智能装配生产线的特征与架构

智能装配生产线基于传感技术、网络技术、自动化技术、人工智能技术等先进技术，通过智能化的感知、人机交互、决策和执行，实现产品设计、生产、管理、服务等制造活动的智能化。智能装配生产线具有状态感知、实时状态分析、自主决策、高度集成和精准执行等特征。

1）状态感知

状态感知是对制造车间人员、设备、工装、物料、刀具、量具等多类制造要素进行全面感知，完成制造过程中的物与物、物与人及人与人之间的广泛关联。基于传感器与网络，实现物理制造资源的互联、互感，确保制造过程中多源信息的实时、精确和可靠获取。

2）实时状态分析

基于状态感知技术获得各类制造数据，对制造过程中的海量数据进行实时检测、实时传输与分发、实时处理与融合等分析，是数据可视化和数据服务的前提。实时状态分析对智能制造过程中的自主决策及精准决策起着决定性作用，是智能制造中的重要组成部分。

3）自主决策

智能装配生产线能够在制造过程中不断地充实制造知识库，还能搜集与理解制造环境信息和制造系统本身的信息，并自行分析判断和规划自身行为的能力。智能制造系统与人类共同支配的各类制造资源具有不同的感知、分析与决策功能，其能够拥有或扩展人类智能，使人与物共同组成决策主体，促使信息物理融合系统中实现更深层次的人机交互与融合。

4）高度集成

智能装配生产线不仅包括制造过程硬件资源间的集成、软件信息系统的集成，还包括面向产品研发、设计、生产、制造、运营等产品全生命周期的集成，以及产品制造过程中所有的行为活动、实时的制造数据、丰富的制造知识之间的集成。

5）精准执行

精准执行也可称为智能执行，是车间制造资源的互联感知、海量制造数据的实时采集分析、制造过程中的自主决策的最终落脚点。制造过程的精准执行是使制造过程以及制造系统处于最优效能状态的保障，也是实现智能制造的重要体现。

「 2. 智能装配生产线架构 」

1）智能装配生产线的关键技术

以物联网、人工智能、大数据、云计算、计算机仿真以及网络安全等关键共性技术作为支撑技术，提供制造过程中的智能装配设备、制造要素动态组网、制造信息实时采集与管理、自主决策与执行优化的集成方案，解决智能技术应用集成问题，形成可扩展、可配置的智能制造应用系统，实现制造过程和管理的自动化、数字化与可视化。从设备层、控制层、车间层、企业层、协同层5个层面提升航空装备制造系统的状态感知、实时状态分析、自主决策、高度集成和精准执行水平，为航空制造业推进智能制造技术奠定坚实的技术基础。智能制造体系如图1所示，主要由关键技术支撑层、智能设备载体层、数据采集分析层、制造执行与优化层和企业信息系统集成层构成。

图1 智能制造体系架构

（1）智能装配装备制造技术。智能装配装备作为智能装配技术的载体，首先应具有装配装备基本的功能，包括定位、装配、物料配送、故障检测等能力，可以完成产品的制造与装配。其次，智能装配装备需具有基于物联网、大数据、云计算、虚拟仿真与人工智能等关键技术支撑的智能化装备，可具备多设备交互、人机交互、虚拟现实交互等能力，达到先进制造技术、信息技术与智能技术集成融合的目的，实现装配装备智能化。

（2）数据采集与分析技术。依托于传感器技术、测试技术、仪器技术、电子技术与计算机技术等先进制造技术，数据采集与分析可以实现许多物理量数据的测量、存储、处理与显示，包括产品信息、设备信息、程序序号、操作人员工号等与产品生产制造过程有关的信息。

（3）生产线设备的执行与优化技术。智能装配生产线中多台设备的执行与优化构成了制造执行系统，其在整个信息化模型中位于企业机械化管理层和自动化控制层之间，是实现装配过程管控一体化的重要组成部分。智能制造执行系统是对装配生产过程中的计划管理信息和自动化控制信息的集成，通过对装配执行过程的整体数字化管理和控制达到提高生产线效率、降低生产成本、提高产品质量的目的。

（4）智能集成管控系统。智能集成管控系统是集设计工艺系统、作业计划导入、生产过程控制与数据采集、生产过程检验、产品质量管控、设备状态监控、智能物流配送、自主决策等功能于一体的生产线管理系统，如图2所示。

图2 智能集成管控系统总体框架

2）智能装配生产线硬件构成

智能装配生产线可实时存储、提取、分析与处理工艺、工装等各类制造数据，以及设备运行参数、运行状态等过程数据，并能够通过对数据的分析实时调整设备运行参数、监测设备健康状态等，并据此进行故障诊断、维护报警等行为，对于生产线内难以自动处理的情况，还可将其向上传递至车间中央管控系统。此外，生产线内不同的制造单元具有协同关系，可根据不同的生产需求对工装、毛料、刀具、加工方案等进行实时优化与重组，优化配置生产线内各生产资源。为了实现这些生产线的功能，设备层、控制层、车间层中的硬件设备需协同作业，对整个生产过程实施实时监控，各设备之间的数据信息可以实现交互功能，并通过上位机的分析得出产品生产信息与设备运行信息。智能生产线硬件构成如图3所示。

图3 智能生产线硬件构成

3）智能装配生产线控制系统

智能装配生产线中的数据采集对象分为制造设备运行数据与生产现场工况数据，生产线中包含众多不同类型的数据信息其核心是生产工艺数据。生产线数据类型如图4所示。

图4 生产线数据类型

智能装配生产线的管控技术包括：编码与识别技术；实时数据的采集与质量管控技术。

（1）编码与识别技术。产品信息的追溯是编码与识别技术的目的之一，通过生产线设备提供的数据可以完整地体现产品的性能和加工过程情况，而为了将产品ID与这些生产特性有效地关联起来，要对产品的ID进行编号并识别，再在上位数据库中进行关联存档。常用的编码有条形码、二维码、RFID码（图5）。编码的读取有专门的感应器或扫描枪来实现（图6）。扫描器一般有光源、光学透镜、扫描模组、模拟数字转换电路等核心部件模块。扫描读取时利用光电元件将检测到的条码反射光信号转换成模拟电信号，通过模拟数字转换器经过滤波、整形，将模拟信号转化为数字信号，经过译码器转换并传输到计算机中处理。

图5 常见的编码

图6 编码读写设备

（2）实时数据的采集与质量管控技术。智能装配生产线设备的数据一般是通过特定的接口从设备上获取，接口大多采用PLC控制器（图7）的OPC接口，通过控制器可以获取设备的工艺数据。数据采集接口采用国际标准的OPC（用于过程控制的OLE）接口，OPC接口是利用微软的COM/DCOM技术来达成自动化控制的协定，为现场设备、自动化控制应用、企业管理应用软件之间提供了开放、同意的标准接口，使得生产过程和工厂自动化的系统、设备、驱动器能自由连接与通信。通过实时的数据采集与分析，检测异常事件的发生，并分析原因，及时警告或制止对应的生产活动，以减少损失，从而形成生产过程的闭环控制，如图8所示。

图7 可编程控制器

图8 数据采集与闭环控制

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