智能制造裝備產業概述

文|張容磊

縱觀世界工業的發展歷史，科技創新始終是推動人類社會生產生活方式產生深刻變革的重要力量。18 世紀60 年代，近代力學、熱力學在理論上取得重大突破，促進了蒸汽機技術的發展和蒸汽機的廣泛應用，拉開了第一次產業革命的序幕，人類步入了“蒸汽時代”。

19 世紀70 年代，由于電現象、磁現象、電磁感應現象的發現，電力技術成為科技研究的重點，導致了第二次產業革命產生，人類邁入了“電氣時代”。

第二次世界大戰以后，半導體物理、相對論、量子力學、計算機科學、通信科學、控制論、生物科學、智能科學和現代數學等基礎理論的突破，促進了原子技術、電子技術、信息技術、能源技術、空間技術、制造技術及一系列高新技術的發展。

技術的進步推動了制造領域新一輪的產業變革，以互聯網、大數據和云計算為代表的新一代信息技術與傳統工業融合發展，制造業呈現出新的方向，以智能化、網絡化、數字化、服務化和綠色化為核心特征的智能制造成為制造業發展的重大趨勢。

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是研究制造活動中的信息感知與分析、知識表達與學習、自主決策與優化、自律執行與控制的一門綜合交叉技術。

智能制造的提出是技術創新累積到一定程度的必然結果，是制造業依據其內在發展邏輯經過長時間的演變和整合逐步形成的制造模式。智能制造是集成制造、精益生產、敏捷制造、虛擬制造、數字化制造、網絡化制造等多種先進制造系統和模式的綜合，它通過信息物理系統（CPS），實現人、設備、產品和服務等制造要素與資源的相互識別、實時交互和信息集成，改變了制造業設計、制造、管理、服務的方式。

智能制造的應用可望降低生產加工過程對勞動者智力的依賴，完成復雜的任務，提高生產質量，節約加工成本，其靈活化、方便化和個性化的生產組織方式，也使得中小型企業在競爭中更具有優勢，承擔的風險更低。

智能制造裝備是智能制造技術的重要載體。智能制造裝備融合了先進制造技術、數字控制技術、現代傳感技術以及人工智能技術，具有感知、學習、決策和執行等功能，是實現高效、高品質、節能環保和安全可靠生產的下一代制造裝備。智能制造裝備是傳統制造產業升級改造，實現生產過程自動化、智能化、精密化和綠色化的有力工具，是培育和發展戰略性新興產業的重要支撐，也是衡量一個國家工業化水平的重要標志。

1 智能制造裝備的特征

和傳統的制造裝備相比，智能制造裝備具有對裝備運行狀態和環境的實時感知、處理和分析能力；根據裝備運行狀態變化自主規劃、控制和決策能力；對故障的自診斷自修復能力；對自身性能劣化的主動分析和維護能力；參與網絡集成和網絡協同的能力。

1.1 自我感知能力

智能制造裝備具有收集和理解工作環境信息、實時獲取自身狀態信息的能力。智能制造裝備能夠準確獲取表征裝備運行狀態的各種信息，并對信息進行初步的理解和加工，提取主要特征成分，反映裝備的工作性能。自我感知能力是整個制造系統獲取信息的源頭。

1.2 自主規劃和決策能力

智能制造裝備能夠依據不同來源的信息進行分析、判斷和規劃自身行為。智能制造裝備能根據環境和自身作業狀況的信息進行實時規劃和決策，并根據處理結果自行調整控制策略至最優運行方案。這種自律能力使整個制造系統具備抗干擾、自適應和容錯等能力。

1.3 自學習和自維護能力

智能制造裝備能夠自主建立強有力的知識庫和基于知識的模型，并以專家知識為基礎，通過運用知識庫中的知識，進行有效的推理判斷，并進一步獲取新的知識，更新并刪除低質量知識，在系統運行過程中不斷地豐富和完善知識庫，通過學習使知識庫不斷進化，更加豐富、合理。智能制造裝備能夠對系統進行故障診斷、排除及修復，并依據專家知識庫提供相應的解決維護方案，保持系統在正常狀態下運行。這種特征使智能制造裝備能夠自我優化并適應各種復雜的環境。

1.4 自優化能力

相比于傳統的制造裝備，智能制造裝備具有自我優化能力。制造裝備在使用過程中不可避免地會存在損耗，傳統的機器或系統的性能因此會不斷退化，智能制造裝備能夠依據設備實時的性能，調整本身的運行狀態，保證裝備系統的正常運行。

1.5 容錯能力

智能制造裝備能夠在環境異常或操作錯誤的情況下正常運行。在允許范圍內，智能制造裝備能夠在一定程度上忽略并修正錯誤，依據產生的問題進行系統的調整和更新。智能制造裝備的容錯能力使得制造系統的可靠性得到了提高。

1.6 網絡集成能力

智能制造裝備是智能制造系統的重要組成部分，具備與整個制造系統實現網絡集成和網絡協同的能力。智能制造系統包括了大量功能各異的子系統，而智能制造裝備是智能制造系統信息獲取和任務執行的基本載體，它與其他子系統集成為一個整體，實現了整體的智能化。

2 典型智能制造裝備

智能制造裝備目前涉及領域眾多，在各個領域中的應用和需求逐漸增多，其重要性也隨著制造產業的發展逐漸凸顯。現階段幾種典型的智能制造裝備主要包括智能機床、智能機器人、增材制造裝備、智能成型制造裝備、特種智能制造裝備等。

2.1 智能機床

智能機床是能夠自主決策制造過程的機床。智能機床了解整個制造過程，能夠監控、診斷和修復在生產過程中出現的各類偏差，為加工生產提供最優化的解決方案。能夠計算并預報切削刀具、主軸、軸承和導軌的剩余壽命，提供剩余使用時間和更換時間以及當前狀態。

2.2 工業機器人

智能機器人能根據環境與任務的變化，實現主動感知、自主規劃、自律運動和智能操作，可用于搬運材料、零件、工具的操作機，或是為了執行不同的任務，具有可改變和可編程動作的專門系統，是一個在感知—思維—效應方面全面模擬人的機器系統。與傳統的工業機器人相比，具備感知環境的能力、執行某種任務而對環境施加影響的能力和把感知與行動聯系起來的能力。

2.3 增材制造裝備

增材制造不采用一般意義上的模具或刀具加工零件，而是采用分層疊加法，即用CAD 造型生成STL 文件，通過分層切片等步驟進行分層處理，借助計算機控制的成型機，將一層一層的材料堆積成實體原型。不同于傳統制造將多余的材料去除掉，增材制造技術可以精確地控制物料成型，提高材料利用率，能夠生產傳統工藝無法加工的復雜零件。

2.4 智能成型制造裝備

智能成型制造裝備是在鑄造、焊接、塑形成型、增材制造等成型加工裝備上，應用人工智能技術、數值模擬技術和信息處理技術，以一體化設計與智能化過程控制方法，取代傳統材料制備與加工過程中的“試錯法”設計與工藝控制方法，以實現材料組織性能的精確設計與制備加工過程的精確控制，獲得最佳的材料組織性能與成型加工質量。

2.5 特種智能制造裝備

特種智能制造裝備是基于科學發現的新原理、新方法和專門的工藝知識，為適應超常加工尺度、精度、性能、環境等特殊條件而產生的裝備，常使用于超精密加工、難加工材料加工、巨型零件加工、多工序復合加工、高能束加工、化學拋光加工等特殊加工工業。

3 產業發展的重要性

3.1 智能制造裝備是衡量國家工業化水平的重要標志

裝備制造業是支撐國民經濟發展和國防建設的基礎性產業，是各行業產業升級、技術進步的根本保障，集中體現了國家的綜合實力和技術水平。智能制造裝備作為高端裝備制造業的重點發展方向，其產業水平已經成為當今衡量一個國家工業化水平的重要標志。智能制造裝備不僅僅是海洋工程、軌道交通工程、衛星、航空航天等高端裝備的基礎，也是培育和發展十大戰略性新興產業發展水平的裝備支撐。發展智能制造裝備產業對于帶動產業結構優化升級，提升生產效率、技術水平和產品質量，降低能源資源消耗，實現制造過程的自動化、智能化、精密化、綠色化發展具有重要意義。

3.2 智能制造技術是制造技術發展的必然趨勢

智能制造技術是技術創新累積到一定程度的必然結果，智能化、綠色化的制造方式已經成為制造業發展的必然趨勢。工業發達國家始終致力于以技術創新引領產業升級，智能制造裝備的產業發展已成為世界各國競爭的焦點。

自美國提出智能制造（IM）的概念后，眾多國家相繼提出相應的發展計劃和戰略目標，關注和重視當前智能制造技術的發展與運用。如：美國的“先進制造技術發展戰略”（Advanced Manufacturing Technology，1991 年）、“先進制造技術計劃”（Advanced Manufacturing Technology Program，1993 年）、“敏捷制造使能技術戰略發展計劃”（Technologies Enabling Agile Manufacturing Strategic plan，1995 年）、“智能加工平臺模擬計劃”（Smart machining platform imitative，2005 年）、“先進制造業伙伴計劃”（Advanced Manufacturing Partnership，2011 年）、“先進制造業國家戰略計劃”（A National Strategic Plan for Advanced Manufacturing，2012 年）；英國的“英國工業2050 戰 略”（The future of manufacturing： a new era of opportunity and challenge for the UK，2013 年）；德國的“工業4.0”（Industry4.0，2013 年）；歐洲的“歐洲2020戰略”（Europe 2020，2010 年）計劃；日本的“智能制造系統（IMS）國際合作計劃”（1990 年）等。這些計劃的公布與實施，形成了國家層面上具有高度共識的發展藍圖，其根本出發點是為了在全球制造業新格局中獲得更大的競爭優勢。

我國于20 世紀80 年代末將“智能模擬”列入國家科技發展規劃的主要課題，自1993 年起，國家自然科學基金委員會每年資助智能制造相關研究項目，“九五”計劃中將“先進制造技術”（包括IMT 和IMS）作為重點發展領域之一。在《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》（2010 年10 月）、《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》（2011 年3 月）以及《中國制造2025》（2015 年5 月）等國家規劃和指導戰略內，均明確指出智能制造是高端裝備制造業的重點方向之一，關系到國家的經濟發展潛力和未來發展空間。

3.3 智能制造裝備是社會生產力發展的內在需求

當今企業處于一個瞬息多變的市場環境中，市場的需求和國際化的競爭環境對制造產業提出了更高的要求，社會需求的轉變也使得產品的生產模式從大批量、規模化的生產模式轉向小批量、定制化單件產品的生產模式。企業必須從產品的時間、質量、成本、服務和環保等方面考慮，來提高自身的競爭力，以快速響應市場頻繁的變化，因此要求企業的制造裝備應表現出更高的靈活性和智能性。過去人們對制造技術的注意力主要偏重于制造過程的自動化，自動化程度的提高極大地解放了生產過程中的體力勞動，但腦力勞動的自動化程度（即決策自動化程度）卻難以滿足生產要求。制造過程中各種問題的最終決策或解決，在很大程度上依然依賴于決策者的智慧，隨著市場競爭的加劇和信息量的增加，這種依賴程度將越來越大，進行決策的難度也越來越高。另一方面，專業人才的匱乏導致部分技術人員對出現的問題很難進行準確的決策。因此未來的制造系統需要具有智能加工信息的能力，通過智能制造系統和智能制造裝備，減少制造過程對人類智慧的依賴，解決人才供應的矛盾。