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智能制造裝備的發展現狀與趨勢
2015-05-05 16:28:58已阅读1400

智能制造裝備是具有預測、感知、分析、推理、決策、控制功能的各類制造裝備的統稱,是在裝備數控化基礎上提出的一種更先進、更能提高生産效率和制造精度的裝備類型。
  智能制造裝備是高端裝備的核心,是制造裝備的前沿和制造業的基礎,已成爲當今工業先進國家的競爭目標。作爲高端裝備制造業的重點發展方向和信息化與工業化深度融合的重要體現,發展智能制造裝備産業對于加快制造業轉型升級,提升生産效率、技術水平和産品質量,降低能源資源消耗,實現制造過程的智能化和綠色化發展具有重要意義。
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  1智能制造裝備發展現狀
  1.1美國
  美國是國際智能制造思想的發源地之一,美國政府高度重視智能制造的發展,並且已經把它作爲21世紀占領世界制造技術領先地位的基石。從上世紀90年代開始,美國國家科學基金(NSF)就著重資助有關智能制造的諸項研究,項目覆蓋了智能制造的絕大部分,包括制造過程中的智能決策、基于多施主(multi-agent)的智能協作求解、智能並行設計、物流傳輸的智能自動化等。2005年,美國國家標准與技術研究所(NIST)提出了“聰明加工系統(smart machining system,SMS)”研究計劃。
  聰明加工系統的實質是智能化,該系統的主要目標和研究內容包括:
  (1)系統動態優化。即將相關工藝過程和設備知識加以集成後進行建模,進行系統的動態性能優化;
  (2)設備特征化。即開發特征化的測量方法、模型和標准,並在運行狀態下對機床性能進行測量和通信;
  (3)下一代數控系統。即與STEP-NC兼容的接口和數據格式,使基于模型的機器控制能夠無縫運行;
  (4)狀態監控和可靠性。即開發測量、傳感和分析方法;
  (5)在加工過程中直接測量刀具磨損和工件精度的方法。
  2011年,美国总统奥巴马宣布实施包括工業機器人在内的“Advanced Manufacturing Partnership Plan”(先进制造联盟计划),立即得到同日发布的“实现21世纪智能制造”新报告的积极响应。在这份由美国智能制造领导联盟(smart manufacturing leadership coalition,SMLC)公布的报告中,不但描绘了该领域未来的发展蓝图,而且确定了十大优先行动目标,意图通过采用21世纪的数字信息技术和自动化技术,加快对20世纪的工厂进行现代化改造过程,以改变以往的制造方式,借此获得经济、效率和竞争力方面的多重效益。
  1.2日本
  日本于1990年首先提出爲期10年的智能制造系統(IMS)的國際合作計劃,並與美國、加拿大、澳大利亞、瑞士和歐洲自由貿易協定國在1991年開展了聯合研究,其目的是爲了克服柔性制造系統(FMS)、計算機集成制造系統(CIMS)的局限性,把日本工廠和車間的專業技術與歐盟的精密工程技術、美國的系統技術充分地結合起來,開發出能使人和智能設備都不受生産操作和國界限制,且能彼此合作的高技術生産系統。
  1.3歐盟
  歐盟于2010年啓動了第七框架計劃(FP7)的制造雲項目,特別是制造業強國的德國,繼實施智能工廠(Smart factory)之後,又啓動了一個投入達2億歐元的工業4.0(Industry4.0)項目。德國政府2010年制定的《高技術戰略2020》計劃行動中,意圖以未來項目“工業4.0”奠定德國在關鍵工業技術上的國際領先地位,並在2013年4月舉行的漢諾威工業博覽會上正式將此計劃推出。“工業4.0”概念最初是在德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子公司等德國學術界和産業界的建議和推動下形成,目前其已上升爲國家級戰略。
  1.4中國
  我國自2009年5月《裝備制造業調整和振興規劃》出台以來,國家對智能制造裝備産業的政策支持力度不斷加大,2012年國家有關部委更集中出台了一列規劃和專項政策,使得我國智能制造裝備産業的發展輪廓得到進一步地明晰。工業與信息化部發布了《高端裝備制造業“十二五”發展規劃》,同時發布了《智能制造裝備産業“十二五”發展規劃》子規劃,明確提出到2020年將我國智能制造裝備産業培育成爲具有國際競爭力的先導産業。科學技術部也發布了《智能制造科技發展“十二五”專項規劃》;國家發展改革委員會、財政部、工業與信息化部三部委組織實施了智能制造裝備發展專項;工業與信息化部制定和發布了《智能制造裝備産業“十二五”發展路線圖》,該路線圖明確把智能制造裝備作爲高端裝備制造業的發展重點領域,以實現制造過程智能化爲目標,以突破九大關鍵智能基礎共性技術爲支撐,其思路是:以推進八項智能測控裝置與部件的研發和産業化爲核心,以提升八類重大智能制造裝備集成創新能力爲重點,促進在國民經濟六大重點領域的示範應用推廣。
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2 智能制造裝備的內涵與發展重點
  2.1 智能制造裝備的內涵
  智能制造裝備是一種由智能機器和人類專家共 同組成的人機一體化智能系統,它在制造過程中能進行智能活動,如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作共事,去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。智能制造裝備最終要從以人爲主要決策核心的人機和諧系統向以機器爲主體的自主運行方向轉變。
  2.2 智能制造裝備的發展重點
  根據工業和信息化部制定和發布的《智能制造裝備産業“十二五”發展路線圖》規劃,智能制造裝備的發展重點爲:
  (1)九大關鍵智能基礎共性技術,包括:
  ①新型傳感技術;
  ②模塊化、嵌入式控制系統設計;
  ③先進控制與優化技術;
  ④系統協同技術;
  ⑤故障診斷與健康維護技術;
  ⑥高可靠實時通信網絡技術;⑦功能安全技術;
  ⑧特種工藝與精密制造技術; ⑨識別技術。
  (2)八項核心智能測控裝置與部件,包括:
  ①新型傳感器及其系統;
  ②智能控制系統現場總線
  ③智能儀表;
  ④精密儀器;
  ⑤工業機器人与专用机器人;
  ⑥精密傳動裝置;
  ⑦伺服控制機構;
  ⑧液氣密元件及系統。
  (3)八類重大智能制造成套裝備,包括:
  ①石油石化智能成套設備集成;
  ②冶金智能成套設備集成;
  ③智能化成形和加工成套設備集成;
  ④自動化物流成套設備集成;
  ⑤建材制造成套設備集成;
  ⑥智能化食品制造生産線集成;
  ⑦智能化紡織成套裝備集成;
  ⑧智能化印刷裝備集成。
  (4)六大重點應用示範推廣領域,包括:
  ①電力領域;
  ②節能環保領域;
  ③農業裝備領域;
  ④資源開采領域;
  ⑤國防軍工領域;
  ⑥基礎設施建設領域。

3智能制造裝備發展趨勢
  當前,智能制造裝備的發展趨勢以德國的“工業4.0”和美國的工業互聯網裝備最爲清晰。
  3.1德國“工業4.0”
  德國“工業4.0”通過充分利用信息物理系統(CPS),實現由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變,目標是建立高度靈活的個性化和數字化的産品與服務的生産模式,推動現有制造業向智能化方向轉型。CPS是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維複雜系統,通過3C(Computation、Communication、Control)技術的有機融合與深度協作,實現制造裝備系統的實時感知、動態控制和信息服務。CPS實現計算、通信與物理系統的一體化設計,可使系統更加可靠、高效、實時協同。德國電氣電子和信息技術協會于2013年發布了德國首個“工業4.0”標准化路線圖,以加強德國作爲技術經濟強國的核心競爭力,確保德國制造的未來。
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  “工業4.0”項目主要分爲兩大主題:
  (1)智能工廠。重點研究智能化生産系統及過程,以及網絡化分布式生産設施的實現;


  (2)智能生産。主要涉及整個企業的生産物流管理、人機互動以及3D技術在工業生産過程中的應用等。當前,“工業4.0”已開展的研發項目如下表所示


  3.2美國工業互聯網裝備
  2013年,美國通用電氣公司(GE)發表了《工業互聯網-打破智慧與機器的邊界》報告。該報告提出了工業互聯網(Industrial Internet)的概念。工業化創造了無數的機器、設施和系統網絡,而工業互聯網則是指讓這些機器和先進的傳感器、控制和軟件應用相連接,以提高制造業的生産效率、減少資源消耗。
  工業互聯網裝備將整合兩大革命性轉變的優勢:
  (1)工業革命。伴隨著工業革命,出現了無數台機器、設備、機組和工作站;
  (2)強大的網絡革命;
  (3)在網絡化的影響下,計算、信息與通訊系統應運而生並不斷發展。
  伴隨著這樣的發展,3種元素逐漸融合,誕生了工業互聯網裝備,工業互聯網要素圖如下圖。


  (1)智能機器。以嶄新的方法將現實世界中的機器、設備、團隊和網絡通過先進的傳感器、控制器和軟件應用程序連接起來;
  (2)高級分析。使用基于物理的分析法、預測算法、自動化和材料科學,電氣工程及其他關鍵學科的深厚專業知識來理解機器與大型系統的運作方式;
  (3)工作人員。建立員工之間的實時連接,連接各種工作場所的人員,以支持更爲智能的設計、操作、維護以及高質量的服務與安全保障。
  通過將這些元素融合起來,將制造裝備與高級計算、分析、感應技術、互聯網的連接融合,形成了工業互聯網裝備。
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工業互聯網的數據循環

工業互聯網裝備的應用


  4結束語
  智能制造裝備集制造、信息和人工智能技術于一身,是未來高端裝備制造業的重點發展方向。各國政府高度重視智能制造裝備的研發和應用,美、日、歐已有一系列的研究成果和部之b品面世,德國的“工業4.0”項目也積極地推動了制造業向智能化的轉型。我國政府也充分認識到智能制造裝備的重要戰略地位,已出台政策推動智能制造裝備的産業化水平提升。
  可以预见,未来智能制造装备在引领制造业低碳、节能、高效发展上的作用将进一步得到显现;同时,行业也将在工業機器人、智能机床和基础制造装备、智能仪器仪表、三维打印装备、新型传感器、自动化成套生产线等重点领域形成快速发展与突破。
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