例課程以綠色環(huán)保為主題，具有先進性及新穎性，案例課程展示單位為涂裝裝備行業(yè)的龍頭企業(yè)，以產學研合作形式同東北林業(yè)大學組建了一支實力雄厚的科技團隊，團隊中含有多名行業(yè)內的資深專家和教授，對智能數(shù)字化核心技術有深入的研究，為案例科研工作開展提供了有力支撐。

圖1 博碩遠程智能調控噴涂綠色生產線

2 案例設計的過程分析

2.1 案例所需基本專業(yè)知識結構體系

本案例課程將為研究生展示人工智能涂裝裝備核心技術，該關鍵技術是通過產學研的方式與東北林業(yè)大學合作開發(fā)，旨在為家具生產的大型企業(yè)生產高水平的生產線。東北林業(yè)大學機電工程學院同企業(yè)共同研發(fā)，采用機器視覺完成三維成像技術、圖像處理及家具的特征提取技術、自動算法生成噴涂軌跡技術、指揮機械手完成噴涂技術、涂裝生產線智能控制系統(tǒng)技術等，研制出往復式自動噴漆機、數(shù)控噴漆機裝備，進一步提升涂裝的自動化、智能化、信息化、網(wǎng)絡化，滿足客戶對涂裝的環(huán)保、油漆利用率等需求[1]。本案例課程展示設備具備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的視覺引導系統(tǒng)、智能化識別及自學習技術、參數(shù)化分析、智能判斷及數(shù)字化處理技術、自動識別噴涂方向與紋理一致調整功能、合理安排噴涂路徑、增加噴涂射流速度，利用專家系統(tǒng)調控噴涂生產線，大幅度提高噴涂質量[2-4]。項目研發(fā)的系統(tǒng)具有動態(tài)自主感知，將六關節(jié)機器人噴涂技術引入到家具噴涂加工生產線，將機器人噴涂的多自由度噴涂等功能集成化，使機器人噴涂加工過程模塊化，實現(xiàn)高效率、低損耗、柔性化加工機器人噴涂控制策略研究[5-7]。

2.2 定制家具智能噴涂生產案例過程的展示

本案例課程活動生動形象地向研究生展示了定制家具智能噴涂生產線的工作過程和技術路線圖（見圖2、圖3、第3頁圖4～圖6），研究生從機械結構到控制要求學習了本案例，在實際案例中領會機械工程導論，同時學習了噴涂先進技術。引導研究生學習基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的噴涂生產線基本理論知識，向研究生展示企業(yè)配套實現(xiàn)可視化人機交互系統(tǒng)和智能遠程運維系統(tǒng)，對接企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）并預留生產過程，執(zhí)行制造企業(yè)生產過程執(zhí)行管理系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）接口等技術；通過云端帶領研究生參觀在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術支持下的售后服務及技術指導，實現(xiàn)運維一體化[8-9]。如何遠程為用戶提供技術支撐，對設備進行診斷、預測維護、優(yōu)化流程、數(shù)據(jù)采集、信息反饋等；將參觀ERP管理軟件的數(shù)據(jù)實時上報，講解如何實現(xiàn)編制接口軟件及配套通信協(xié)議，輔助研究生理解協(xié)議。

圖2 智能噴涂干燥機

圖3 智能噴涂手動輸入?yún)?shù)界面

圖4 智能噴涂工作過程

圖5 智能噴涂完成產品

圖6 生產線技術路線圖

2.3 學生學習后個性化設計作業(yè)

研究生參觀學習三維視覺識別系統(tǒng)及軟件的運用，有基礎的研究生可以嘗試編制人工智能和專家系統(tǒng)軟件，嘗試做一些人工智能的小程序。學習編制客戶產品的工藝參數(shù)、噴涂參數(shù)、自主感知噴漆量調整、噴涂方向的最優(yōu)調整軟件及數(shù)據(jù)庫。一部分研究生進行數(shù)控噴涂動態(tài)自主感知配置生產線及機器人噴涂控制策略學習，學習編制家具機器人噴涂加工生產線動態(tài)自主感知程序和專家系統(tǒng)軟件，學習調整參數(shù)，監(jiān)測噴涂效果，反饋程序參數(shù)；學會使用和簡單編制機器人高性能圖像識別及伺服驅動交換控制軟件，對家具機器人智能噴涂加工生產線的整體關鍵技術和所用知識點有所了解并會簡單運用。

3 結束語

本案例課程活動內容從廣東博碩噴涂生產線實際生產過程入手，將之對應機械工程導論的概述，讓研究生從案例中深刻體會理論要點，方便研究生在課堂上進行討論分析，通過對噴涂生產線機械控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)的學習，掌握理論聯(lián)系實際的本領。為更好地培養(yǎng)機械工程專業(yè)學位研究生應用案例分析實踐問題的能力，將機械智能制造所涉及的遠程控制噴涂問題進行教學案例庫的構建，從而實現(xiàn)課程教學內容和過程與實踐案例的緊密結合，使學生能將理論與實踐結合，提升實踐能力。而課程教學質量的提高是長期的過程，機械工程導論專業(yè)案例庫的建設亦如此，都需要一個長期有效的持續(xù)改進機制。改進過程中需要對課程目標達成情況進行詳細分析，并針對教學過程中存在的問題和短板提出相應的改進措施，使案例庫建設內容得到持續(xù)改進和更新，其持續(xù)改進機制見圖7[10]。

圖7 案例庫持續(xù)改進機制

由圖7可知，案例庫的構建始于機械工程專業(yè)課程的課程目標，其制定總體原則來源于行業(yè)最新技術發(fā)展動態(tài)需求，并以此為依據(jù)構建課程案例庫的相關內容。案例庫的構建是關鍵一環(huán)，其建設內容除了要針對課程目標設置外，還要將實踐案例與理論內容緊密結合，確保其內容科學合理，滿足課程考核要求。同理，課程考核和課程評價是檢驗案例庫內容是否合理的關鍵，主要通過課堂效果分析每個課程目標的完成情況及研究生自評的方式進行，對課程目標進行調整并重點對案例庫所存在的不足進行完善和修正，以“改進—建設—再改進”的閉環(huán)持續(xù)改進。