论智能制造的发展与智能工厂的实践

论智能制造的发展与智能工厂的实践*

□龚东军1□陈淑玲1□王文江2□熊艳华21.武汉软件工程职业学院武汉4302052.武汉华中数控股份有限公司武汉430000

□肖明2摘要院论述了智能制造概念的产生与发展袁以及当前主要工业国家智能制造的发展规划遥分析了智能工厂的总体技术框架袁并介绍了国内智能制造工厂的实践情况遥

关键词院智能制造智能工厂综述中图分类号院TH166文献标志码院A文章编号院员园园园原源怨怨愿渊圆园员9冤02原园园01原园4

Abstract院Theemergenceanddevelopmentofintelligentmanufacturingconceptsandthedevelopmentplansofintelligentmanufacturinginmajorindustrialcountrieswerediscussed.Thegeneraltechnicalframeworksofintelligentfactorieswereanalyzed袁andthepracticeofdomesticintelligentmanufacturingfactorywasintroduced.

KeyWords院IntelligentManufacturingIntelligentFactorySummary

1智能制造概念的产生与发展

和信息技术革命的推动袁围绕提高制造业水平的新概念和新技术不断涌现袁在此背景下袁将新兴的人工智能技术应用于制造领域使野智能制造冶的概念孕育而生袁并促进了智能制造技术和智能制造系统的研究遥美国普渡大学智能制造工程研究中心渊IMSERC冤最早正式提出野智能制造冶袁实施开发了诸多机械制造领域制造智能化单元系统袁并研究将各智能单元系统集成袁开发分布式智能制造系统咱1暂遥同时期袁欧共体跨国研究计划ESPRIT渊欧洲信息20世纪90年代袁由于产品全球化市场竞争加剧引导新一代信息技术尧人工智能技术不断应用于制造领域遥野十三五冶期间我国实施智能制造示范工程袁工信部专家对智能制造给出定义为野智能制造是基于新一代信息技术与先进制造技术的深度融合袁贯穿设计尧生产尧管理尧服务等制造活动各个环节袁具有信息深度自感知尧智慧优化自决策尧精准控制自执行等功能的先进制造过程尧系统与模式的总称冶袁认为智能制造应野具有以智能工厂为载体袁以关键制造环节智能化为核心袁以端到端的数据流为基础袁以网络互连为支撑等特征冶遥推进制造业智能转型升级袁可有效缩短新产品研制周期袁提高生产效率袁提高产品质量袁降低资源能源消耗咱3-4暂遥技术研究发展战略计划冤和EUREKA渊欧洲高技术发展计划冤大力支持智能制造基础问题的研究遥日本也积极涉足智能制造领域袁在1990年出台野智能制造系统IMS冶十年国际合作研究计划袁邀请众多国家袁如美国尧欧共体成员国尧加拿大尧澳大利亚等参加袁并投入大量经费对100个相关项目实施前期科研支持遥行业专家吴澄院士认为袁当时日本倡导的智能制造系统国际合作计划并没有很成功袁主要是由于当时信息技术和人工智能技术和产业化尚处于初级阶段袁不足以支持制造系统的需要咱2暂遥近年来袁信息技术和人工智能技术取得了巨大的2当前主要工业国家智能制造相关发展规划

随着物联网尧人工智能尧机器人等新技术在工业领域的扩大应用袁先进制造业重新成为全球工业大国竞争的主要阵地遥我国于2015年正式发布野中国制造2025冶袁实施制造强国战略规划袁同期袁世界各国都积极出台了相关战略规划袁主要有美国先进制造业伙伴计划尧德国工业4.0战略尧日本机器人新战略与超智能社会5.0战略尧韩国制造业创新3.0战略等袁都将发展智能制造作为构建本国制造业竞争优势的重要举措咱5暂遥野中国制造2025冶明确提出要以新一代信息技术进步袁2018年初我国政府发布叶新一代人工智能发展规划曳袁提出基于新一代智能技术发展我国智能制造袁*武汉市教育局教改研究项目渊编号院2017135冤收稿日期院圆园员8年9月

与制造业深度融合为主线袁以推进智能制造为主攻方向袁并规划了实施制造强国十年行动纲领袁其中提出重点实施智能制造工程袁明确提出野紧密围绕重点制造领域关键环节袁开展新一代信息技术与制造装备融合的圆园19袁57渊2冤

机械制造总第654期1慧眼聚焦

集成创新和工程应用冶遥国家工信部和财政部联合制定叶智能制造发展规划渊2016-2020年冤曳袁着力推进智能关核心技术研发和实践应用示范工程的建设咱5-6暂遥制造示范工程袁并发布智能制造工程实施指南袁指明了实施智能制造工程的主要内容袁重点引导智能制造相2008年金融危机后袁美国政府将发展先进制造业业与信息技术融合袁提高制造业的智能化程度袁从而提升制造业整体能力和水平遥3智能工厂总体技术框架

智能制造是野中国制造2025冶中明确提出实施的五项重大工程之一袁而智能工厂是实现智能制造的重要基础袁基于智能工厂可以实现高度智能化尧自动化尧柔性化和定制化的生产袁从而可快速响应市场的需求袁实现高度定制化的集约化生产遥智能工厂总体框架包括三大层级的软硬件技术袁如图1所示遥图1中企业层为上层管理层袁主要包括产品全生命周期管理渊PLM冤和企业资源计划渊ERP冤两部分袁其核心是基于产品全生命周期管理系统袁并通过与ERP系统进行集成袁构建了完整的研发尧制造尧管理一体化系统袁可完成产品设计开发尧制造及运营的统一管控遥PLM可被看作是企业以产品为中心建立的各种资源信息中枢袁可将企业人力资源尧商业模式尧产品资源信等袁可促进产品和生产过程的创新遥车间生产为中间执行层袁包括计划排产尧生产执行尧物料管理尧质量控制尧资源管理尧现场管理等模块遥其核心是基于制造执行系统渊MES冤实施生产过程管理控制袁主要确保生产计划在制造职能部门的执行袁统一分发制造计划袁并对生产现场信息进行统一协调管理遥MES通过底层工业网络通信获取现场设备工作状态尧实物生产记录等信息的反馈袁操作人员和管理人员可跟踪所有制造资源渊人尧设备尧物料尧客户需求等冤的当前状态袁有效进行生产执行层面的管控遥具体实现包括高级计划与排程系统渊APS冤尧大屏显示监控终端ERP渊物料主文件尧生产计划尧成本核算等冤APS上升为国家战略袁实施先进制造业伙伴计划袁美国通用电气渊GE冤提出野工业互联网冶的概念袁并称其为工业革命和互联网革命相融合的新一波创新与变革袁可将虚拟数字网络与实体生产系统连接袁形成更加有效的生产系统遥用工业互联网激活传统工业袁创造更多就业机会袁确保美国先进制造业的长期竞争力袁并保持在新一轮的科技革命中占据有利位置遥2013年德国提出工业4.0战略袁主要分为三大块院一是野智能工厂冶袁重点研究智能化生产设备系统和流程袁以及网络化分布式生产设施的实现曰二是野智能生产冶袁重点研究智能化生产过程管理尧人机协同袁以及应用各种工业软件实现生产现场的可视化和透明化等曰三是野智能物流冶袁充分利用互联网尧物联网尧物流网技术袁整合物流资源袁提高现有物流资源的效率遥德国工业4.0战略注重中小企业参与智能化生产技术的创新与应用袁倡导基于信息物理系统渊CPS冤的新型制造方式袁融入物联网尧云计算技术袁打造可自律操作的智能生产系统袁以保证德国在工业领域持续领先地位咱7-9暂遥2015年袁日本发布野机器人新战略冶袁提出三大战息都整合起来袁支持协同制造尧管理和产品信息发布略目标院一是野世界机器人创新基地冶袁加强产尧学尧官三方合作袁增加用户与厂商的对接机会袁诱发创新袁同时推进人才培养尧下一代技术研发曰二是野世界第一机器人应用国家冶袁在制造业尧服务业尧公共基础设施建设尧农业等领域推广机器人应用袁不断完善机器人应用所需要的环境曰三是野迈向世界领先的机器人新时代冶袁在物联网尧大数据时代袁制订机器人互联尧自律性尧采集数据等管理制度与国际标准遥次年袁日本发布国家科技振兴基本计划袁进而提出野超智能社会5.0冶概念咱10暂企业层PLM渊BOM尧工艺路线尧工艺文件等冤计划排产计划接收生产执行工单处理物料管理物料配送尧协同现场库存作业物料预警监控电子拣料规则脚本生产排序计划发布资源管理车间人员管理刀具管理设备管理成本控制质量控制质量追溯缺陷管理关键件管理质量分析3.0战略冶袁提出到2020年将打造1万家野智能工厂冶袁次年韩国发布叶制造业创新3.0战略实施方案曳袁并设立政府尧民间合作的野智能工厂冶推进团袁通过提供教育培训尧咨询服务尧支持注册资金等袁协助中小企业建设适合自己实际的野智能工厂冶遥韩国借助信息科技领域的优势袁注重促进制造2014年韩国推出野制造业创新遥车间生产生产作业准备生产进度跟踪在制品跟踪生产异常管理PCT现场管理数据采集现场指令作业指导生产防错尧漏现场打印监控预警生产资源RPC工人物料生产线尧工业机器人尧数控中心尧AGV尧检测中心尧拧紧机器尧工业托盘等银图1智能工厂总体框架工具2圆园19袁57渊2冤

机械制造总第654期慧眼聚焦

渊PCT冤尧设备集成控制渊RPC冤等部分遥生产资源为现场设备层袁包括生产线尧工业机器野移动终端金属加工智能制造新模式冶遥该项目主要面向手机尧平板渊PAD冤等产品的金属零件加工制造袁且现已实施完成袁并通过验收袁建成了国内首个国产化智能制造示范工厂袁可为离散型智能制造领域提供借鉴遥华中数控与广东劲胜联合建设的智能工厂技术框架如图3所示遥广东劲胜智能工厂规划方案拟采用国产数控机人尧数控加工中心等袁其核心是基于全集成自动化渊TIA冤理念构建的自动化系统袁普遍采用工业现场总线技术袁实现现场各类智能设备信号的互联互通袁并通过工控机尧可编程控制器渊PLC冤及工控软件进行生产现场智能设备的协调控制袁以及人机协同作业袁实现更具灵活性的自动化生产制造过程遥武汉华中数控股份有限公司利用自主云数控平台袁联合华中科技大学制造装备数字化国家工程研究中心开展产学研合作袁构建具备自主知识产权的国产智能工厂袁总体技术框架主要分四层架构袁分别为智能决策层尧智能执行层MES尧智能传感层尧智能设备层袁并通过工厂大数据中心平台进行集成袁其框架如图2所示遥图2中袁CAPP为计算机辅助工艺设计系统袁RFID为无线射频识别电子标签袁CNC为数控机床袁AGV为工厂自动导航车袁RGV为有轨导航车遥远程终端智能决策层渊ERP尧PLM尧APS尧CAPP尧仿真软件尧PCT等冤智能执行层渊MES冤智能传感层渊云数控平台尧产线控制系统尧RFID系统尧PLC冤实时数据智能设备层渊CNC尧工业机器人尧RFID尧AGV尧RGV尧自动检测设备等冤大数据中心床尧国产机器人尧国产工业软件构建自主知识产权的国产化智能工厂遥该智能工厂规划十条智能生产线袁其中院配置180台高速数控加工中心袁用于手机复杂金属零件加工曰配置72台华数机器人袁用于配套数控机床自动上下料操作曰配置25台有轨导航小车尧15台自动导航小车袁用于物料自动搬运遥将上述设备进行系统集成袁基于工业网络技术进行互联袁构建基于云数控平台的工厂大数据集成应用袁通过核心MES软件实现制造执行管控袁并提供与上层PLM软件连接的交互式接口袁提高产品研发尧制造的效率遥4所示遥MES软件集成了生产订单计划排程袁进行生产派工袁实现生产调度遥通过物料拉动物料管理袁结合设备管理尧资源管理及数控设备联网渊DNC冤管理袁确保生产顺利实施执行遥结合质量管理及质量控制袁推进现场管理袁并将执行情况反馈至计划排程遥各个业务模块间协同作业袁实现在MES软件控制下的智能化制造执行袁并实现与上层级生产运营控制中心渊PCT冤尧数据采集与监视控制系统渊SCADA冤尧企业资源计划袁以及现场智能化设备集成系统有机集成袁最终实现智能协同生产和过程管控一体化袁以保证智能工厂的正常运行咱11-12暂遥已建成的广东劲胜智能制造工厂袁实现了高速高广东劲胜智能工厂制造执行系统各模块关系如图银图2华中数控智能工厂总体架构4国产智能制造工厂实践与应用

围绕智能制造强国战略袁广东劲胜智能集团有限公司和华中数控联合承担国家首批智能制造试点项目手机尧PAD等管理层渊ERP尧PLM尧CAPP等冤执行层渊MES冤云数控数据库精国产数控机床与工业机器人的协同作业袁数控机床加工零件的上尧下料装夹环节采用机器人代替人工操作曰建立了基于无线射频识别电子标签的零件物料尧刀具尧工序信息的现场智能感知系统曰配置国产智能制造执行系统袁实现了对生产过程的智能化管控曰建立生产绩效监控PLMERP产线总控8噎8号产线APSSCADA订单WiFiPCT过程仿真工厂建模计划排程设备管理资源管理NC代码生产派工生产调度生产执行物料拉动物料管理DNC管理质量管理1号产线产线总控1局域网工业PLCCNC机器人RFID噎2号产线产线总控2局域网工业PLCCNC机器人RFID噎质量控制现场管理银图3广东劲胜智能制造工厂技术框架银图4MES软件模块调度关系机械制造总第654期圆园19袁57渊2冤

3慧眼聚焦

了全制造过程可视化集成控制中心袁实现了人力精简的集成智能化生产遥据统计袁广东劲胜智能工厂采用虚拟开发设计软件尧自动化作业尧信息化管理等袁其产品开发周期由原来的120天缩短到80天袁缩短33%袁产能提升15%袁人力精简83.8%袁有效降低产品不良率袁缩短产品研制周期袁提高设备利用率遥广东劲胜智能工厂实景如图5所示袁智能制造工厂云数控集成中心如图6所示遥广东劲胜智能工厂具有三大技术特点遥其一袁实现了加工装备的高度自动化袁即加工过程自动化装夹袁加工环节工件的自动化检测袁工件自动化搬运分拣入库等遥其二袁实现了数字化仿真设计袁包括工厂建模尧车间规划仿真优化袁即运用三维建模技术完成整个车间设备数字化建模袁根据自动化方案对车间规划方案进行动态可视化仿真验证袁优化设计方案遥其三袁实现了智能化管理与决策袁即采用工厂大数据库和云数控集成平台袁对设备数据尧物料数据尧工艺数据尧质量数据尧及人员管理数据进行集成化管理遥5结束语

从技术角度看袁产品生产制造设备和方式已经历了机械化尧电气化尧数字化等三代制造技术的发展过程遥随着物联网尧人工智能尧机器人等新技术不断发展应用袁未来数字化制造将向网络化尧智能化方向发展咱13暂目前袁制造业的智能化升级已经成为全球发展趋遥银图5广东劲胜智能制造工厂实景银图6广东劲胜智能制造工厂云数控集成中心4圆园19袁57渊2冤

势袁我国政府倡导新一代信息技术与制造业深度融合袁引野野中国制造导高效尧节2025能尧冶绿色制造尧强环保型智能工厂的建设遥围绕传十统制造业的智能化三五冶期间持续推进转型升实施国战略级智能制造袁工信部财政部规划在咱14-15暂示范工程袁推进制造项目的实施袁也将不断推动智能制造遥随着各行相关业智能新技术应用袁相应的在技术教育领域专业人才培养的升级咱16暂参遥也将促进智能制造各类考文献

咱1暂唐立新袁杨叔子袁林奕鸿.先进制造技术与电系统子袁1996第二袁36讲渊2智冤院

咱2暂陈33-36能制造械明工业袁梁乃袁要要要42.

21世纪的制造技术咱J暂.机械与出版明社袁等袁2016.

.智能制造之路院数字化工厂咱M暂.北京院机

咱3暂雷械源工程忠袁.199221世纪的制造技术袁35渊2冤院5.

要要要智能制造系统咱J暂.中国机咱4暂孟俊焕望咱J暂.机械袁孙汝军工程与自袁姚俊动化红袁袁等2005.智能制造系统的现渊4冤院114-116.状与展咱5暂佚名制造.袁叶2017智能制造袁55渊1发展冤院35.

规划渊2016要2020年冤曳发布咱J暂.机械咱6暂工渊2017业和冤曳信正式发布息化部咱装J暂.备机械工制造业司袁.2018叶中袁国56智渊1能冤院制28.造绿皮书咱7暂周述佳咱J暂军.计袁姚算锡凡机集成袁刘敏制造系统袁等.几袁种2017新兴智能制造袁23渊3冤院624-639.模式研究评咱8暂黄晓艳国工程院院士吴澄袁马珉.智能制造咱J暂.高既科要技野与顶产业化天冶也要袁2017野立地渊11冶要要要冤院30-35.访中咱9暂周成佳制造系统军袁姚锡凡.先进制造技术与新工业革命咱J暂.计算机集咱10暂王喜文.日本袁2015叶机器袁21人新渊8冤院战略1963-1978.

渊2冤院6.

曳概述咱J暂.物联网技术袁2005咱11暂李旭荣机械研究.智能制造系统适应21世纪敏捷制造生产模式咱J暂.咱12暂李圣怡.智能制造技术和智能制造系统与应用袁1999渊3冤院5-6.咱J暂.国防科技大学

咱13暂ZHOU学报袁1995J袁LI渊2P冤院G1-11.

IntelligentManufacturing袁ZHOU咱YJ暂H.Engineering袁etal.Toward袁2018New-Generation咱14暂姚明明袁吴波.智能加工设备的研究综述咱J暂袁.4机械渊1冤院11-20.

2006袁44渊12冤院60-63.

制造袁咱15暂袁4.0建的平启.示把握咱J暂智能制造技术.装备机械袁2015迎渊1接冤院智造8-11.

机床未来要要要工业咱16暂王照信.浅谈智能制造技术专业建设咱J暂.职业袁2018渊8冤院73.作者简介院

葺龚东军（1981—）男，工程师，主要研究方向为数控技术、

工业机器人；肖明（1975—），男，高级工程师，主要研究方向为数控系统、工业机器人。

（编辑雁子）机械制造总第654期