智能制造装备与系统综述
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智能制造装备与系统
摘要：本文总结概括了智能制造的概念、内涵，实现智能制造的关键技术，从政 策和科学技术方面概括了智能制造的国内外发展状况。 最后以海尔郑州空调互联 工厂的智能生产线和 Mazak 智能机床为例接受了具体的智能制造装备和系统。 关键字：智能制造 中国工业 2025 Sart Fctory 海尔 Mazak
引言：制造技术是所有科学技术的实现技术科学技术只有通过制造技术才能成为现实的生
产力， 没有制造技术， 科学技术只能是潜在的生产力。 同时制造业是国民经济的主要支柱’ 也是今后我国经济"创新驱动)转型升级的主战场 。但是我国目前只是制造大国，却不是制 造强国，制造水平仍处于中下水平。智能制造作为当下制造技术最前沿的课题之一，可以提 高产品的质量，实现制造过程的绿色、人性化等，具有极其深厚的研究意义
从企业到工厂，再到车间，最后到每一台设备每一个人，实现物物互联。 数字化系统落地的核心就是 iMES 全程订单执行管理系统，该系统把制造、 研发、物流紧密地互联互通。 海尔目前正在打造一个虚实融合的“双胞胎系统” ，也就是将用户需求通过 虚拟设计、虚拟装配的系统转化为产品方案，再通过互联工厂的制造和智慧物流 把它们配送到用户的家中，也就是把物理世界和虚拟世界有机地融合起来，海尔 称之为 “双胞胎系统” 。 这样做的好处是可以解决个性化定制过程中产品周期长、 效率低以及质量的问题，将来还要做到人、机、物融合下的万物互联，通过大数 据、云计算来实现智慧家庭和互联工厂的有机融合，实现用户全生命周期的最佳 体验。 4.2.Mazak 智能机床 Mazak 的智能机床能够对自己进行监控， 可自行分析众多与机床、 加工状态、 环境有关的信息及其他因素，能够自行采取应对措施来保证最优化的加工。当前 Mazak 的智能机床能实现以下几个方面的智能功能：主动振动控制功能，可将机 床加工过程中的振动减至最小； 智能热屏障技术， 实现加工中机床的热位移控制； 智能安全屏障，用于防止机床与刀具之间的碰撞；语音提示功能，便于用户操作 和使用；智能维护保养支持，可以记录机床的运行状态，比如等待、加工、报警 等，有助于分析，提高机床运转效率，也能对主轴、刀库、进给轴单元的运行时 间和状态进行监控和记录。Mazak 智能机床具有智能化远程诊断系统——MazaCare，使用户在拥有高可靠性机床的同时，获得无忧的服务支持。代 Smooth 智 能数控系统。
创建强大的“制造智能” ，实现生产节拍的变化、柔性制造、最佳生产速度和更 快的产品定制。为了节约能源、优化产品的制造交付，整条生产线和全车间将实 时、灵活改变运行速度。企业可以开发先进的模型并模拟生产流程，改善当前和 未来的业务流程； 第三阶段制造知识重整市场秩序， 这一阶段将广泛应用信息技术来改变商业 模式，消费者习惯的 100 多年的大规模生产工业供应链将完全颠覆。灵活可重 构工厂和 IT 最优化供应链将改变生产过程，允许制造商按个人需求定制产品； 2.智能制造装备和系统的关键技术和实现技术 邹方提出如下智能制造装备和系统的关键技术： 1.射频识别技术：射频识别提供了一种精确、自动、快速的记录和收集目标 的工具，是简化业务流程、降低库存和提高经营活动效率与质量的强大武器。 2.实时定位系统：实现对多种材料、零件、工具、设备等资产进行实时跟踪 管理。室内实时定位系统通常采用超声、红外、超宽带（UWB） 、窄频带、射频识 别等技术。 3.无线传感器网络：无线传感网络（Wireless SensorNetwork，WSN）是由 许多在空间分布的自动装置组成的一种无线通信计算机网络， 这些装置使用传感 器监控不同位置的物理或环境状况信息物理融合系统，使制造过程更加高效、柔 性和低成本。 4 信息物理融合系统信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）也 称为“虚拟网络 - 实体物理”生产系统，CPS 实现计算、通信与物理系统的一 体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，在这样的系统中，一个工件就 能算出自己需要哪些服务，它将彻底改变传统制造业逻辑。 5.网络安全技术：数字化推动了制造业的发展，在很大程度上得益于计算机 网络技术，制造过程的数字化技术资料支撑了产品设计、制造和服务的全过程， 这些信息在整个供应链得到了共享， 但必须得以保护。 常用的安全技术如防火墙、 入侵预防、病毒扫描器、访问控制、黑白名单、信息加密等。 3.智能制造国内外国内外研究状况： 3.1 政策方面 在政策方面：美国从上世纪 90 年代开始，美国国家科学基金（NSF）就着重 资助有关智能制造的诸项研究，项目覆盖了智能制造的绝大部分，包括制造过程 中的智能决策、基于多施主（multi-agent）的智能协作求解、智能并行设计、 物流传输的智能自动化等。2005 年，美国国家标准与技术研究所（NIST）提出了 “聪明加工系统（smart machining sys⁃tem，SMS）”研究计划。2011 年，美国 总 统 奥 巴 马 宣 布 实 施 包 括 工 业 机 器 人 在 内 的 “ Advanced Manufacturing Partnership Plan”（先进制造联盟计划） 。 日本于 1990 年首先提出为期 10 年的智能制造系统 （IMS） 的国际合作计划， 并与美国、加拿大、澳大利亚、瑞士和欧洲自由贸易协定国在 1991 年开展了联 合研究，同时日本政府帮助中小企业引进使用信息技术的新一代“智能工厂。 欧盟于 2010 年启动了第七框架计划（FP7）的制造云项目，特别是制造业强 国的德国，继实施智能工厂（Smart factory）之后，又启动了一个投入达 2 亿 欧元的工业 4.0（Industry 4.0）项目。 我国自 2009 年 5 月《装备制造业调整和振兴规划》出台以来，国家对智 能制造装备产业的政策支持力度不断加大。工业与信息化部发布了《高端装备制 造业“十二五”发展规划》 ，同时发布了《智能制造装备产业“十二五”发展规
附录
Fra Baidu bibliotek
朱剑英 智能制造的意义、技术与实现[A] 机械制造及自动化 2013 智能制造--"中国制造 2015”的主攻方向 中国机械工程第 26 卷第 17 期 邹方 智能制造中关键技术与实现 航空制造技术 2014（14）32-37 RUIZ N,GIRET A,BOTTI V,etal. An intelligent simulation environment for manufacturing systems [J]. Computer&industrial engineering,2014,76:148-168 JAMES T. Smart factories［J］.Engineering and Technology，2012,7(6)：64-67. 王友发，周献中 国内外智能制造研究热点与发展趋势 中国科技论坛 2016(4):154-160 l 刘晶 海尔：互联工厂探路工业 4.0 中国电子报 2015（1） 张 伟 Mazak“智造”，与您同行 航空制造技术·2015（8）102-103
1.智能制造的概念和内涵 朱剑英认为具有下列特征之一的机械系统或制造系统，就可称为智能机器 系统和智能制造系统: 1)多信息感知与融合; 2)知识表达"获取"存储和处理( 包括识别"设计"计算"优化"推理与决策) ; 3)具有联想记忆功能( associate memory) ; 4)具有自学习"自适应"自组织"自维护功能; 5)具有自优化功能( 系统越用越好用) ; 6)智能的分解与集成; 7)容错; 8)智能控制 同时朱剑英还认为智能机器系统或智能制造系统的最大优点在于 : 智能 机器或系统是越用越好用的， 而传统的机器或系统其性能在使用中是不断退化的。 其次，智能机器或系统具有容错功能，即使环境异常或使用有错，智能机器或智 能系统仍然能够正常工作。 邹方认为智能制造是一种高度网络连接、知识驱动的制造模式，它优化了 企业全部业务和作业流程，可实现可持续生产力增长、能源可持续利用、高经济 效益目标。智能制造结合信息技术、工程技术和人类智慧，从根本上改变产品研 发、 制造、 运输和销售过程， 通过零排放、 零事故制造提高人身安全、 保护环境。 邹方 还认为智能制造正经历三个阶段： 第一个阶段车间和企业的集成，在这一阶段，智能制造将工厂企业互连，更 好地协调制造生产的各个阶段，推进车间生产效率的提高。典型的制造车间使用 信息技术、传感器、智能电动机、电脑控制、生产管理软件等来管理每个特定阶 段或生产过程的操作； 第二阶段从车间优化到智能制造，这些数据配合先进计算机仿真和建模，将
划》子规划，明确提出到 2020 年将我国智能制造装备产业培育成为具 有国际竞争力的先导产业。工业与信息化部制定和发布了《智能制造装备产 业“十二五”发展路线图》 ，该路线图明确把智能制造装备作为高端装备制造业 的发展 重点领域，以实现制造过程智能化为目标，以突破九大关键智能基础共性技 术为支撑，其思路是：以推进八项智能测控装置与部件的研发和产业化为核心， 以 提升八类重大智能制造装备集成创新能力为重点， 促进在国民经济六大重点 领域的示范应用推广。2015 年国务院，审议通过了《中国制造 2025》 ，为实现制 造强国目标做了部署。 3.2 科学技术方面 王友发等通过对国内外现有文献的分析得出了国内外的研究热点：国外从 智能设计、生产、管理以及服务的方面进行了研究。目前国外智能制造研究已经 较为成熟。研究内容上涵盖了智能制造研究领域的各方面，呈现出多视角动态化 的趋势， 多学科交叉融合; 研究方法上已从早期的概念阐述理论论述等定性研究 方法，逐步转向计算仿真数据调查案例研究等实验方法和定量分析方法；国内主 要从智能制造理论研究、智能制造与产业的相关研究、智能制造与企业的相关研 究以及其他方面进行了研究。 理论研究方面： 目前国内智能制造理论研究主要是对制造业智能化现象的笼 统描述、 转型路径的浅层分析和发展模式的简单总结， 未见理论上的深层次探讨， 研究深度尚显不足。 实证研究方面： 当前国内智能制造的研究大多数是对国外经验的借鉴性研究 和一般性的归纳总结研究， 且大多集中于理论探讨， 缺乏实证数据的支持。 另外， 对相关现象的分析目前还基本停留在问题描述和对策建议层次上。 交叉研究方面：智能制造研究领域涉及经济学、管理学、制造科学#信息科 学等多个学科。制造业智能化是一个复杂#系统的转型过程，同时也是多学科相 互交叉#深度融合的过程，但目前国内学者对智能制造交叉领域的相关问题，如 智能化管理、智能化服务、智能化过程中人的因素等研究较少或仍是空白。 4.典型智能制造装备或系统的介绍 4.1 海尔郑州空调互联工厂的智能生产线 郑州空调互联工厂是全球空调行业最先进的工业 4.0 实践示范工厂，在模 块化、自动化、智能化、数字化程度上都实现了引领，目前已经拥有由 11 个通 用模块和 4 个个性模块组成的 200 多种用户柔性定制方案。 这个工厂有 3 种线型，对于批量大、个性化需求少的大众化产品，互联工厂 使用高自动化定制生产线。对于批量小、个性化需求多的小众化产品，互联工厂 使用柔性定制生产线。对于用户的个性化定制，互联工厂就使用单元定制生产线 线。原来一条很长的生产线在这里就变成了几个短的生产线。这种改变是基于对 用户个性化需求的同步共享和整条生产线的高度协同。在互联工厂，用户提交定 单后，定单信息实时传到互联工厂，智能制造系统自动排产，并将信息自动传递 给各个工序生产线及所有模块商、物流商，不同的工序根据指令生产相对应的产 品模块，最后在总装线上进行组装。用户通过手机终端可以实时看到互联工厂产 品的生产情况。用户个性化需求的同步共享和生产线的协同，是依靠横向、纵向 无缝集成的数字化系统实现的。 横向应用互联网技术， 从用户需求再到产品设计、 制造、物流、服务，实现整个全流程供应链体系的整合；纵向通过物联网技术，
摘要：本文总结概括了智能制造的概念、内涵，实现智能制造的关键技术，从政 策和科学技术方面概括了智能制造的国内外发展状况。 最后以海尔郑州空调互联 工厂的智能生产线和 Mazak 智能机床为例接受了具体的智能制造装备和系统。 关键字：智能制造 中国工业 2025 Sart Fctory 海尔 Mazak
引言：制造技术是所有科学技术的实现技术科学技术只有通过制造技术才能成为现实的生
产力， 没有制造技术， 科学技术只能是潜在的生产力。 同时制造业是国民经济的主要支柱’ 也是今后我国经济"创新驱动)转型升级的主战场 。但是我国目前只是制造大国，却不是制 造强国，制造水平仍处于中下水平。智能制造作为当下制造技术最前沿的课题之一，可以提 高产品的质量，实现制造过程的绿色、人性化等，具有极其深厚的研究意义
从企业到工厂，再到车间，最后到每一台设备每一个人，实现物物互联。 数字化系统落地的核心就是 iMES 全程订单执行管理系统，该系统把制造、 研发、物流紧密地互联互通。 海尔目前正在打造一个虚实融合的“双胞胎系统” ，也就是将用户需求通过 虚拟设计、虚拟装配的系统转化为产品方案，再通过互联工厂的制造和智慧物流 把它们配送到用户的家中，也就是把物理世界和虚拟世界有机地融合起来，海尔 称之为 “双胞胎系统” 。 这样做的好处是可以解决个性化定制过程中产品周期长、 效率低以及质量的问题，将来还要做到人、机、物融合下的万物互联，通过大数 据、云计算来实现智慧家庭和互联工厂的有机融合，实现用户全生命周期的最佳 体验。 4.2.Mazak 智能机床 Mazak 的智能机床能够对自己进行监控， 可自行分析众多与机床、 加工状态、 环境有关的信息及其他因素，能够自行采取应对措施来保证最优化的加工。当前 Mazak 的智能机床能实现以下几个方面的智能功能：主动振动控制功能，可将机 床加工过程中的振动减至最小； 智能热屏障技术， 实现加工中机床的热位移控制； 智能安全屏障，用于防止机床与刀具之间的碰撞；语音提示功能，便于用户操作 和使用；智能维护保养支持，可以记录机床的运行状态，比如等待、加工、报警 等，有助于分析，提高机床运转效率，也能对主轴、刀库、进给轴单元的运行时 间和状态进行监控和记录。Mazak 智能机床具有智能化远程诊断系统——MazaCare，使用户在拥有高可靠性机床的同时，获得无忧的服务支持。代 Smooth 智 能数控系统。
创建强大的“制造智能” ，实现生产节拍的变化、柔性制造、最佳生产速度和更 快的产品定制。为了节约能源、优化产品的制造交付，整条生产线和全车间将实 时、灵活改变运行速度。企业可以开发先进的模型并模拟生产流程，改善当前和 未来的业务流程； 第三阶段制造知识重整市场秩序， 这一阶段将广泛应用信息技术来改变商业 模式，消费者习惯的 100 多年的大规模生产工业供应链将完全颠覆。灵活可重 构工厂和 IT 最优化供应链将改变生产过程，允许制造商按个人需求定制产品； 2.智能制造装备和系统的关键技术和实现技术 邹方提出如下智能制造装备和系统的关键技术： 1.射频识别技术：射频识别提供了一种精确、自动、快速的记录和收集目标 的工具，是简化业务流程、降低库存和提高经营活动效率与质量的强大武器。 2.实时定位系统：实现对多种材料、零件、工具、设备等资产进行实时跟踪 管理。室内实时定位系统通常采用超声、红外、超宽带（UWB） 、窄频带、射频识 别等技术。 3.无线传感器网络：无线传感网络（Wireless SensorNetwork，WSN）是由 许多在空间分布的自动装置组成的一种无线通信计算机网络， 这些装置使用传感 器监控不同位置的物理或环境状况信息物理融合系统，使制造过程更加高效、柔 性和低成本。 4 信息物理融合系统信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）也 称为“虚拟网络 - 实体物理”生产系统，CPS 实现计算、通信与物理系统的一 体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，在这样的系统中，一个工件就 能算出自己需要哪些服务，它将彻底改变传统制造业逻辑。 5.网络安全技术：数字化推动了制造业的发展，在很大程度上得益于计算机 网络技术，制造过程的数字化技术资料支撑了产品设计、制造和服务的全过程， 这些信息在整个供应链得到了共享， 但必须得以保护。 常用的安全技术如防火墙、 入侵预防、病毒扫描器、访问控制、黑白名单、信息加密等。 3.智能制造国内外国内外研究状况： 3.1 政策方面 在政策方面：美国从上世纪 90 年代开始，美国国家科学基金（NSF）就着重 资助有关智能制造的诸项研究，项目覆盖了智能制造的绝大部分，包括制造过程 中的智能决策、基于多施主（multi-agent）的智能协作求解、智能并行设计、 物流传输的智能自动化等。2005 年，美国国家标准与技术研究所（NIST）提出了 “聪明加工系统（smart machining sys⁃tem，SMS）”研究计划。2011 年，美国 总 统 奥 巴 马 宣 布 实 施 包 括 工 业 机 器 人 在 内 的 “ Advanced Manufacturing Partnership Plan”（先进制造联盟计划） 。 日本于 1990 年首先提出为期 10 年的智能制造系统 （IMS） 的国际合作计划， 并与美国、加拿大、澳大利亚、瑞士和欧洲自由贸易协定国在 1991 年开展了联 合研究，同时日本政府帮助中小企业引进使用信息技术的新一代“智能工厂。 欧盟于 2010 年启动了第七框架计划（FP7）的制造云项目，特别是制造业强 国的德国，继实施智能工厂（Smart factory）之后，又启动了一个投入达 2 亿 欧元的工业 4.0（Industry 4.0）项目。 我国自 2009 年 5 月《装备制造业调整和振兴规划》出台以来，国家对智 能制造装备产业的政策支持力度不断加大。工业与信息化部发布了《高端装备制 造业“十二五”发展规划》 ，同时发布了《智能制造装备产业“十二五”发展规
附录
Fra Baidu bibliotek
朱剑英 智能制造的意义、技术与实现[A] 机械制造及自动化 2013 智能制造--"中国制造 2015”的主攻方向 中国机械工程第 26 卷第 17 期 邹方 智能制造中关键技术与实现 航空制造技术 2014（14）32-37 RUIZ N,GIRET A,BOTTI V,etal. An intelligent simulation environment for manufacturing systems [J]. Computer&industrial engineering,2014,76:148-168 JAMES T. Smart factories［J］.Engineering and Technology，2012,7(6)：64-67. 王友发，周献中 国内外智能制造研究热点与发展趋势 中国科技论坛 2016(4):154-160 l 刘晶 海尔：互联工厂探路工业 4.0 中国电子报 2015（1） 张 伟 Mazak“智造”，与您同行 航空制造技术·2015（8）102-103
1.智能制造的概念和内涵 朱剑英认为具有下列特征之一的机械系统或制造系统，就可称为智能机器 系统和智能制造系统: 1)多信息感知与融合; 2)知识表达"获取"存储和处理( 包括识别"设计"计算"优化"推理与决策) ; 3)具有联想记忆功能( associate memory) ; 4)具有自学习"自适应"自组织"自维护功能; 5)具有自优化功能( 系统越用越好用) ; 6)智能的分解与集成; 7)容错; 8)智能控制 同时朱剑英还认为智能机器系统或智能制造系统的最大优点在于 : 智能 机器或系统是越用越好用的， 而传统的机器或系统其性能在使用中是不断退化的。 其次，智能机器或系统具有容错功能，即使环境异常或使用有错，智能机器或智 能系统仍然能够正常工作。 邹方认为智能制造是一种高度网络连接、知识驱动的制造模式，它优化了 企业全部业务和作业流程，可实现可持续生产力增长、能源可持续利用、高经济 效益目标。智能制造结合信息技术、工程技术和人类智慧，从根本上改变产品研 发、 制造、 运输和销售过程， 通过零排放、 零事故制造提高人身安全、 保护环境。 邹方 还认为智能制造正经历三个阶段： 第一个阶段车间和企业的集成，在这一阶段，智能制造将工厂企业互连，更 好地协调制造生产的各个阶段，推进车间生产效率的提高。典型的制造车间使用 信息技术、传感器、智能电动机、电脑控制、生产管理软件等来管理每个特定阶 段或生产过程的操作； 第二阶段从车间优化到智能制造，这些数据配合先进计算机仿真和建模，将
划》子规划，明确提出到 2020 年将我国智能制造装备产业培育成为具 有国际竞争力的先导产业。工业与信息化部制定和发布了《智能制造装备产 业“十二五”发展路线图》 ，该路线图明确把智能制造装备作为高端装备制造业 的发展 重点领域，以实现制造过程智能化为目标，以突破九大关键智能基础共性技 术为支撑，其思路是：以推进八项智能测控装置与部件的研发和产业化为核心， 以 提升八类重大智能制造装备集成创新能力为重点， 促进在国民经济六大重点 领域的示范应用推广。2015 年国务院，审议通过了《中国制造 2025》 ，为实现制 造强国目标做了部署。 3.2 科学技术方面 王友发等通过对国内外现有文献的分析得出了国内外的研究热点：国外从 智能设计、生产、管理以及服务的方面进行了研究。目前国外智能制造研究已经 较为成熟。研究内容上涵盖了智能制造研究领域的各方面，呈现出多视角动态化 的趋势， 多学科交叉融合; 研究方法上已从早期的概念阐述理论论述等定性研究 方法，逐步转向计算仿真数据调查案例研究等实验方法和定量分析方法；国内主 要从智能制造理论研究、智能制造与产业的相关研究、智能制造与企业的相关研 究以及其他方面进行了研究。 理论研究方面： 目前国内智能制造理论研究主要是对制造业智能化现象的笼 统描述、 转型路径的浅层分析和发展模式的简单总结， 未见理论上的深层次探讨， 研究深度尚显不足。 实证研究方面： 当前国内智能制造的研究大多数是对国外经验的借鉴性研究 和一般性的归纳总结研究， 且大多集中于理论探讨， 缺乏实证数据的支持。 另外， 对相关现象的分析目前还基本停留在问题描述和对策建议层次上。 交叉研究方面：智能制造研究领域涉及经济学、管理学、制造科学#信息科 学等多个学科。制造业智能化是一个复杂#系统的转型过程，同时也是多学科相 互交叉#深度融合的过程，但目前国内学者对智能制造交叉领域的相关问题，如 智能化管理、智能化服务、智能化过程中人的因素等研究较少或仍是空白。 4.典型智能制造装备或系统的介绍 4.1 海尔郑州空调互联工厂的智能生产线 郑州空调互联工厂是全球空调行业最先进的工业 4.0 实践示范工厂，在模 块化、自动化、智能化、数字化程度上都实现了引领，目前已经拥有由 11 个通 用模块和 4 个个性模块组成的 200 多种用户柔性定制方案。 这个工厂有 3 种线型，对于批量大、个性化需求少的大众化产品，互联工厂 使用高自动化定制生产线。对于批量小、个性化需求多的小众化产品，互联工厂 使用柔性定制生产线。对于用户的个性化定制，互联工厂就使用单元定制生产线 线。原来一条很长的生产线在这里就变成了几个短的生产线。这种改变是基于对 用户个性化需求的同步共享和整条生产线的高度协同。在互联工厂，用户提交定 单后，定单信息实时传到互联工厂，智能制造系统自动排产，并将信息自动传递 给各个工序生产线及所有模块商、物流商，不同的工序根据指令生产相对应的产 品模块，最后在总装线上进行组装。用户通过手机终端可以实时看到互联工厂产 品的生产情况。用户个性化需求的同步共享和生产线的协同，是依靠横向、纵向 无缝集成的数字化系统实现的。 横向应用互联网技术， 从用户需求再到产品设计、 制造、物流、服务，实现整个全流程供应链体系的整合；纵向通过物联网技术，