智能制造与数字化工厂2

智能制造与数字化工厂2014年9月张国军

博士、长江学者特聘教授提纲一、智能制造的背景、特征与关键技术二、RFID在智能制造中的应用模式三、智能制造解决方案及应用案例四、数字化工厂及应用案例五、相关工作基础3制造技术发展趋势绿色化制造需求：多品种多批量、高质量低成本、柔性制造快速响应、节能减排环境友好等提高能源利用效率，实现工业生产“绿色环保”绿色制造实现多品种产品生产的动态配置资源

定制化制造技术的发展需求和趋势

满足客户个性化需求

全价值链端到端系统工程

个性化1能源和资源利用效率是竞争力的决定性因素•••更短的创新周期更为复杂的产品更大的数据量•••个性化大规模生产快速变化的市场更高的生产效率提升效率制造业变化的速度比以往更快

42

缩短生产周期3

提高柔性制造业核心竞争力正在发生深刻变化

提升竞争力5美国

“再工业化”

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国家制造技术创新联盟

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使用本国页岩气和石油德国

保持工业领先地位

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持续创新机制

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高出口量

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工业4.0为新的指导原则中国

发展高端技术实现产品升级

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工资上涨

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质量驱动的自动化需求

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节能立法制造业成为全球经济发展的发动机62015年中国长三角地区的制造成本仅比美国低5%中国的制造业在发生巨大变革

哥本哈根中国减排目标

产业升级压力

劳动力成本上升

能耗排放压力中国制造业机遇：发展先进制造技术，实现产业升级

7低附加值高附加值中国的挑战和机遇•蒸汽机的发明，机器动力的应用电动机的发明，电能的应用信息技术特别是数控技术的应用智能技术的应用，自适应、自我决策机械化

蒸汽机

机械一代电气化

普通机床

电气一代数字化

数控机床

数控一代智能化

智能机床

智能一代

制造业发展的几个主要阶段

蒸汽机、电动机曾给机械产品的发展带来革命

数字化：信息化与工业化融合的重要手段

智能化：装备和机械产品的发展趋势第四次工业革命：智能制造第一次工业革命蒸汽动力机械设备应用于生产第二次工业革命电机发明和电能使用，大规模流水线生产第三次工业革命应用IT技术实现自动化生产第四次工业革命实现智能制造智能制造几何精度微观组织性能表面完整性残余应力分布品质一致性……什么叫智能制造

智能制造通过工况在线感知（看）、智能决策与控制（想）

、装

备自律执行（做）大闭环过程，不断提升装备性能、增强自适应能

力，是高品质复杂零件制造的必然选择。

高品质制造国家对智能制制造的重视国家中长期科科技术发展规规划纲要对““数字化智能化制造技技术”提出了了迫切需求：：国家科技部发发布《智能制制造科技发展展“十二五”重点专专项规划》，，重点突破智智能化的高端装备国家工信部发发布了《智能能制造装备产产业“十二五”发发展规划》，，并启动了智智能制造装备重大专专项大飞机、发动动机等重大科科技专项中，，2/3的重大专项急急需智能制造造装备与技术术国家中长期科科学和技术发发展规划纲要(2006-2020)★重点研究数字字化设计制造造集成技术“十二五”国国家战略性新新兴产业发展规划★做大做强数字字制造装备，，促进制造业业智能化、精密密化、绿色化化发展☆国家科技重重大专项（02专项）极大规模集成成电路制造装装备及成套工艺☆国家科技重重大专项（04专项）高档数控机床床数字化设计计关键技术与工具集研发发及典型产品品应用☆国家智能制制造装备重大大专项智能制造关键键技术、数字字化车间示范应用、智能能制造系统等等InitsreportEnsuringAmericanLeadershipinAdvancedManufacturing,inJune2011国际对智能制制造的重视智能制造作为为先进的制造造科学与技术术手段，已成成为各国抢占占制造科技制高点的的重点研究领领域：奥巴马总统2011年启启动“高端制制造合作伙伴伴（AMP））计划”，企业/高校共共同实施，将将智能制造确确定为美国夺夺回制造业霸霸主的三大重点领领域之一(美国科技委委员会制造研研发报告)美欧日等发达达国家：将智智能制造列为为支撑未来可可持续制造的的重要科学技术(IMS2020Roadmap)13智能制造的基基本特征1)信息驱动采集产品制造造的各类数据据、知识、图图形、图像等等信息，实现现生产过程系统统的预报、评评价、调度、、控制、监控控、诊断、决决策和优化等。。2)自治能力采用分层或分分级的自治单单元，通过协协调机制对其其自身的操作作行为做出规划划，对意外事事件（如制造造资源变化、、制造任务货货物要求变化等等）做出反应应，实现行为为可控。14智能制造的基基本特征3)人机协同同实现人和系统统的协同交互互，辅助人类类进行分析、、判断、决策策；人机之间平等等共事、相互互“理解”、、相互协作。。4)自组织与柔性性根据获取的市市场、设计和和过程信息，，制造单元和和系统自行组组成一种最佳结结构的智能制制造系统，以以高效可靠的的方式运行，，完成给定的制制造任务。15智能制造的基基本特征5)自学习能力以专家知识为为基础，不断断完善、优化化、更新系统统的知识库；；通过感知环境境状态来学习习动态系统的的最优行为策策略，实现环环境自适应、在在线学习等能能力。6)自维护能力对系统的故障障进行诊断、、预测和自修修复，自动更更新系统知识识库、维护单元元设备；对系系统的整体运运行状况进行行评估，及时时发现并解决问问题。16智能制造关键键技术综合利用智能能传感技术、、计算机网络络技术、自动动控制技术、人工工智能技术、、现代管理技技术，实现工工厂生产自动化、网络络化、数字化化和智能化，，其关键技术术有：智能传感与智智能制造网络络技术分布制造智能能与系统建模模技术信息管理、集集成与数据挖挖掘技术智能决策、规规划、调度与与企业管理技技术现代制造服务务技术造装备/工艺生产管理服CAD/CAE/CAMPDM/ERP/SCM销售/维护/报废智能装备感知自主/半自主主智能制造体系系结构企业制造系统结构可重重构系统运行自组组织、自适应、自协协作智能制造系统统客户信息感知知与管理客户需求智能能分析与个性化服务智能制造服务务决策规划智能控制制造智能统数控技术的应应用引起机械械产品本身内内涵发生根本本性变化伺服驱动系简化机械结构构缩短制造周期期提高制造精度度提升装备性能能齿轮箱传动机构工作装置伺服驱动系统统控制系统工作装置输入信息信息反馈传统机械产品品动力源数控机械产品品制造装备智能能化的基础2、高速、高高精、高可靠靠现场总线先进数控机床床加速度可达达10g，快快移速度达720m/min普通数控加加工精度5μm，精精密级1μμm，超精精密0.01μm数控装置MTBF值值达60000h以以上，伺服服系统达30000h高速纳米插插补3、智能化化、网络化化、复合化化加工参数自自调整、防防碰撞、误误差补偿、、颤振预测测抑制等从单一的数数据传输向向网络监控控、维护与与管理方向向发展同时完成复复杂零件的的主要乃至至全部加工工工序加工参数自自动调整制造装备智智能化的内内涵1、平台全全数字化现场总线、、码盘到伺伺服的连接接、驱动单单元等全数数字化高档系统普普遍采用现现场总线方方式InstituteonAdvancedManufacturingTechnology,TongjiUniversity操作权限指纹确认数码相机加工任务完完成情况和和机床状态可可用手机查查询信息塔(e-Tower)机床信息化化，具有语语音、文本和视视像等通讯讯功能。与生产计计划调度系系统联网，实时反反映机床工工作状态和加工进进度操作权限指指纹确认。。工件试切时，，可在屏幕幕上观察加工过程程。故障报报警显示、在线帮帮助排除。。Prof.ShuZhang智能化制造造装备—国国内外进展展智能化与自自主管理知道本系统统的加工能能力和状态能够监控和和自主优化化加工过程能够自行度度量工作（输出）的的质量能够不断持持续学习和和提高自己的的能力智能通讯单元智能化制造造装备—国国内外进展展智能化与自自主管理提纲纲一、智能制制造的背景景、特征与与关键技术术二、RFID在智能能制造中的的应用模式式三、智能制制造解决方方案及应用用案例四、数字化化工厂及应应用案例五、相关工工作基础适应复杂工工况：防雨水、、抗污渍、、抗油污、、可喷涂读写方便快快捷：可读可写写，“盲视”““透视”扫扫描批量操作：批量读/写、远距离离读写读识性能可可靠：一次性““盲扫”，，识别可靠靠性达99.8%以上RFID系统组成RFID工作原理RFID在在智能制造造中的应用用模式RFID（RadioFrequencyIdentification）是一种非接触式的自动识别别技术，它它通过射频信号自自动识别目目标对象并并获取相关关数据。电子标签读写器读写器天线线读写器天线线射频信号号RFID中间件企业业务应应用扩展企业网络RFID在在智能制造造中的应用用模式托盘夹具ID容器RFID标签工装板加工零件刀具TAG智能制造在在AGV搬搬运机器人人上的应用用应用说明：：在AGV小小车需要判判别转向信信息的部分设置RFID感感应标签。。AGV搬运运机器人底底部安装RFID读读写设备，通通过识别AGV车路路径上的RFID标签，获获取不同路路径转向点点的转向和报报站信息通过RFID系统和和AGV车车载控制系系统以及驱动动系统实现现AGV小小车更加智能化的的运行应用效果：：实现AGV小车路径径柔性化，，提高运转转效率，更更具备路径径适应性和和制造流程适应应性，能与与MES、、ERP系系统无缝对对接。智能制造在在码垛机器器人上的应应用应用说明：：在自动立库库的出入口口、码垛机机器人、转向机构构等位置部部署RFID读写器器在自动立库库中的托盘盘（载具））上固定RFID电子标签签在运转过程程中通过识识别RFID标签的的信息，加载载产品或物物料信息将RFID信息传递递给码垛机机器人实现现全自动出库库、入库、、分配位置置等动作应用效果：：实现自动动化立库的的自识别功功能，能够够实现随机机快速分配配仓位，实实现自由调仓等功功能，提高高自动化立立库的运转转效率，降降低出错率率智能制造在在烟草业中中的应用作为烟草生生产管理信信息系统的的一部分，，SYGOLE-RFID用用于在自动动化仓库和管理系统统中追踪和和管理生产产，质量信信息。目标标是实现质质量和物料料的控制。烟棒过滤嘴嘴自动仓库库的RFID仓库容器传传送机堆垛机Sygole智能制造在在数控加工工中心辅助助机器人应应用应用说明：：给每一个工工件安装一一个RFID标签，，需具备抗金金属、抗油油污、高防防护等级性能；通过机器人人自动抓取取，实现在在工件仓库、机床床环节之间间的自动加加工和流转；机器人安装装RFID读写设备备，通过读读取工件的RFID标标签，识别别不同工件件的加工工艺艺和位置参参数等信息息。应用效果：：通过七轴关关节机器人人，配备一一个拥有数数百个托盘盘位的自动动化电极仓仓库，将放电电加工、高高速铣削等等多个加工工流程可靠靠连接起来来，提高数数控设备稼稼动率30%以上上智能制造在在线测量机机器人的应应用应用说明：：在电极夹具具上装载RFID标标签，让每一个夹具具都有唯一一标识在测量设备备上安装读读写装置，，让每台设备具具有智能感感知功能设备读取标标签信息后后，能够自自动进行误差测测量、型面面测量并形形成检测报告应用效果：：（1）提高高了测量的的效率20%（2）实现现了测量目目标体和测测量指标的自识别，，提高设备备利用率18%（3）减少少人工错误误，提高准准确率10%29电极数据库读写器读取取电极标签签编码QC测量电极偏移量X、Y值传传递至上位位机软件标签编码传递至上位机软件向标签内写写入X、Y偏移量值向数据库写入入X、Y偏移量量值汽车喷涂中的的智能制造技技术SYGOLE在汽车车身装装RFID远远距离电子标签在汽车车身侧侧边或顶部部部署RFID读写写器，同时将将读写器和喷涂机器人实实现联动通讯讯汽车通过时，，RFID将将识别的信息传输给机器器人，机器人人通过对信息的识别别加载不同的的喷涂参数，实现自自动化混流喷喷涂应用效果：通过对机器人人识别技术的的改造，使得得汽车喷涂具具备混流自动动化的特征，，提高了喷涂涂效率，提高了整整车生产效率率。发动机装配混混流中智能制制造应用说明发动机组装过过程在主体盘盘上装RFID电子子标签，并将将发动机型号号信息写入标签签在发动机组装装过程中，在在发动机组装流水线线线边装读写装装置，识别发动机信息息RFID设备备读取到信息息后，将信息息RFID标签sygole读写装置传递给PLC以及现场机机器人，通过机器人的不不同动作实现现混流装配。应用效果：实实现了发动机机组装全过程程的混流装配配，全程追溯溯发动机装配配信息，使得得发动机的质量稳稳定性大大提提升。物流快速批量量识别和AGV集成应用用应用说明物流载具、托托盘、叉车RFID电子子标签，并将物物品信息写入入标签在物流运输及及出入库过程程中，关键物流节点处处安装读写装装置，快速批量识别通通过的物品信信息RFID设备备读取到信息息后，将信息息传递给后台设设备、系统以以及AGV机器人，通过过AGV机器器人将物品搬运到相应位位置。应用效果：实实现了物流过过程批量识别别全自动化过过程，AGV实现了自动动搬运和输送送一、智能制造造的背景、特特征与关键技技术二、RFID在智能制造造中的应用模模式三、智能制造造解决方案及及应用案例四、数字化工工厂及应用案案例五、相关工作作基础提纲智能制造应用用解决方案智能制造智能家电车间物流工程机械物流园供应链智能维护混流制造辅具控制产品制造研发设计反馈馈生产过程跟踪踪出厂测试记录录销售管控商业模式转变变以租代售销售信息汇总总厂商信息同步步售后维护数据分析记录录寿命预测故障诊断客户体验个性化交互故障智能提醒醒自适应控制节能高效智能制造方案案：机电产品智能能化应用领域产品制造产品服务全面提升产品品附加值全生命周期产品智能化：：工程机械产产品智能化车载智能中控控系统装备使用状态态GPS卫星定位后台服务支撑撑系统设备业主监控控设备状况信息息上报、状态态定位监控、、厂商业主指指令远程下达达、现场服务务支持刀具管理基于RFID的方案：辅具全生命周周期信息交互互过程适应恶劣加工工工况刀具与加工机机床/对刀仪M2M刀具全生命周周期管控提升刀具利用用率提高机床使用用率提高加工零件件质量价值智能维护方案价值1维修体制优化化，合理分配配预知性检修、定定期检修及故故障检修，实现设备可靠靠性和经济性的优化化平衡；2构建以可靠性性为中心的状状态检修体系，，实现设备健健康状态的全方方位监控，保保障设备安全运运行；3开发全流程智智能维护系统统，实现监测-诊断-评估-决策-维修的信息化化管理，保障障智能维护的完完整实施。一、智能制造造的背景、特特征与关键技技术二、RFID在智能制造造中的应用模模式三、智能制造造解决方案及及应用案例四、数字化工工厂及应用案案例五、相关工作作基础提纲数字化工厂的的作用：以汽汽车工业为例例2010年，，国务院发展展研究中心《《汽车产业蓝蓝皮书》发布布比较结果：日本汽车车工业91.62分，中国汽车车工业54.33分自主品牌汽车工业发达达国家品种效率质量1000多种种变型共线3.5分钟/辆（江淮商务车车）224个PP100（每百辆新车车问题数）4000多种种变型共线（2000年年丰田Coronas装装配线）48秒/辆（日本本田轿轿车、商务车车共线）135个PP100（每百辆新车车问题数）——2010年J.D.Power亚亚太公司中国国新车质量研研究报告数字化工厂的的作用：以汽汽车工业为例例设备能力生产过程管控控与优化能力力要实现上述目目标，设备的智能化化水平和生产产过程管控与与优化的能力力缺一不可多品种高效率低成本高质量在设备能力逐逐步提升的情情况下，制造造环节的数字字化管控与优优化能力不足足更显突出，已成为为我国汽车工工业与国外差差距的主要原原因之一。什么是数字化化工厂数字化工厂以MES为核核心，对工厂内的的制造资源、、计划、流程等等进行管控数字化工厂与与产品设计层层有紧密关联，，是设计意图图的物化环节通过系统集成成，数字化工工厂还与企业层层和设备控制制层实时交换数数据，形成制制造决策、执行行和控制等信信息流的闭环−物流通道及设设备监控−叉车/AGV/堆垛机运运行情况−物流设备位置置数字地图显显示−配送执行状态态跟踪及监控控−仓库出入库/库存/缺料料跟踪生产过程数字字化−WIP跟踪(工位/工序序/部件)−各工位关重件件安装匹配查查验−生产报工与节节拍价值分析析−各型号/各订订单的完工情情况−各工位/各关关重件实作工工时质量管控数字字化−质量统计分析析报表及异常常报告−质检现场数据据/质检设施施数据−主机及关重件件流转过程监监控−质量报表数据据/统计分析析数据−现场质量事故故位置与性质质分析制造资源数字字化−设备运行状态态和运行参数数−刀具/量具/模具在库/在工位−装运车辆的定定位/跟踪/调度−关键岗位人员员的定位/呼呼叫−资源的能力/效率跟踪分分析现场运行数字字化−安灯内容信息息采集与发布布−设备运行状态态和运行参数数−线边物料的消消耗与配送−现场视频采集集与近景分析析−现场环境(光光/温/湿/尘/气)物料管控数字字化管控中心PCC生产质量ERPPDM物流设备数字化工厂的的核心内容数字化工厂的的分层管理数字化制造决决策与管控层层商业智能/制制造智能（BI/MI））：可针对质量量管理、生产产绩效、依从性、产品总总谱和生命周周期管理等提提供业务分析析报告无缝缩放和信信息钻取：通过先进的可可定制可缩放放矢量图形技技术，使用者可充分分考虑本企业业需求及行业业特点，轻松松创建特定的的数据看板、图形显显示和报表，，可快速钻取取至所需要的的信息实时制造信息息展示：无论在车间或是公司办办公室、会议议室，通过掌上电脑脑、PC机、、大屏幕显示器，用户户都可以随时时获得所需的实时信信息数字化工厂的的分层管理数字化制造执执行层先进排程与任任务分派：通过对车间生生产的先进排排程和对工作作任务的合理理分派，使制造造资源利用率率和人均产能能更高，有效效降低生产成成本质量控制：通过对质量信信息的采集、、检测和响应应，及时发现现并处理质量量问题，杜绝因因质量缺陷流流入下道工序序所带来的风风险准时化物料配配送：通过对生产计计划和物料需需求的提前预预估，确保在在正确的时间将正确确的物料送达达正确的地点点，在降低库库存的同时减减少生产中的的物料短缺问题题及时响应现场场异常：通过对生产状状态的实时掌控控，快速处理理车间制造过程中的生产产过程中常见见的延期交货、物料短缺缺、设备故障障、人员缺勤等各种异常常情形数字化工厂的的分层管理数字化制造装装备层（工位位层）实时硬件装备备集成：通过对数控设设备、工业机机器人和现场场检测设备的的集成，实时获取取制造装备状状态、生产过过程进度以及及质量参数控控制的第一手手信息，并传递递给执行层与与管控层，实实现车间制造造透明化，为为敏捷决策提提供依据多源异构构数据采采集：采用了先先进的数数据采集集技术，，可以通通过各种种易于使使用的车间间设备来来收集数数据，同同时确保保系统中中生产活活动信息息传递的的同步化化和有效性性生产指令令传递与与反馈：支持向向现场工工业计算算机、智智能终端端及制造造设备下下发过程控控制指令令，正确确、及时时地传递递设计及及工艺意意图设备控制制电子看板板按灯智能料架架条码扫描描RFIDProductionIntegrationCenter波音787数字字化工厂厂通过采用用数字化化工厂，，波音公公司在制制造环节节取得了了显著的的效益：显著提高高了生产产效率减少了质质量缺陷陷率减少了因因供应商商原因导导致的生生产延期期Boeing787研研制周期期缩短至至1/3，研制制成本降降低50%新一代战战神航天天运载工工具的研研制和C130的航空空电子升升级中，，缩短装配工期期57%波音787数字字化工厂厂解决方案案与应用-涂装-总装-总自主品牌牌汽车生生产企业业（江淮淮、奇瑞瑞、海马马、江铃铃、中国国重汽、、万山等等）冲压车间间焊装焊装-涂涂装车间装车间发动机加加工/装装配车间间作业型生生产流水型生生产生产混合型生生产多车间关关联优化化工艺序列列优先的的混合排程程加工/装装配物料料配送硬件装置置与软件系系统优化技术术与算法在制品跟跟踪与生生产过程程可视化化监控系系统车间信息息采集终端端车身路由由控制器配色验证证控制器智能料架架物料匹配配装置数字化工工厂解决决方案：：汽车数字化工工厂解决决方案：：汽车工艺过程程优化多车间生生产排序序涂胶工艺艺切换装装置缸体工装装快速切换装置置生产数据据采集车身识别别缸盖3D扫描数据采集识别中央控制制涂装路由由控制PBS路由控制制生产执行控制物料精准准配送物料搬运运智能料架架物料匹配配支持多条条生产线线：11条冲压线线、3条焊装线线、2条涂装线线、3条总装线支持六大大平台八八种车型型：瑞风（MPV）、瑞鹰鹰（SUV）、宾悦悦、同悦、和和悦、悦悦悦（轿轿车）江淮汽车车案例介绍绍：江淮淮汽车数字化工工厂解决决方案：：工程机机械行业业智能化加加工设备备DNC智能化机机械手智能刀具具管理中央控制制室现场Andon现场监视视装置智能加工工中心与生产产线智能化仓仓储/运运输与物物流智能化生生产执行过程管管控智能化生生产控制制中心数字化工工厂自动化立立体仓库库AGV智智能小车