淺析智能制造及其發展趨勢

習潤東

（云南楚雄實驗中學，楚雄 675000）

1 智能制造簡介

1.1 智能制造的概念

自從第一次工業革命開始，現代意義上的制造業就已誕生，一直被視為一個國家的立命之本。制造業經過兩百多年的發展，從傳統的工廠作坊到現在的數字化智能化工廠，制造業的面貌煥然一新，不僅大大提高了生產的質量和效率，而且降低了成本、減輕了工人和管理人員的負擔。智能制造（intelligent manufacturing，IM）是一種先進制造技術，通常的定義是“智能制造是一種工業中應用的智能化制造系統，是一種由智能機器、智能系統和人類專家管理人員所共同組成的人機充分互動交流的智能系統”，其目的是將整個生產制造、銷售、管理、售后過程中的各種要素、各種數據組合在一起，實現上下游產業鏈以及和客戶的有效交流溝通，通過智能的自組織能力，對成本、效率和能耗等關鍵性制造指標進行優化。智能制造一方面可以大大提高工業制造的效率和質量，還能使管理人員有效地監控、管理、維護整個制造過程的各個環節和各種設備，是一種先進的高端制造模式。

圖1 智能制造

智能制造的出現是為了將人類的智能活動移植到制造設備中，使整個制造過程可以完全在無人干預的情況下智能化地自動完成，其是一項匯集制造技術、系統工程、管理工程、自動化技術、計算機技術、人工智能于一體，各個學科各種技術相互融合、取長補短而形成的一種綜合性系統技術。

1.2 智能制造的發展

智能制造這一概念雖然提出較晚，但是其雛形可以追溯到上個世紀中葉。上個世紀50年代末，傳統制造業引入了現代機械制造技術，擺脫了之前完全依靠人工加工產品的模式，通過一些有限的自動化設備（機床、車床）提高了勞動生產率；到了60年代左右，數控機床/車床誕生，實現了工業加工的過程自動化，被稱為是現代工業自動化制造的里程碑，這也是直接數字控制技術（DNC）技術，但是此時機床中的工件和刀具還需要人工更換，不能算作是完全的自動化設備；隨后，工程師開發出機床自動更換裝置系統，實現了無人化的加工，再加上此時柔性制造技術（FMS）的出現，工廠生產中越來越多的設立了加工中心，大量的人工體力勞動被取代，人類的雙手得以解放，當時以美國、德國、日本為代表的工業強國開始普及這些技術。

到了80年代，隨著計算機技術的不斷發展，工程師開始研究如何取代腦力勞動，一方面，出現了計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）和計算機輔助工藝規劃（CAPP）等系統，計算機的應用使工業設計、研發和制造過程的效率進一步提高；另一方面，生產制造過程中的管理、計劃、維護、經營等活動也得以綜合，形成了計算機集成制造系統（CIMS）。

到21世紀初，隨著經濟全球化的不斷深入和人工成本的不斷提高，各國制造業之間的競爭越來越激烈，這對制造系統提出了更高的要求，各種復雜環境要求制造系統可以通過自身調整來適應各種不確定因素和未知條件，德國、美國等國家率先提出了智能制造技術（IMT）和智能制造系統（IMS），用來提高制造過程的智能化程度。隨后在互聯網技術、計算機技術、大數據技術和人工智能技術的不斷引入的情況下，制造業的信息化、數字化、智能化程度不斷提高，最終形成了現在的智能制造系統。

1.3 智能制造的國內外現狀

國外智能制造的開始時間較早，形成了以美國、日本和西歐為代表的三大智能制造研究中心。1988年，萊特和伯恩撰寫了《智能制造》這本專著，提出了智能制造的各種設想和實現措施，這也是第一本涉及智能制造的著作，開創了智能制造的先河。1990年，日本的通產省出臺了“智能制造系統”計劃，邀請了工業界精通機器人和先進制造技術的研究人員參加，通過人工智能和機器視覺技術的創造性加入，開發出世界上最早的智能工廠。進入21世紀以來，德國寶馬、奔馳等汽車企業在其車輛總裝廠中使用了智能制造技術，并在世界范圍內推廣。

我國智能制造起步較晚，1994年有華中理工、南航、西安交大、清華四個高校承擔了國家智能制造研究課題，率先展開了智能制造的研究。在強調先進制造振興戰略的今天，我國非常重視智能制造的發展，特別是自2009年5月《裝備制造業調整和振興規劃》出臺以來，國家政策支持力度不斷加大，之后國家又相繼頒布了《中國制造2025》和《工業4.0》等文件，大力發展高端智能制造業，智能制造也成為了我國現代化建設中具有戰略意義的重要計劃。

2 智能制造的特點和組成

2.1 智能制造的特點

智能制造這一最新工業系統性技術，從創立發展至今，也形成了其自身獨有的若干特點：

（1）自組織能力。智能制造具有強大的自組織能力，智能化的系統將工業生產中的各種設備有效地組織在一起，統一調用各種設備中，在其中形成有效循環的信息流。

（2）自集成能力。智能制造將所生產的產品在研發、設計、實驗、制造、使用、維護、報廢整個全生命周期用智能活動貫穿，使其在各個環節中的利用率最高、消耗和成本最低；同時在生產過程中，在制造中將各設備、各部門、各企業甚至各個國家共同集成在一起，生產過程不再獨立，有效提升了企業和行業效率。

（3）自學習能力。人類智能的最大特點便是具有自我學習能力，所以智能制造的學習能力也是使其區分于傳統制造最大的特點，工業生產制造環境復雜多變，制造的產品多變，所以智能制造必須擁有自我學習能力，通過不斷地獲取外界知識來調整自身制造策略，從而在不同制造模式和環境中切換，大大提高制造系統的自適應和通用能力。

2.2 智能制造的組成

智能制造系統是一個龐大的智能系統，其擁有多達幾十種技術，例如：IM體系結構、IM系統集成技術、IM局部控制技術、IM信息處理技術、IM車間調度技術、IM動態監測技術、IM智能通信技術、IM智能數控技術、IM機器人技術、IM質量保證技術等，各種技術相互協調，共同成為了智能制造強有力的保障。其中最具代表性的技術有以下幾種：

（1）IM智能數控。在智能數控方面，智能系統可以自動化地完成道具選擇、工件定位、切削參數自動生成的過程，并且在設備或計算機中上集成了相關的軟件系統，其中集成了基本的加工切削參數模塊，利用機器學習和深度學習技術的加入，實現了根據不同工件自動生成加工方案，并且建立了相應的數據庫系統以便隨時調用各種加工方案，智能化地根據制造結果完成已有加工方案的修正，真正使數控變得越來越“聰明”。

圖2 沈陽機床智能數控產品

（2）IM質量保證。智能制造系統擁有基于神經網絡的診斷工具，可以做到快速響應，完成各種故障和誤差下的快速診斷，并根據診斷情況合理篩選解決方案，使制造質量得到有效保障。

（3）IM機器人技術。機器人作為智能制造系統中重要設備，自然承擔著其智能化的關鍵角色，在運動控制方面，機器人可以實現誤差僅為0.02mm誤差的運動軌跡，并且其搭載了最新的機器視覺系統，可以識別和加載2D/3D圖紙，根據任務安排，自行完成各種任務，并且高端的智能機器人還集成了語音識別、示教識別等功能，可以和管理者有效地溝通。

3 智能制造的未來發展

智能制造是極具未來感的制造模式，可以想象，在以后的工廠或工程中，不需要工人的參與，各種設備通過智能化的系統連接在一起，通力配合，完全可以實現高度無人化作業，但是目前這種設想還未實現。在未來，智能制造要完全取代傳統制造，必須朝著集成化、智能化、無人化、規模化、低成本的方向不斷發展，智能制造未來發展的主要趨勢有以下幾點：

（1）“工業4.0”的持續深入。“工業4.0”早在2013年被德國率先提出，并被列入《德國2020高技術戰略》計劃，其核心是制造中的智能化、信息化、數字化。雖然這一概念從國外所引進，但是我國對“工業4.0”也持續重視，并將其視為建設工業強國的重要戰略。“工業4.0”的持續深入，可以看到一些生產應用中將看到先進的數字和信息物理技術用于工廠自動化和加工制造中，大大提升生產力、生產靈活性、質量和效率，一些模范企業將逐漸出現，起到帶頭的作用。

（2）物聯網對智能制造的滲透。進入21世紀以來，物聯網技術逐漸滲透到生活及工作的方方面面，從使用的工具，到制造的產品，再到佩戴的設備等，這種“物物相連”的網絡給人們的生產生活帶來了很大的便利。物聯網和智能制造中智能連接之一重要功能十分契合，這種數字化的滲透將圍繞嵌入式連接、大數據、高級數據分析以及新的數據驅動服務等催生新的智能制造模式，此項的提升不僅僅是針對某個工廠或某個產品，而且開始逐漸演變成為某些行業比如汽車、交通和醫療保健等具有革新性、合作性及共享性行業平臺。

（3）協作機器人取代傳統機器人。傳統工業機器人在生產制造中的應用可以追溯到上個世紀，機器人取代了人力，承擔了搬運、碼垛、焊接、切割等重復性復雜工作，但是智能制造對機器人的應用提出了新的要求，協作性機器人必將代替傳統機器人，使工業生產更加智能。協作機器人的出現將改變許多工廠生產線的傳統操作方式，此類機器人可以與工人一起安全地并肩工作，和普通工人并沒有什么區別，通過視覺分析和機器學習技術被賦予的啟發能力，和一些管理人員可以通力配合。

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