工業(yè)4.0先進制造技術及裝備

（廣州工程技術職業(yè)學院，廣東 廣州 510925)

1 工業(yè)4.0：第四次工業(yè)革命

1.1 德國工業(yè)4.0計劃

德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術部在2013年漢諾威工業(yè)博覽會上提出了“工業(yè)4.0（Industry 4.0）”的概念。該概念提出，在繼蒸汽機的應用、規(guī)模化生產(chǎn)和電子信息技術等三次工業(yè)革命后，隨著信息技術、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術的工業(yè)應用，實體物理世界與虛擬網(wǎng)絡世界走向融合，人類將以信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems，CPS)為基礎，實現(xiàn)資源、信息、物品和人的互聯(lián)，建立起高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式[1]。這種以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡化、機器自組織為標志的漸進性進步被描述為工業(yè)化的第四個階段。德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術和信息物理系統(tǒng)相結合的手段，推動制造業(yè)向智能化轉型。

1.2 中國“兩化”深度融合戰(zhàn)略

2013年8月，工信部制定了《信息化和工業(yè)化深度融合專項行動計劃（2013-2018年）》，涵蓋管理體系與技術標準建設、示范建設、中小企業(yè)信息化能力提升、電商和物流業(yè)信息化集成創(chuàng)新、重點領域智能化水平提升、智能制造生產(chǎn)模式培育、互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新、信息產(chǎn)業(yè)支撐服務能力建設等八大行動計劃[2]。在2015年的十二屆全國人大三次會議上，李克強總理提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，將互聯(lián)網(wǎng)作為當前信息化的核心，進一步推進服務互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術和工業(yè)生產(chǎn)融合的過程。繼而，5月8日國務院正式發(fā)布了我國實施制造強國戰(zhàn)略的第一個十年行動綱領——《中國制造2025》，再次明確指出進一步推進信息化和工業(yè)化深度融合，把智能制造作為兩化融合的主攻方向；著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務的智能化水平[3]。

以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，實質(zhì)是在互聯(lián)網(wǎng)時代下構建個性化定制、數(shù)字化集成、社會化協(xié)同的智能生產(chǎn)模式。基于此，德國工業(yè)4.0計劃與中國“兩化”深度融合戰(zhàn)略異曲同工，殊途同歸。不難預見，“互聯(lián)網(wǎng)+”將推動“中國制造”走向“中國智造”，而《中國制造2025》無疑成為中國版的“工業(yè)4.0”規(guī)劃。

2 工業(yè)4.0先進制造技術

2.1 柔性制造和精益生產(chǎn)技術

工業(yè)4.0首先是工業(yè)3.0的升級版，傳統(tǒng)的“剛性”自動化生產(chǎn)線升級為柔性制造自動化系統(tǒng)。在工業(yè)4.0中，人工智能、專家系統(tǒng)及智能傳感器技術將大規(guī)模地應用于柔性制造系統(tǒng)，借助模擬專家的智能活動，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動，系統(tǒng)能自動監(jiān)測其運行狀態(tài)，在受到外界或內(nèi)部激勵（制造任務、生產(chǎn)品種或生產(chǎn)環(huán)境變化）時能自動調(diào)節(jié)其參數(shù)，以達到最佳工作狀態(tài)，具備自組織能力。此外，供應鏈系統(tǒng)能根據(jù)單個需求做出生產(chǎn)配送的響應，傳統(tǒng)的“以產(chǎn)定銷”轉變成“以銷定產(chǎn)”，適應多品種、中小批量生產(chǎn)需求。

工業(yè)4.0還將引入精益生產(chǎn)（JIT）方式。企業(yè)基于精益制造系統(tǒng)，實時接受來自ERP系統(tǒng)的工單、BOM、制程、供貨方、庫存、制造指令等信息，同時把生產(chǎn)方法、人員指令、制造指令等下達給人員、設備等控制層，通過布置在生產(chǎn)現(xiàn)場的專用設備（PDA智能手機、LED生產(chǎn)看板、條碼采集器、PLC、傳感器、I/O、DCS、RFID、PC等硬件）對從原材料上線到成品入庫的生產(chǎn)過程進行實時數(shù)據(jù)采集、控制和監(jiān)控，再把生產(chǎn)結果、人員反饋、設備操作狀態(tài)與結果、庫存狀況、質(zhì)量狀況等動態(tài)地反饋給決策層。決策層通過系統(tǒng)結構、人員組織、運行方式和市場供求等方面的變革，追求生產(chǎn)的合理性和高效性，使生產(chǎn)系統(tǒng)能很快適應用戶需求不斷變化，并能使生產(chǎn)過程中一切無用、多余的東西被精簡，最終達到包括市場供銷在內(nèi)的生產(chǎn)各方面的最好結果。

2.2 云計算和大數(shù)據(jù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的進步，來自政府、企業(yè)、個人的各種信息匯成了數(shù)據(jù)的海洋，在充分利用的情況下，這種極富廣度和深度的大數(shù)據(jù)可以賦予人們近乎超感官知覺的能力，讓中小企業(yè)都能通過更加貼近客戶的方式取得競爭優(yōu)勢。因此，大數(shù)據(jù)的應用將推動著商業(yè)智能的演進。然而，大數(shù)據(jù)的價值體現(xiàn)離不開云計算、分布式處理技術、存儲技術和感知技術的發(fā)展。云計算可提供每秒10萬億次運算能力，用戶通過電腦、手機等終端接入數(shù)據(jù)中心（計算資源共享池），可按自己的需求進行運算。

在工業(yè)4.0時代，數(shù)據(jù)中心將成為企業(yè)資源共享的大平臺，與生產(chǎn)制造有關的數(shù)據(jù)源于企業(yè)、用于企業(yè)，包括文檔、三維模型、工藝條件等數(shù)據(jù)都能夠通過網(wǎng)絡在任何地方和任何時間得以獲取和搜集，并有助于實現(xiàn)生產(chǎn)設施網(wǎng)絡化分布。這不僅拉近了企業(yè)與客戶間的距離，也提供了企業(yè)與企業(yè)進行社會化協(xié)同制造的機會，實現(xiàn)產(chǎn)品價值鏈的橫向集成。

2.3 以傳感器和高速網(wǎng)為基礎的物聯(lián)網(wǎng)

構建信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡是工業(yè)4.0的核心，其關鍵技術是物聯(lián)網(wǎng)應用。物料和產(chǎn)品集成有動態(tài)數(shù)字存儲器、在線條碼、感知和通信能力，承載著其整個供應鏈和生命周期中所需的各種必需信息。物理設備通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器和激光掃描器等信息傳感設備，根據(jù)約定的協(xié)議（Bluetooth、ZigBee、WiFi等）實現(xiàn)互聯(lián)互通，甚至通過智能可穿戴設備，實現(xiàn)操作工與設備間的語音、手勢、眼球等多模式交互，從而具有智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理功能。

3 工業(yè)4.0先進制造裝備

3.1 數(shù)控加工柔性智能制造系統(tǒng)

數(shù)控機床的制造柔性化、自動化程度不斷提高，從傳統(tǒng)的單機加工、流水線生產(chǎn)逐漸向制造島、自動車間和分布式網(wǎng)絡集成制造系統(tǒng)的方向立體式發(fā)展。一方面，機床加工精度更高、速度更快、柔性更好；一方面，制造信息系統(tǒng)集成度更高，數(shù)控機床能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)結。在生產(chǎn)制造過程中，數(shù)控加工系統(tǒng)通過在線監(jiān)測過程參數(shù)，如切削力、主軸和進給電機的功率、電流等，實時調(diào)整主軸轉速、進給速度等工藝參數(shù)以及加工指令，并可自動識別電機及負載的轉動慣量，及時優(yōu)化和調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)，從而使設備處于最佳運行狀態(tài)。

隨著人工智能技術的發(fā)展，數(shù)控機床的智能化程度也在不斷提高，通過集成專家系統(tǒng)，在加工過程中模擬人類專家的智能活動，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預才能解決的問題，實現(xiàn)過程自適應、參數(shù)自優(yōu)化、故障自診斷和自修復等功能。具體體現(xiàn)在：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化，如自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等；智能診斷、智能監(jiān)控，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。世界上正在進行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智能化數(shù)控裝置研究會針對鉆削的智能加工方案具有代表性。

3.2 工業(yè)機器人

我國人力成本不斷攀高，產(chǎn)品質(zhì)量受人力因素干擾大幅上升。工業(yè)機器人之所以可取代體力勞動者完成一項或多項功能性操作，源于集成了先進的智能傳感器和專家診斷系統(tǒng)，使機器具備各種類人感覺，如視覺、聲覺、力覺、觸覺等。目前工業(yè)應用的常見智能機器人有點焊機器人、激光加工機器人、弧焊機器人、噴漆機器人、裝配機器人等，可有效避免人為因素可能導致的錯誤。

3.3 3D打印機

3D打印機作為一種增材制造技術，日益成為柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分。3D打印實現(xiàn)了設計由“面向制造的設計”向“面向性能的設計”的轉變，完全解放了產(chǎn)品設計的自由和消費者的個性化需求，將是工業(yè)4.0時代一種小批量定制化的重要生產(chǎn)方式——按需生產(chǎn)、分布式生產(chǎn)。目前，3D打印技術在生物醫(yī)療和個性定制商品等領域已有應用，如Align隱形牙套、歐洲鈦合金骨骼和意造網(wǎng)、Quirky等，而在工業(yè)制造領域，可能還需要5-10年才能大規(guī)模應用，其中航空制造業(yè)、消費電子業(yè)、汽車制造業(yè)已經(jīng)有了積極探索（如波音公司、GE通用公司）。制約3D打印在工業(yè)制造領域應用的主要問題：一是打印設備穩(wěn)定性、打印精度不夠；二是打印材料、尤其是金屬材料的制備，有一定技術門檻，而且技術路徑較多；三是設備和材料的成本高居不下。

3.4 高度集成智能傳感與無線通信設備的信息物理系統(tǒng)

“智能”是工業(yè)4.0的核心，體現(xiàn)在生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的自識別、自協(xié)調(diào)和自管理。在這個過程中，及時、準確、可靠的在線傳感與無線通信尤顯重要。因此，傳感測試和通信協(xié)議的準確性、一致性和可靠性是實現(xiàn)第四次工業(yè)革命的基礎。

基于物聯(lián)網(wǎng)的應用，生產(chǎn)物料和設施設備都承載了各種信息，通過信息物理系統(tǒng)上的傳感裝置對信息的讀取和分析，實現(xiàn)物理對象的實時感知、識別、跟蹤、監(jiān)測和管理。涉及的傳感裝置有一般傳感器也有智能傳感器，如：二維碼識讀設備、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、激光掃描器、CCD影像識別裝置、語音識別裝置、身體語言（面部表情、肢體動作、手勢）識別裝置等。其中，二維碼識讀設備的技術參數(shù)主要有反射率和條/空寬度的示值誤差、重復性、穩(wěn)定性，譯碼率等。CCD影像識別裝置的技術參數(shù)主要有尺寸測量精度、放大倍率、圖像捕獲率、圖像抓拍有效率、識別正確率、識別時間等。

在工業(yè)4.0信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡里，無線通信和無線移動通信技術被普遍應用，如無線RFid射頻技術、藍牙技術和WiFi技術，主要設備包括信號發(fā)生裝置和接收裝置，涉及參數(shù)有時間頻率、頻率響應、相位、功率、占空比、靈敏度、調(diào)制帶寬、互調(diào)衰減?、輻射雜散、傳導雜散、電磁兼容性和抗擾性等。

4 結束語

《中國制造2025》正式拉開了中國工業(yè)4.0時代的序幕，新一代信息技術與制造業(yè)深度融合成為中國制造文化的主潮流。文中對工業(yè)4.0智能工廠和智慧生產(chǎn)中最具代表性的柔性制造技術、網(wǎng)絡互聯(lián)技術以及數(shù)控加工裝備和工業(yè)機器人等先進制造技術與裝備進行了介紹，闡述了相關技術與裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，對探討中國制造實現(xiàn)第四次工業(yè)革命、促進中國制造業(yè)轉型升級具有現(xiàn)實意義。

[1]百度百科.工業(yè)4.0[EB/OL].http://baike.baidu.com/subview/10471356/14804310.htm#1.2015-05-11.

[2]信息化司.工業(yè)和信息化部關于印發(fā)信息化和工業(yè)化深度融合專項行動計劃（2013-2018年）的通知[EB/OL].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n12843926/n 13917012/15611834.htm l.2015-05-11.

[3]國務院.國務院關于印發(fā)《中國制造2025》的通知[EB/OL]．http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.2015-05-19.