智能制造关键使能技术的发展与应用实践

智能制造系 列 丛 书智能制造关键使能技术的发展与应用实践（黄培，许之颖，张荷芳）1 智能制造的内涵与价值2 智能制造关键使能技术的发展与应用实践1.1 全球制造业变革与转型策略1.2 智能制造的发展历程1.3 智能制造的内涵1.4 推进智能制造对制造企业的价值1.5 智能制造领域相关概念之间的区别与联系1 智能制造的内涵与价值1.1 全球制造业变革与转型策略图 1-1 全球制造业变革的过程制造业转型趋势：（1）随着客户需求的个性化和制造技术的发展进化，制造模式已经从大批量生产走向大批量定制和个性化定制；（2）产品的复杂程度不断提高，发展为机电软一体化的智能互联产品，嵌入式软件在其中发挥越来越重要的作用；（3）制造企业的业务模式正在从单纯销售产品转向销售产品加维护服务，甚至完全按产品使用的绩效付费；（4）制造企业全面依托数字化技术来支撑企业的业务运作、信息交互和内外协同，工业软件应用覆盖企业全价值链和产品全生命周期；（5）制造企业之间的分工协作越来越多，供应链管理和协同创新能力已成为企业的核心竞争力之一；（6）多种类型的工业机器人在制造业广泛应用，结合机器视觉等传感器技术，发展进化为协作机器人、可移动的协作机器人，实现人机协作；（7）制造企业开始广泛应用柔性制造系统和柔性自动化生产线，实现少人化；（8）增材制造技术，尤其是金属增材制造技术的应用和增材制造服务兴起，制造模式演化为应用多种增材、减材和等材制造技术混合制造；（9）精益生产、6Sigma、5S管理等先进管理理念在实践中不断发展进化；（10）制造业广泛应用各种具有优异性能的新材料和复合材料，其制造模式发生本质变化；（11）制造业高度重视绿色制造、节能环保、循环经济和可再生能源应用；（12）制造企业越来越关注实现生产、检测、试验等各种设备的数据采集和互联互通，以实现工厂运行的透明化；（13）全球进入物联网时代，制造企业开始应用工业物联网技术对工厂的设备和已销售的高价值产品进行远程监控和预测性维护；（14）虚拟仿真、虚拟现实和增强现实等技术在制造业的产品研发、制造、试验、维修维护和培训等业务得到广泛应用；（15）5G无线通信技术为制造企业实现设备联网、数据采集和产品远程操控等应用带来新的机遇；（16）制造企业在运营过程中，各种设备、仪表、企业生产的产品，以及应用的信息系统和自动化系统都在不断产生各种异构的海量数据，业务决策更加依靠数据驱动；（17）人工智能技术已经在制造业的质量检测与分析和设备故障预测等方面广泛应用；（18）制造企业广泛的应用信息系统和自动化控系统，正在逐渐基于工业标准实现互联互通。1.2 智能制造的发展历程图 1-2 美国智能制造的生态系统目前国际上与智能制造对应术语是Smart manufacturing和Intelligent manufacturing。智能制造技术是计算机、工业自动化、工业软件、智能装备、工业机器人、传感器、互联网、物联网、通信技术、人工智能、虚拟现实/增强现实、增材制造、云计算，以及新材料、新工艺等相关技术蓬勃发展与交叉融合的产物。智能制造并不是一种单元技术，而是企业持续应用先进制造技术、现代企业管理，以及数字化、自动化和智能化技术，提升企业核心竞争力的综合集成技术。可以说，智能制造是一个“海纳百川”的集大成者，参见图1-3。图1-3 智能制造技术的发展智能制造中的“制造”指的是广义的制造，智能制造并不仅仅包括生产图 1-4 e-works 对智能制造的理解1.3 智能制造的内涵制造环节的智能化，而是包括制造业价值链各个环节的智能化，即涵盖从研发设计、生产制造、物流配送到销售与服务整个价值链。与智能制造相关的概念很多，例如：（1）数字化制造（DM）：这是一种软件技术，指的是通过仿真软件对产品的加工装备与过程，以及车间的设备布局、物流、人机工程等进行仿真。（2）数字化工厂（Digital Factory）：数字化工厂指的是从产品研发、工艺、制造、质量和内部物流等与产品制造价值链相关的各个环节都基于数字化软件和自动化系统进行支撑，能够实现实时的数据采集和分析。（3）智能工厂（Smart Factory）：相对于数字化工厂而言，智能工厂主要强调生产数据、计量数据、质量数据的采集的自动化，不需要人工录入信息，能够实现对采集数据的实时分析，实现PDCA循环。图 1-5 智能制造的关键技术智能制造的十大核心应用领域之间是息息相关的，制造企业应当渐进式、理性地推进这些领域的创新实践。1. 智能产品（Smart Product）智能产品通常包括机械结构、电子或电气控制和嵌入式软件，具有记忆、感知、计算和传输功能。2. 智能服务（Smart Service）基于传感器和物联网可以感知产品的状态，帮助客户带来商业机会。3. 智能装备（Smart Equipment）具有自检测功能，可以实现在机检测，从而补偿加工误差和热变形，提高加工精度。4. 智能产线（Smart Production Line）智能产线的特点是在生产和装配的过程中，灵活调整工艺，具有柔性，能够给予智能的提示。5. 智能车间（Smart Workshop）实现生产过程的透明与可追溯，减少在制品库存，实现生产过程的无纸化；显示设备及各条产线的实时状态。6. 智能工厂（Smart Factory）生产过程实现自动化、透明化、可视化、精益化，产品检测、质量检验和分析、生产物流也应与制造执行系统实现集成。7. 智能研发（Smart R&D）离散制造企业在产品研发方面，除了CAD/CAM/CAE/CAPP/EDA等工具软件和PDM/PLM系统，还有一些智能研发的专业软件。图 1-6 DFMPro软件进行可制造性分析8. 智能管理（Smart Management）从产品研发、工艺规划到采购、生产、销售与服务形成了企业的核心价值链，价值链上通畅的信息流，有助于企业优化流程、精准决策，提高整体运营效率。9. 智能物流与供应链（Smart Logistics and SCM）越来越多的制造企业在重视生产自动化的同时，也越来越重视物流自动化。10. 智能决策（Smart Decision Making）对于制造企业而言，要实现智能决策，首先必须将业务层的信息系统用好，实现信息集成，确保基础数据的准确。1.4 推进智能制造对制造企业的价值（1）快速应对市场波动，缩短产品上市周期。（2）促进企业降本增效，实现少人化。（3）实现企业运作的可视化、透明化，实时洞察企业运营状态。（4）提高生产效率，缩短交货期。（5）提高企业质量管控水平。（6）助力企业节能降耗。1.5 智能制造领域相关概念之间的区别与联系1. 智能制造与两化融合两化融合是指工业化与信息化的深度融合。两化融合是中国制造业转型的必由之路，而智能制造是实现两化融合的核心途径，是两化融合的重要抓手。2. 智能制造与工业互联网智能制造致力于实现整个制造业价值链的智能化，推进智能制造过程中需要诸多使能技术。其中，工业互联网是实现智能制造的关键基础设施，或者说关键的使能技术，工业互联网是智能制造实现应有价值、让企业真正从中获益的必要条件和基石（图1-7）。图 1-7 工业互联网对智能制造的支撑作用3. 智能制造与人工智