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。與其它國家相比我國高級技師和技師占技能勞動者的比重僅為1.5%，而發(fā)達(dá)國家占到了35%，2020年我國技能勞動者需求將比2009年增加3290萬[1-2]?！吨袊圃?025》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、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，將我國從制造大國轉(zhuǎn)換成制造強(qiáng)國；其目的在于主攻智能制造業(yè)[3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對物質(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。面對這種實際存在的問題，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)生的知識構(gòu)架體系，加快培養(yǎng)智能制造人才，讓中國制造進(jìn)入一個新的時代[4-8]。但是改變大學(xué)生教育體系，還需要一段時間，畢竟需要投入很大的財力物力。根據(jù)筆者一些經(jīng)歷，總結(jié)一點智能制造設(shè)備開發(fā)的經(jīng)驗，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)實的基礎(chǔ)，以備日后工作之需。

2 知識構(gòu)成特點

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儲備，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)知識分散在大學(xué)不同的專業(yè)中[9]。如機(jī)械設(shè)計方面的知識是機(jī)電學(xué)院的機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)知識；電器設(shè)計方面的知識是機(jī)電學(xué)院的電器自動化專業(yè)知識；上位機(jī)開發(fā)，軟件開發(fā)，Mes系統(tǒng)方面的知識是軟件學(xué)院的軟件工程專業(yè)知識；運動控制，視覺方面的知識是機(jī)器人學(xué)院的機(jī)器人驅(qū)動專業(yè)和機(jī)器人感知專業(yè)；物流倉儲管理的知識是物流學(xué)院的物流管理專業(yè)。接下來筆者將從以下幾個方面重點說明。

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、機(jī)構(gòu)設(shè)計、2D加工圖設(shè)計（包括選材和材料表面處理等）、機(jī)械配件選型、氣動配件選型、氣路圖設(shè)計、裝配圖設(shè)計等。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)與之匹配那么對于整個項目來說也是達(dá)不到整體的預(yù)期效果。一臺優(yōu)秀的設(shè)備或者產(chǎn)線，其結(jié)構(gòu)緊促，運行可觀，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，電氣元器件的選型、電氣實物的布線等。電氣部分是機(jī)械運動的重要條件，電氣通過機(jī)械結(jié)構(gòu)布局設(shè)計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。氣動方面的選型，一般都是由機(jī)械工程師完成。

2.3 運動控制方面、PLC、板卡開發(fā)

運動控制部分相當(dāng)于人體的心臟，去控制運動系統(tǒng)運動。從應(yīng)用角度看，一般常用的主控方面主要包括：PLC控制,運動控制卡控制等。其中PLC在學(xué)校學(xué)習(xí)時，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)生選擇運動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)去控制整個生產(chǎn)線或者其中一臺設(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)們在校期間可以學(xué)習(xí)一些高級語言，如：c++，c#，Java等。將一門研究透徹即可，若果有時間多研究一些其他高級語言那是更好了。對于這些高級語言的研究內(nèi)容，個人建議主攻：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方面：

1）機(jī)器人單純走點位搬運

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，將一個產(chǎn)品從這個地方搬運到另一個地方，就只做一個簡單的點位取放動作。

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)的運動控制函數(shù)或者說是機(jī)器人語言來控制機(jī)器人本體的動作和其他控制器的相互通訊。對于在校的同學(xué)來說，自己可以根據(jù)自己的知識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)，申請編程實操練習(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)器人運動或者輸出給其他控制器，去控制相應(yīng)的機(jī)構(gòu)去動作。如果設(shè)備不復(fù)雜，那么視覺可以單獨在工控機(jī)中做一個小軟件與機(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)自己的實際情況試著做一個小小的系統(tǒng)來鞏固和訓(xùn)練自己所學(xué)的相關(guān)知識。

3 知識組成

3.1 知識框架

一臺自動化智能化設(shè)備或者一條自動化智能化生產(chǎn)線，所需要的集成領(lǐng)域與分布關(guān)系，如圖1所示。一臺完整的自動化智能化設(shè)備或產(chǎn)線，在工作時，他內(nèi)部的各個領(lǐng)域之間的相互關(guān)系：上位機(jī)軟件會將客戶輸入的參數(shù)或數(shù)據(jù)傳送到控制部分里面的PLC、運動控制卡、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算法得出一個信號給電器元器件，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)都會根據(jù)客戶需求，通過MES系統(tǒng)，將其數(shù)據(jù)實時傳送至看板和數(shù)據(jù)庫，為企業(yè)家做出某種重要決策的依據(jù)，為維修師父對設(shè)備或生產(chǎn)線的保養(yǎng)計劃提供科學(xué)依據(jù)等。

圖1 集成領(lǐng)域與分布圖

3.2 成功事例

通過對以上領(lǐng)域知識的練習(xí)、掌握，設(shè)計出了許多智能設(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；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；圖4是汽車撐桿產(chǎn)線。該生產(chǎn)線涉及到：機(jī)器人，運動控制卡，總線等領(lǐng)域知識。

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

運用這套知識框架體系可以滿足大眾需求。如果想要做出自動化、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框架體系，如圖5所示。運用軟件運動控制和EtherCAT實時總線，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 知識框架體系圖