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”

•

国家制造技术创新联盟

•

使用本国页岩气和石油德国

保持工业领先地位

•

持续创新机制

•

高出口量

•

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

•

工资上涨

•

质量驱动的自动化需求

•

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造的重视

国家中长期科技术发展规划纲要对“数字化

智能化制造技术”提出了迫切需求：

国家科技部发布《智能制造科技发展“十

二五”重点专项规划》，重点突破智能化

的高端装备

国家工信部发布了《智能制造装备产业

“十二五”发展规划》，并启动了智能制

造装备重大专项

大飞机、发动机等重大科技专项中，2/3

的重大专项急需智能制造装备与技术

国家中长期科学和技术发展

规划纲要(2006-2020)

★

重点研究数字化设计制造集成技术“十二五”国家战略性新兴产业发展规划

★

做大做强数字制造装备，促进制造业

智能化、精密化、绿色化发展

☆国家科技重大专项（02专项）

极大规模集成电路制造装备

及成套工艺

☆国家科技重大专项（04专项）

高档数控机床数字化设计关键技术

与工具集研发及典型产品应用

☆国家智能制造装备重大专项

智能制造关键技术、数字化车间示

范应用、智能制造系统等In

its

report

EnsuringAmericanLeadership

inAdvancedManufacturing,

in

June

2011国际对智能制造的重视

智能制造作为先进的制造科学与技术手段，已成为各国抢占制造科技制高点的重点研究领域：

奥巴马总统2011年启动“高端制造合作伙伴（AMP）计划”，

企业/高校共同实施，将智能制造确定为美国夺回制造业霸主

的三大重点领域之一

(美国科技委员会制造研发报告)

美欧日等发达国家：将智能制造列为支撑未来可持续制造的重要科学技术

(IMS2020

Roadmap)13智能制造的基本特征1)

信息驱动采集产品制造的各类数据、知识、图形、图像等信息，实现生产过程系统的预报、评价、调度、控制、监控、诊断、决策和优化等。2)

自治能力采用分层或分级的自治单元，通过协调机制对其自身的操作行为做出规划，对意外事件（如制造资源变化、制造任务货物要求变化等）做出反应，实现行为可控。14智能制造的基本特征3)人机协同实现人和系统的协同交互，辅助人类进行分析、判断、决策；人机之间平等共事、相互“理解”、相互协作。4)

自组织与柔性

根据获取的市场、设计和过程信息，制造单元和系统自行组成一种最佳结构的智能制造系统，以高效可靠的方式运行，完成给定的制造任务。15智能制造的基本特征5)

自学习能力以专家知识为基础，不断完善、优化、更新系统的知识库；通过感知环境状态来学习动态系统的最优行为策略，实现环境自适应、在线学习等能力。6)

自维护能力对系统的故障进行诊断、预测和自修复，自动更新系统知识库、维护单元设备；对系统的整体运行状况进行评估，及时发现并解决问题。16智能制造关键技术

综合利用智能传感技术、计算机网络技术、自动控制技术、人工智能技术、现代管理技术，实现工厂生产自动化、网络化、数字化和智能化，其关键技术有：

智能传感与智能制造网络技术

分布制造智能与系统建模技术

信息管理、集成与数据挖掘技术

智能决策、规划、调度与企业管理技术

现代制造服务技术造装备/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

智能制造体系结构

企业制造

系统结构可重构

系统运行自组织、自适应、自协作智能制造系统

客户信息感知与管理

客户需求智能分析与

个性化服务智能制造服务

决策规划

智能控制

制造智能统数控技术的应用引起机械产品本身内涵发生根本性变化

伺

服

驱

动

系简化机械结构缩短制造周期提高制造精度提升装备性能齿轮箱传动机构工作装置伺服驱动系统控制系统工作装置输入信息信息反馈传统机械产品

动力源

数控机械产品制造装备智能化的基础2、高速、高精、高可靠现场总线

先进数控机床加速度可达10g，快移速度达720m/min

普通数控加工精度5μm，精密级1μm，超精密0.01μm

数控装置MTBF值达60000h以上，伺服系统达30000h

高速纳米插补

3、智能化、网络化、复合化

加工参数自调整、防碰撞、误差补偿、颤振预测抑制等

从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发展

同时完成复杂零件的主要乃至全部加工工序

加工参数自动调整

制造装备智能化的内涵1、平台全数字化

现场总线、码盘到伺服的连接、驱动单元等全数字化

高档系统普遍采用现场总线方式Inst堂itut郊eonAdva忍ncedManu妈fact撕urin悟gTec煤hno例log瓦y,Tong亦jiUniv腊ersi侄ty操作权顾限指纹确认数码相嘱机加工任务宾完成情况畜和机床状延态可用剥手机查时询信息塔(e-T醉owe肯r)机床信息害化，具有全语音、文本首和视像降等通讯百功能。与生黎产计划俭调度系律统联网，实予时反映竹机床工代作状态和加工药进度操作权浊限指纹仪确认。瓦工件试切时域，可在屏烈幕上观察加工毅过程。兵故障报雹警显示、在罢线帮助孩排除。Pro穗f.ShuZha匠ng智能化桶制造装冬备—国慕内外进黎展智能化与腾自主管理知道本须系统的挡加工能力和状态能够监盾控和自祝主优化加工过闯程能够自行咐度量工作（输出梨）的质攻量能够不断怒持续学习眠和提高自桃己的能姐力智能通讯单元智能化蚀制造装闻备—国焦内外进疏展智能化宇与自主够管理提窝纲一、智趣能制造亮的背景毫、特征硬与关键声技术二、R芽FID棍在智能企制造中排的应用快模式三、智能恒制造解决伤方案及应勺用案例四、数红字化工损厂及应棒用案例五、相关谊工作基础适应复魄杂工况：防雨割水、抗知污渍、买抗油污拆、可喷进涂读写方潜便快捷：可读可随写，“盲视”盟“透视”剪扫描批量操厅作：批量蹦读/写、远距侮离读写读识性能胶可靠：一次骗性“盲义扫”，监识别可佳靠性达99.8散%以上RFI途D系统组扣成RFI增D工作原由理RFID堆在智能制旨造中的应筐用模式RFI杰D（Radi筐oFreq歪uenc踏yIden柴tifi寨cati恋on）是一种非接触式的自动识互别技术，油它通过射频信燥号自动旗识别目两标对象屋并获取添相关数旱据。电子标横签读写器读写器艺天线读写器循天线射待频信号RFI辨D中间件企业业务窑应用扩展企业网络RFID平在智能制会造中的应银用模式托盘夹具ID容器RFID标签工装板加工零件刀具TAG智能制造坑在AGV改搬运机器姓人上的应炒用应用说明据：在AG犬V小车胡需要判很别转向格信息的部分设猛置RF紫ID感材应标签里。AGV锅搬运机写器人底州部安装依RFI针D读写设备，狭通过识别狸AGV车允路径上的RF优ID标享签，获染取不同用路径转厕向点的转向脱和报站级信息通过R次FID脏系统和革AGV恰车载控蕉制系统以及驱辆动系统实猾现AGV荡小车更加智能图化的运宵行应用效果俱：实现AG稿V小车路嫩径柔性化盟，提高运售转效率，孩更具备路外径适应性须和制造流程然适应性盛，能与吨MES妥、ER乒P系统干无缝对承接。智能制造唐在码垛机祖器人上的税应用应用说弟明：在自动蕉立库的锁出入口慢、码垛间机器人、转向机摊构等位置仔部署RF吧ID读写配器在自动佳立库中逢的托盘装（载具呈）上固定RF美ID电杜子标签在运转过级程中通过甜识别RF会ID标签斯的信息，主加载产统品或物会料信息将RFI捧D信息传抬递给码垛腐机器人实张现全自动出忌库、入库纪、分配位甚置等动作应用效果赵：实现自泪动化立库糖的自识别蜻功能，能朴够实现随蔽机快速分贡配仓位，叹实现自由调仓等普功能，提胀高自动化糟立库的运帖转效率，读降低出错崖率智能制造要在烟草业仙中的应用作为烟准草生产狂管理信膜息系统雷的一部呢分，S沉YGO批LE-庄RFI咽D用于陆在自动王化仓库和管理维系统中查追踪和伏管理生签产，质慈量信息耕。目标谈是实现欲质量和篮物料的控制。烟棒过滤桥嘴自动仓俘库的RF劲ID仓库容器箩传送机堆垛机Syg舱ole智能制造劳在数控加亡工中心辅情助机器人咽应用应用说明馋：给每一朵个工件恢安装一羊个RF屡ID标惠签，需具备抗浇金属、抗封油污、高蓄防护等级性能产；通过机器顶人自动抓颜取，实现督在工件仓库、机弄床环节之派间的自动是加工和流转；机器人安胞装RFI扭D读写设捉备，通过偏读取工件的客RFID炼标签，识液别不同工声件的加工钩工艺和格位置参椅数等信米息。应用效症果：通过七轴堡关节机器石人，配备块一个拥有重数百个托照盘位的自坐动化电极昼仓库，将岩放电加快工、高驱速铣削追等多个朽加工流岭程可靠鸣连接起银来，提静高数控探设备稼挥动率30%以奋上智能制部造在线真测量机寸器人的仓应用应用说明仁：在电极变夹具上慰装载R滴FID遮标签，促让每一个夹押具都有唯值一标识在测量掩设备上期安装读跳写装置千，让每台设肝备具有磨智能感馅知功能设备读杠取标签顺信息后壁，能够虚自动进行误糖差测量畜、型面矮测量并涂形成检测报阿告应用效果业：（1）提牧高了测量询的效率2胞0%（2）址实现了勾测量目具标体和畜测量指晶标的自识奔别，提编高设备仙利用率旧18%（3）佩减少人拦工错误决，提高彩准确率蹲10%29电极数据库读写器读弓取电极标阶签编码QC测量电极偏移量X、Y值什传递至上住位机软件标签编码传递至上位机软件向标签瘦内写入X、Y偏移量值向数据库盐写入X、Y偏完移量值汽车喷常涂中的协智能制隐造技术SYG讯OLE在汽车车让身装RF哑ID远距狐离电子标签在汽车车沟身侧边或衬顶部部署RFID吸读写器，眉同时将读长写器和喷涂机惯器人实蹦现联动菌通讯汽车通超过时，及RFI他D将识蛙别的信息传输给扣机器人，胶机器人通蕉过对信息的订识别加载秧不同的喷祝涂参数，实植现自动化液混流喷涂应用效果午：通过对机君器人识别洽技术的改尘造，使得鞋汽车喷涂钟具备混流暂自动化的胃特征，提痰高了喷涂赔效率，提龟高了整者车生产狡效率。发动机泪装配混忆流中智旨能制造应用说众明发动机组菌装过程在然主体盘上粒装RFID跟电子标签汇，并将发裕动机型号信息写入课标签在发动丙机组装章过程中秒，在发穿动机组装流水灭线线边装惑读写装置泳，识别发动机绣信息RFI选D设备糠读取到片信息后敲，将信棚息RFID标签sygo吸le读写装置传递给P森LC以及塌现场机器债人，通过机器人烦的不同动文作实现混伪流装配。应用效果内：实现了液发动机组商装全过程澡的混流装摘配，全程汇追溯发动魔机装配信鹿息，使得古发动机的质火量稳定性姐大大提升踩。物流快隙速批量篇识别和满AGV哪集成应念用应用说逐明物流载理具、托章盘、叉层车RF夕ID电强子标签，中并将物若品信息尿写入标捞签在物流巡寿运输及幅出入库翁过程中浸，关键物流节袋点处安装藏读写装置少，快速批量识伐别通过的棍物品信息RFI历D设备繁读取到奇信息后截，将信亡息传递给宵后台设社备、系峰统以及抢AGV机器人干，通过沟AGV咐机器人庭将物品搬运到东相应位昨置。应用效果乞：实现了盗物流过程勤批量识别校全自动化奥过程，A魔GV实现鲁了自动搬对运和输送一、智能应制造的背射景、特征害与关键技臂术二、RF砍ID在智扮能制造中饲的应用模膛式三、智能壳制造解决芝方案及应正用案例四、数字俱化工厂及蛇应用案例五、相甲关工作勾基础提痕纲智能制造朴应用解决洗方案智能制造智能家景电车间物钻流工程机套械物流园供应链智能维护混流制造辅具控蚂制产品制坝造研发设计执反馈生产过刷程跟踪出厂测试宵记录销售管控商业模赞式转变以租代纠售销售信息特汇总厂商信眯息同步售后维护数据分用析记录寿命预誓测故障诊断客户体诱验个性化欠交互故障智仍能提醒自适应控策制节能高泳效智能制己造方案导：机电产油品智能哄化应用领扮域产品制造产品服务全面提魂升产品冶附加值全生命爱周期产品智能版化：工程缴机械产品葛智能化车载智饭能中控半系统装备使讽用状态GPS卫星定丙位后台服务于支撑系统设备业主攀监控设备状况疾信息上报叼、状态定何位监控、抱厂商业主似指令远程暂下达、现价场服务支娱持刀具管理基于RFID的方案：辅具全生社命周期信葵息交互过痛程适应恶德劣加工摸工况刀具与河加工机饭床/对刀仪M2M刀具全刷生命周鄙期管控提升刀浅具利用漏率提高机床堪使用率提高加喉工零件昨质量价值智能维傻护方案价值1维修体殊制优化胃，合理差分配预知性检修信、定期检落修及故障检修，实现设备浙可靠性和经济性的堤优化平衡趁；2构建以丢可靠性亩为中心淋的状态检修桨体系，权实现设使备健康状态煮的全方干位监控吉，保障设备安秤全运行；3开发全貌流程智浙能维护辛系统，实现监薪测-诊断-评估-决策-维修的脊信息化弃管理，林保障智能维跌护的完巷整实施摩。一、智悔能制造到的背景稍、特征犹与关键定技术二、RF孩ID在智主能制造中谎的应用模匆式三、智陈能制造骂解决方罢案及应折用案例四、数朱字化工握厂及应落用案例五、相关如工作基础提额纲数字化闻工厂的篮作用：晋以汽车奔工业为察例201毒0年，触国务院细发展研赴究中心三《汽车检产业蓝埋皮书》套发布比袭较结果：日趣本汽车筋工业91.6保2分，中国语汽车工业54.枯33分自主品牌汽车工业他发达国家品种效率质量1000惭多种变型浓共线3.5膏分钟/仇辆（江淮槐商务车希）224个惯PP10舒0（每百患辆新车兔问题数绩）4000贞多种变型砍共线（200筝0年丰田仅Coro愉nas装查配线）48秒屡/辆（日本愈本田轿佩车、商姑务车共南线）135个窜PP10梁0（每百辆摸新车问题集数）——20桐10年J稻.D.Pow利er亚押太公司菊中国新隔车质量施研究报遵告数字化蠢工厂的伤作用：粱以汽车伪工业为秋例设备能挪力生产过程君管控与优三化能力要实现上酱述目标，设备的智伪能化水平筐和生产过识程管控与下优化的能课力缺一不谈可多品种高效率低成本高质量在设备能死力逐步提犯升的情况隶下，制造锯环节的数捕字化管控婶与优化能找力不足更宣显突出，已碑成为我国起汽车工业员与国外差袖距的主要涝原因之一布。什么是贺数字化灾工厂数字化变工厂以MES复为核心，对工混厂内的疲制造资贼源、计划、逼流程等乎进行管潮控数字化工酷厂与产品球设计层有紧密挎关联，盘是设计陕意图的物化环巧节通过系统进集成，数衰字化工厂还与章企业层条和设备勾控制层实时劫交换数拍据，形蚕成制造决策脖、执行药和控制皂等信息流的肃闭环−物流通道讲及设备监看控−叉车/A病GV/堆嚼垛机运行唉情况−物流设备盏位置数字阳地图显示−配送执行系状态跟踪脱及监控−仓库出喂入库/民库存/菊缺料跟另踪生产过祝程数字券化−WIP顶跟踪(渡工位/挺工序/心部件)−各工位关轧重件安装漏匹配查验−生产报汪工与节氧拍价值僻分析−各型号敏/各订窑单的完番工情况−各工位/拦各关重件架实作工时质量管狼控数字往化−质量统计捆分析报表孙及异常报亭告−质检现释场数据暖/质检叔设施数哄据−主机及关茂重件流转董过程监控−质量报表哗数据/统谅计分析数创据−现场质某量事故羽位置与皮性质分侵析制造资漂源数字服化−设备运行牢状态和运户行参数−刀具/紫量具/亚模具在柳库/在陡工位−装运车辆忠的定位/磨跟踪/调郊度−关键岗蛇位人员娇的定位杜/呼叫−资源的血能力/痕效率跟驴踪分析现场运毫行数字是化−安灯内染容信息僚采集与伯发布−设备运行久状态和运配行参数−线边物退料的消扒耗与配产送−现场视伏频采集蹈与近景屋分析−现场环垮境(光葱/温/叼湿/尘粉/气)物料管控朗数字化管控中心PCC生产质量ERPPDM物流设备数字化工景厂的核心躲内容数字化工艰厂的分层鬼管理数字化甩制造决俩策与管朱控层商业智行能/制轨造智能奇（BI化/MI刘）：可针对坊质量管理斗、生产绩缴效、依从性、蓝产品总逐谱和生旗命周期荒管理等仅提供业错务分析劣报告无缝缩放践和信息钻羽取：通过先河进的可睬定制可交缩放矢倡量图形踏技术，使用者可今充分考虑撞本企业需队求及行业仗特点，轻冻松创建特啊定的数据看板、图院形显示和捷报表，可隆快速钻取渔至所需要誓的信息实时制造孤信息展示君：无论在芝车间或是劝公司办妨公室、术会议室绒，通过掌上捎电脑、P诱C机、大拒屏幕显示器，攀用户都可蒸以随时获柄得所需的实椅时信息数字化工续厂的分层恳管理数字化施制造执阔行层先进排程漆与任务分抗派：通过对晴车间生翅产的先图进排程获和对工推作任务忍的合理分派，浪使制造盏资源利雕用率和驼人均产赤能更高感，有效阔降低生俱产成本质量控苗制：通过对攀质量信宗息的采族集、检乐测和响邮应，及下时发现济并处理理质量问题，届杜绝因驻质量缺难陷流入哗下道工以序所带单来的风扣险准时化物榴料配送：通过对侄生产计坛划和物向料需求色的提前慰预估，欲确保在条正确的时间奥将正确剂的物料驻送达正光确的地代点，在绝降低库叼存的同暂时减少毕生产中蓝的物料短轨缺问题及时响薪应现场连异常：通过对洒生产状态的实求时掌控绞，快速愉处理车肉间制造过程中蜜的生产伯过程中撞常见的怖延期交货、物热料短缺共、设备朽故障、亩人员缺勤等各种才异常情形数字化誉工厂的珠分层管法理数字化便制造装枣备层（被工位层鱼）实时硬件扶装备集成凳：通过对饲数控设香备、工岸业机器辰人和现滔场检测织设备的李集成，实灾时获取址制造装耀备状态者、生产从过程进至度以及醉质量参荡数控制勺的第一毙手信息，蚕并传递下给执行秃层与管秒控层，谁实现车猫间制造剪透明化说，为敏础捷决策羽提供依据多源异构仪数据采集蜘：采用了课先进的爽数据采落集技术疼，可以冶通过各在种易于亡使用的车细间设备员来收集刊数据，仍同时确搭保系统橡中生产酸活动信乓息传递敞的同步持化和有效性生产指令勤传递与反森馈：支持葛向现场业工业计驰算机、输智能终蔬端及制竞造设备仔下发过程控祖制指令，种正确、及名时地传递裕设计及工横艺意图设备控制电子看板按灯智能料架条码扫革描RFI衫DPro邪duc狂tio胶nInte帮grat滑ionCent蠢er波音7搂87数蚂字化工茫厂通过采伐用数字馒化工厂目，波音听公司在凡制造环顺节取得肉了显著惯的效益：显著提高含了生产效研率减少了质吩量缺陷率减少了因傍供应商原员因导致的庸生产延期Boei城ng787责研制周涛期缩短顷至1/槽3，研嘱制成本羊降低5存0%新一代战喉神航天运饮载工具的弃研制和C酱130的朵航空电子蜜升级中，光缩短装配工延期57拢%波音78饮7数字化掘工厂解决方百案与应用-涂装-羞总装-总自主品牌壁汽车生产祸企业（江让淮、奇瑞尼、海马、帖江铃、中下国重汽、辫万山等）冲压车郑间焊装焊装-涂静装车间装车间发动机加体工/装配辰车间作业型园生产流水型生诞产生产混合型验生产多车间强关联优习化工艺序列能优先的混合排程加工/落装配物摘料配送硬件装置与软件淘系统优化技调术与算法在制品跟魂踪与生产萄过程可视幕化监控系堂统车间信先息采集终端车身路由控制器配色验证控制器智能料架物料匹配装置数字化工宽厂解决方佩案：汽车数字化泼工厂解爷决方案难：汽车工艺过程脱优化多车间生滋产排序涂胶工艺疤切换装置缸体工装急快速切换装记置生产数滔据采集车身识洁别缸盖3D扫描数据采集识别中央控真制涂装路货由控制PBS路由控制生产执行控制物料精漆准配送物料搬运智能料架物料匹皆配支持多贿条生产深线：11条冲压线壁、3条焊装线浑、2条涂装线醋、3条总装线支持六灭大平台士八种车赛型：瑞风（MPV）、瑞鹰厘（SUV）、宾爸悦、同悦、和案悦、悦悦丹（轿车）江淮汽盈车案例介游绍：江征淮汽车数字化工刷厂解决方划案：工程秀机械行业智能化质加工设河备DNC智能化都机械手智能刀死具管理中央控拉制室现场An伴don现场监释视装置智能加工诉中心与生光产线智能化闻仓储/廊运输与抹物流智能化妄生产执行过程管楚控智能化生众产控制中差心数字化工害厂