習(xí)潤東

（云南楚雄實(shí)驗(yàn)中學(xué)，楚雄 675000）

1 智能制造簡介

1.1 智能制造的概念

自從第一次工業(yè)革命開始，現(xiàn)代意義上的制造業(yè)就已誕生，一直被視為一個(gè)國家的立命之本。制造業(yè)經(jīng)過兩百多年的發(fā)展，從傳統(tǒng)的工廠作坊到現(xiàn)在的數(shù)字化智能化工廠，制造業(yè)的面貌煥然一新，不僅大大提高了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，而且降低了成本、減輕了工人和管理人員的負(fù)擔(dān)。智能制造（intelligent manufacturing，IM）是一種先進(jìn)制造技術(shù)，通常的定義是“智能制造是一種工業(yè)中應(yīng)用的智能化制造系統(tǒng)，是一種由智能機(jī)器、智能系統(tǒng)和人類專家管理人員所共同組成的人機(jī)充分互動交流的智能系統(tǒng)”，其目的是將整個(gè)生產(chǎn)制造、銷售、管理、售后過程中的各種要素、各種數(shù)據(jù)組合在一起，實(shí)現(xiàn)上下游產(chǎn)業(yè)鏈以及和客戶的有效交流溝通，通過智能的自組織能力，對成本、效率和能耗等關(guān)鍵性制造指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。智能制造一方面可以大大提高工業(yè)制造的效率和質(zhì)量，還能使管理人員有效地監(jiān)控、管理、維護(hù)整個(gè)制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)和各種設(shè)備，是一種先進(jìn)的高端制造模式。

圖1 智能制造

智能制造的出現(xiàn)是為了將人類的智能活動移植到制造設(shè)備中，使整個(gè)制造過程可以完全在無人干預(yù)的情況下智能化地自動完成，其是一項(xiàng)匯集制造技術(shù)、系統(tǒng)工程、管理工程、自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能于一體，各個(gè)學(xué)科各種技術(shù)相互融合、取長補(bǔ)短而形成的一種綜合性系統(tǒng)技術(shù)。

1.2 智能制造的發(fā)展

智能制造這一概念雖然提出較晚，但是其雛形可以追溯到上個(gè)世紀(jì)中葉。上個(gè)世紀(jì)50年代末，傳統(tǒng)制造業(yè)引入了現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)，擺脫了之前完全依靠人工加工產(chǎn)品的模式，通過一些有限的自動化設(shè)備（機(jī)床、車床）提高了勞動生產(chǎn)率；到了60年代左右，數(shù)控機(jī)床/車床誕生，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)加工的過程自動化，被稱為是現(xiàn)代工業(yè)自動化制造的里程碑，這也是直接數(shù)字控制技術(shù)（DNC）技術(shù)，但是此時(shí)機(jī)床中的工件和刀具還需要人工更換，不能算作是完全的自動化設(shè)備；隨后，工程師開發(fā)出機(jī)床自動更換裝置系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無人化的加工，再加上此時(shí)柔性制造技術(shù)（FMS）的出現(xiàn)，工廠生產(chǎn)中越來越多的設(shè)立了加工中心，大量的人工體力勞動被取代，人類的雙手得以解放，當(dāng)時(shí)以美國、德國、日本為代表的工業(yè)強(qiáng)國開始普及這些技術(shù)。

到了80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程師開始研究如何取代腦力勞動，一方面，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）和計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP）等系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使工業(yè)設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造過程的效率進(jìn)一步提高；另一方面，生產(chǎn)制造過程中的管理、計(jì)劃、維護(hù)、經(jīng)營等活動也得以綜合，形成了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。

到21世紀(jì)初，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷深入和人工成本的不斷提高，各國制造業(yè)之間的競爭越來越激烈，這對制造系統(tǒng)提出了更高的要求，各種復(fù)雜環(huán)境要求制造系統(tǒng)可以通過自身調(diào)整來適應(yīng)各種不確定因素和未知條件，德國、美國等國家率先提出了智能制造技術(shù)（IMT）和智能制造系統(tǒng)（IMS），用來提高制造過程的智能化程度。隨后在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷引入的情況下，制造業(yè)的信息化、數(shù)字化、智能化程度不斷提高，最終形成了現(xiàn)在的智能制造系統(tǒng)。

1.3 智能制造的國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外智能制造的開始時(shí)間較早，形成了以美國、日本和西歐為代表的三大智能制造研究中心。1988年，萊特和伯恩撰寫了《智能制造》這本專著，提出了智能制造的各種設(shè)想和實(shí)現(xiàn)措施，這也是第一本涉及智能制造的著作，開創(chuàng)了智能制造的先河。1990年，日本的通產(chǎn)省出臺了“智能制造系統(tǒng)”計(jì)劃，邀請了工業(yè)界精通機(jī)器人和先進(jìn)制造技術(shù)的研究人員參加，通過人工智能和機(jī)器視覺技術(shù)的創(chuàng)造性加入，開發(fā)出世界上最早的智能工廠。進(jìn)入21世紀(jì)以來，德國寶馬、奔馳等汽車企業(yè)在其車輛總裝廠中使用了智能制造技術(shù)，并在世界范圍內(nèi)推廣。

我國智能制造起步較晚，1994年有華中理工、南航、西安交大、清華四個(gè)高校承擔(dān)了國家智能制造研究課題，率先展開了智能制造的研究。在強(qiáng)調(diào)先進(jìn)制造振興戰(zhàn)略的今天，我國非常重視智能制造的發(fā)展，特別是自2009年5月《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》出臺以來，國家政策支持力度不斷加大，之后國家又相繼頒布了《中國制造2025》和《工業(yè)4.0》等文件，大力發(fā)展高端智能制造業(yè)，智能制造也成為了我國現(xiàn)代化建設(shè)中具有戰(zhàn)略意義的重要計(jì)劃。

2 智能制造的特點(diǎn)和組成

2.1 智能制造的特點(diǎn)

智能制造這一最新工業(yè)系統(tǒng)性技術(shù)，從創(chuàng)立發(fā)展至今，也形成了其自身獨(dú)有的若干特點(diǎn)：

（1）自組織能力。智能制造具有強(qiáng)大的自組織能力，智能化的系統(tǒng)將工業(yè)生產(chǎn)中的各種設(shè)備有效地組織在一起，統(tǒng)一調(diào)用各種設(shè)備中，在其中形成有效循環(huán)的信息流。

（2）自集成能力。智能制造將所生產(chǎn)的產(chǎn)品在研發(fā)、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、制造、使用、維護(hù)、報(bào)廢整個(gè)全生命周期用智能活動貫穿，使其在各個(gè)環(huán)節(jié)中的利用率最高、消耗和成本最低；同時(shí)在生產(chǎn)過程中，在制造中將各設(shè)備、各部門、各企業(yè)甚至各個(gè)國家共同集成在一起，生產(chǎn)過程不再獨(dú)立，有效提升了企業(yè)和行業(yè)效率。

（3）自學(xué)習(xí)能力。人類智能的最大特點(diǎn)便是具有自我學(xué)習(xí)能力，所以智能制造的學(xué)習(xí)能力也是使其區(qū)分于傳統(tǒng)制造最大的特點(diǎn)，工業(yè)生產(chǎn)制造環(huán)境復(fù)雜多變，制造的產(chǎn)品多變，所以智能制造必須擁有自我學(xué)習(xí)能力，通過不斷地獲取外界知識來調(diào)整自身制造策略，從而在不同制造模式和環(huán)境中切換，大大提高制造系統(tǒng)的自適應(yīng)和通用能力。

2.2 智能制造的組成

智能制造系統(tǒng)是一個(gè)龐大的智能系統(tǒng)，其擁有多達(dá)幾十種技術(shù)，例如：IM體系結(jié)構(gòu)、IM系統(tǒng)集成技術(shù)、IM局部控制技術(shù)、IM信息處理技術(shù)、IM車間調(diào)度技術(shù)、IM動態(tài)監(jiān)測技術(shù)、IM智能通信技術(shù)、IM智能數(shù)控技術(shù)、IM機(jī)器人技術(shù)、IM質(zhì)量保證技術(shù)等，各種技術(shù)相互協(xié)調(diào)，共同成為了智能制造強(qiáng)有力的保障。其中最具代表性的技術(shù)有以下幾種：

（1）IM智能數(shù)控。在智能數(shù)控方面，智能系統(tǒng)可以自動化地完成道具選擇、工件定位、切削參數(shù)自動生成的過程，并且在設(shè)備或計(jì)算機(jī)中上集成了相關(guān)的軟件系統(tǒng)，其中集成了基本的加工切削參數(shù)模塊，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的加入，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)不同工件自動生成加工方案，并且建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以便隨時(shí)調(diào)用各種加工方案，智能化地根據(jù)制造結(jié)果完成已有加工方案的修正，真正使數(shù)控變得越來越“聰明”。

圖2 沈陽機(jī)床智能數(shù)控產(chǎn)品

（2）IM質(zhì)量保證。智能制造系統(tǒng)擁有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷工具，可以做到快速響應(yīng)，完成各種故障和誤差下的快速診斷，并根據(jù)診斷情況合理篩選解決方案，使制造質(zhì)量得到有效保障。

（3）IM機(jī)器人技術(shù)。機(jī)器人作為智能制造系統(tǒng)中重要設(shè)備，自然承擔(dān)著其智能化的關(guān)鍵角色，在運(yùn)動控制方面，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)誤差僅為0.02mm誤差的運(yùn)動軌跡，并且其搭載了最新的機(jī)器視覺系統(tǒng)，可以識別和加載2D/3D圖紙，根據(jù)任務(wù)安排，自行完成各種任務(wù)，并且高端的智能機(jī)器人還集成了語音識別、示教識別等功能，可以和管理者有效地溝通。

3 智能制造的未來發(fā)展

智能制造是極具未來感的制造模式，可以想象，在以后的工廠或工程中，不需要工人的參與，各種設(shè)備通過智能化的系統(tǒng)連接在一起，通力配合，完全可以實(shí)現(xiàn)高度無人化作業(yè)，但是目前這種設(shè)想還未實(shí)現(xiàn)。在未來，智能制造要完全取代傳統(tǒng)制造，必須朝著集成化、智能化、無人化、規(guī)?；?、低成本的方向不斷發(fā)展，智能制造未來發(fā)展的主要趨勢有以下幾點(diǎn)：

（1）“工業(yè)4.0”的持續(xù)深入?！肮I(yè)4.0”早在2013年被德國率先提出，并被列入《德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略》計(jì)劃，其核心是制造中的智能化、信息化、數(shù)字化。雖然這一概念從國外所引進(jìn)，但是我國對“工業(yè)4.0”也持續(xù)重視，并將其視為建設(shè)工業(yè)強(qiáng)國的重要戰(zhàn)略?！肮I(yè)4.0”的持續(xù)深入，可以看到一些生產(chǎn)應(yīng)用中將看到先進(jìn)的數(shù)字和信息物理技術(shù)用于工廠自動化和加工制造中，大大提升生產(chǎn)力、生產(chǎn)靈活性、質(zhì)量和效率，一些模范企業(yè)將逐漸出現(xiàn)，起到帶頭的作用。

（2）物聯(lián)網(wǎng)對智能制造的滲透。進(jìn)入21世紀(jì)以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸滲透到生活及工作的方方面面，從使用的工具，到制造的產(chǎn)品，再到佩戴的設(shè)備等，這種“物物相連”的網(wǎng)絡(luò)給人們的生產(chǎn)生活帶來了很大的便利。物聯(lián)網(wǎng)和智能制造中智能連接之一重要功能十分契合，這種數(shù)字化的滲透將圍繞嵌入式連接、大數(shù)據(jù)、高級數(shù)據(jù)分析以及新的數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)等催生新的智能制造模式，此項(xiàng)的提升不僅僅是針對某個(gè)工廠或某個(gè)產(chǎn)品，而且開始逐漸演變成為某些行業(yè)比如汽車、交通和醫(yī)療保健等具有革新性、合作性及共享性行業(yè)平臺。

（3）協(xié)作機(jī)器人取代傳統(tǒng)機(jī)器人。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)制造中的應(yīng)用可以追溯到上個(gè)世紀(jì)，機(jī)器人取代了人力，承擔(dān)了搬運(yùn)、碼垛、焊接、切割等重復(fù)性復(fù)雜工作，但是智能制造對機(jī)器人的應(yīng)用提出了新的要求，協(xié)作性機(jī)器人必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)器人，使工業(yè)生產(chǎn)更加智能。協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)將改變許多工廠生產(chǎn)線的傳統(tǒng)操作方式，此類機(jī)器人可以與工人一起安全地并肩工作，和普通工人并沒有什么區(qū)別，通過視覺分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)被賦予的啟發(fā)能力，和一些管理人員可以通力配合。

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