導(dǎo)論 工業(yè)4.0與智能制造

一、什么是“工業(yè)4.0”

“工業(yè)4.0”是德國政府提出的一個高科技戰(zhàn)略計劃。該計劃由德國聯(lián)邦教育局及研究部和聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部聯(lián)合資助，投資預(yù)計達2億歐元，旨在提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應(yīng)性、資源效率及人機工程學(xué)的智慧工廠，在商業(yè)流程及價值流程中整合客戶及商業(yè)伙伴，其技術(shù)基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)實體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)。

說白了，德國所謂的工業(yè)四代（Industry 4.0）是指利用信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System, CPS）將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造和銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達到快速、有效、個人化的產(chǎn)品供應(yīng)。

“工業(yè)4.0”已經(jīng)成為中德合作的新內(nèi)容。在中德雙方簽署的《中德合作行動綱要》中，有關(guān)“工業(yè)4.0”合作的內(nèi)容共有四條，第一條就明確提出工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化，進一步強調(diào)了工業(yè)4.0對于未來中德經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義。雙方認(rèn)為，兩國政府應(yīng)為企業(yè)參與該進程提供政策支持。

“工業(yè)4.0”概念包含了生產(chǎn)由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領(lǐng)域和合作形式。在工業(yè)4.0時代，創(chuàng)造新價值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。

二、“工業(yè)4.0”項目的重點應(yīng)用技術(shù)

隨著工業(yè)4.0時代的到來，許多沿用多年、占據(jù)主導(dǎo)地位的工業(yè)自動化技術(shù)正面臨被淘汰和更新?lián)Q代的命運，而一批以前認(rèn)為是高端的工業(yè)自動化技術(shù)也隨著新時代的到來快速地走進了實際應(yīng)用中，成為新時代的寵兒，例如：

（1）以工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工控自動化將成為主流；

（2）PLC進入第六代——微型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化和開放性；

（3）DCS系統(tǒng)走向測控管一體化設(shè)計；

（4）控制系統(tǒng)向現(xiàn)場總線（FCS）方向發(fā)展；

（5）儀器儀表向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化發(fā)展；

（6）數(shù)控技術(shù)向智能化、開放性、網(wǎng)絡(luò)化、信息化發(fā)展；

（7）工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)向有限和無限相結(jié)合的方向發(fā)展；

（8）工業(yè)控制軟件向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和開放性方向發(fā)展。

三、“工業(yè)4.0”三大主題

“工業(yè)4.0”項目將從三個方向展開，一是“智能工廠”，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、過程以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等；三是“智能物流”，主要通過整合物流資源提升物流效率。該計劃將特別注重吸引中小企業(yè)參與，力圖使中小企業(yè)成為新一代智能化生產(chǎn)技術(shù)的使用者和受益者，同時也成為先進工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)造者和供應(yīng)者。

1．智能工廠：智能工業(yè)發(fā)展新方向

“智能工廠”的概念最早由美國羅克韋爾自動化有限公司CEO奇思·諾斯布于2009年提出，其核心是工業(yè)化和信息化的高度融合。智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強信息管理和服務(wù)，未來還將通過大數(shù)據(jù)分析平臺將云計算中由大型工業(yè)機器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實時信息（云端智能工廠），利用綠色智能手段和智能系統(tǒng)，構(gòu)建出一個高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的人性化工廠。目前，有關(guān)智能工廠的概念仍眾說紛紜，但其基本特征可歸納為系統(tǒng)監(jiān)管全方位、制程管控可視化及綠色制造三個方面，具體內(nèi)容如圖1所示。

智能工廠的建設(shè)主要基于以下三大基礎(chǔ)技術(shù)，具體內(nèi)容如圖2所示。

2．智能生產(chǎn)：制造業(yè)的未來

智能生產(chǎn)（Intelligent Manufacturing, IM）也稱智能制造，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(tǒng)，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等，通過人與智能機器的合作共事，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；它更新了制造自動化的概念，與傳統(tǒng)的制造相比，智能生產(chǎn)具有自組織、超柔性、自律能力、學(xué)習(xí)能力、自維護能力、人機一體化及虛擬現(xiàn)實等特征。

“智能制造”需要硬件、軟件以及咨詢系統(tǒng)的整合。那些具有“智能制造”屬性的生產(chǎn)線擁有數(shù)量眾多的控制器、傳感器，通過有線或無線傳感網(wǎng)架構(gòu)進行串聯(lián)，將數(shù)據(jù)傳輸給上層的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，讓制造業(yè)提升到一個新的階段。“智能制造”主要服務(wù)于產(chǎn)品的生產(chǎn)，現(xiàn)在隨著客戶個性化需求越來越多，產(chǎn)品生產(chǎn)也逐漸呈現(xiàn)出少量、多樣等新特征。這就迫使制造廠商要提升生產(chǎn)線的速度與靈活性，對市場前端的變化作出快速調(diào)整。例如，當(dāng)前一些汽車廠就可以讓客戶在線指定汽車的顏色，快速調(diào)整生產(chǎn)線，快速交付產(chǎn)品。智能制造就是要為使用者帶來更多的便利。

近年來，由人工智能技術(shù)、機器人技術(shù)和數(shù)字化制造技術(shù)等相結(jié)合的智能制造技術(shù)正在引領(lǐng)新一輪的制造業(yè)變革。智能制造技術(shù)開始貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等制造業(yè)的各個環(huán)節(jié)，智能制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化及廣泛應(yīng)用正催生智能制造業(yè)。概括起來，當(dāng)今世界制造業(yè)的智能化發(fā)展呈現(xiàn)兩大趨勢。

（1）以3D打印為代表的數(shù)字化制造技術(shù)嶄露頭角

數(shù)字化制造以計算機設(shè)計方案為藍本，以特制粉末或液態(tài)金屬等先進材料為原料，以3D打印機為工具，通過在產(chǎn)品層級中添加材料直接把所需產(chǎn)品精確打印出來。這一技術(shù)有可能改變未來產(chǎn)品的設(shè)計、銷售和交付用戶的方式，使大規(guī)模定制和簡單的設(shè)計成為可能，使制造業(yè)實現(xiàn)隨時、隨地、按不同需要進行生產(chǎn)，并徹底改變自“福特時代”以來的傳統(tǒng)制造業(yè)形態(tài)。3D打印技術(shù)開創(chuàng)了一個全新的扁平式、合作性的全球手工業(yè)市場，而不是傳統(tǒng)意義上的層級式、自上而下的企業(yè)結(jié)構(gòu)。一個由數(shù)百萬人組成的分散式網(wǎng)絡(luò)代替了從批發(fā)到零售商的所有中間人，并且消除了傳統(tǒng)供應(yīng)鏈中每一個階段性的交易成本。這種“添加式生產(chǎn)”能夠大幅降低耐用品的生產(chǎn)成本，從而使數(shù)以萬計的小型生產(chǎn)商對傳統(tǒng)上處于中心位置的大型生產(chǎn)者提出挑戰(zhàn)。新的生產(chǎn)方式已經(jīng)發(fā)生了重大改變，傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造業(yè)將面臨一次長時間的“洗牌”。有預(yù)測指出，未來模具制造行業(yè)、機床行業(yè)、玩具行業(yè)、輕工產(chǎn)品行業(yè)都可能被淘汰出局，而取代他們的就是3D打印機。當(dāng)然，這需要一個過程，主要是人們適應(yīng)和接受新事物的過程與產(chǎn)業(yè)自身完善成長的過程。

（2）智能制造技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用貫穿制造業(yè)全過程

先進制造技術(shù)的加速融合使制造業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)各個環(huán)節(jié)日趨智能化，智能制造正引領(lǐng)新一輪的制造業(yè)革命，這主要體現(xiàn)在四個方面，具體內(nèi)容如圖3所示。

3．智能物流：工業(yè)4.0的基礎(chǔ)

智能物流主要通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)整合物流資源，充分發(fā)揮現(xiàn)有物流資源供應(yīng)方的效率，使需求方能夠快速獲得服務(wù)匹配，得到物流支持。

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能物流是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)，是提升現(xiàn)代物流效率，降低全物流費用率的理想解決方案。物流裝備制造商將逐步成為物流系統(tǒng)集成綜合解決方案提供商。所以，智能制造系統(tǒng)與智能物流的融合將成為未來發(fā)展的大趨勢，具體內(nèi)容如圖4所示。

四、制造企業(yè)如何適應(yīng)工業(yè)4.0時代

通向工業(yè)4.0的路將會是一段革命性的道路，為了適應(yīng)制造業(yè)中的特殊設(shè)備，現(xiàn)有的基礎(chǔ)科技和經(jīng)驗將不得不進行改變和革新。而且，對于新領(lǐng)域和新市場的創(chuàng)新解決方案不得不重新探索。因此，企業(yè)需要對八個領(lǐng)域進行改進，具體內(nèi)容如圖5所示。

五、智能制造

智能制造以智能加工與裝配為核心，同時覆蓋面向智能加工與裝配的設(shè)計、服務(wù)及管理等多個環(huán)節(jié)。智能工廠中的全部活動可以從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造及供應(yīng)鏈三個維度來描述。在這些維度中，如果所有活動均能在網(wǎng)絡(luò)空間中得到充分的數(shù)據(jù)支持、過程優(yōu)化與驗證，同時在物理系統(tǒng)中能夠?qū)崟r地得以執(zhí)行并與網(wǎng)絡(luò)空間進行深度交互，這樣的工廠可稱為智能工廠。

1．智能工廠的基本特征

與傳統(tǒng)的數(shù)字化工廠、自動化工廠相比，智能工廠具備以下幾個突出特征。

（1）制造系統(tǒng)的集成化

作為一個高端的智能制造系統(tǒng)，智能工廠表現(xiàn)出了鮮明的系統(tǒng)工程屬性。具有自循環(huán)特性的各技術(shù)環(huán)節(jié)與單元按照功能需求組成不同規(guī)模、不同層級的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)所有元素均是互相關(guān)聯(lián)的。在智能工廠中，制造系統(tǒng)的集成主要體現(xiàn)在兩個方面，具體內(nèi)容如圖6所示。

（2）決策過程的智能化

傳統(tǒng)的人機交互中，作為決策主體的人有支配“機器”的行為，而智能制造中的“機器”因擁有擴展人類智能的能力，使人與“機器”共同組成決策主體，在同一信息物理系統(tǒng)中實施交互。信息的種類以及交流的方法更加豐富，從而使人機交互與融合達到前所未有的深度。

制造業(yè)自動化的本質(zhì)是人類在設(shè)備加工動作執(zhí)行之前，將制造指令、邏輯判斷準(zhǔn)則等預(yù)先轉(zhuǎn)換為設(shè)備可識別的代碼，并將其輸入制造設(shè)備中。此時，制造設(shè)備可根據(jù)代碼自動執(zhí)行制造動作，從而節(jié)省了此前在制造機械化過程中人類的勞動。在這個過程中，人是決策過程的唯一主體，制造設(shè)備僅僅是根據(jù)輸入的指令自動地執(zhí)行制造過程，而并不具備如判斷、思維等高級智能化的行為能力。在智能工廠中，“機器”具有不同程度的感知、分析與決策能力，它們與人共同構(gòu)成決策主體。在“機器”的決策過程中，人向制造設(shè)備輸入決策規(guī)則，“機器”基于這些規(guī)則與制造數(shù)據(jù)自動執(zhí)行決策過程，這樣可將由人為因素造成的決策失誤降至最低。與此同時，在決策過程中形成的知識可作為后續(xù)決策的原始依據(jù)，使決策知識庫得到不斷優(yōu)化與拓展，進而不斷提升智能制造系統(tǒng)的智能化水平。

（3）加工過程的自動化

車間與生產(chǎn)線中的智能加工單元是工廠中產(chǎn)品制造的最終落腳點，智能決策過程中形成的加工指令將全部在加工單元中實現(xiàn)。為了能夠準(zhǔn)確、高效地執(zhí)行制造指令，企業(yè)必須確保智能制造單元數(shù)字化、自動化、柔性化。

首先，智能加工單元中的加工設(shè)備、檢驗設(shè)備、裝夾設(shè)備、儲運設(shè)備等都是基于單一數(shù)字化模型驅(qū)動的，這就避免了傳統(tǒng)加工中由于數(shù)據(jù)源不一致而帶來的大量問題。

其次，智能制造車間中的各種設(shè)備、物料等，大量采用如條碼、二維碼、RFID等識別技術(shù)，使車間中的任何實體均具有唯一的身份標(biāo)識，在物料裝夾、儲運等過程中通過對這種身份的識別與匹配，實現(xiàn)了物料、加工設(shè)備、刀具、工裝等的自動裝夾與傳輸。

最后，智能制造設(shè)備中大量引入智能傳感技術(shù)，通過在制造設(shè)備中嵌入各類智能傳感器，實時采集加工過程中機床的溫度、振動、噪聲、應(yīng)力等制造數(shù)據(jù)，并采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來實時控制設(shè)備的運行參數(shù)，使設(shè)備在加工過程中始終處于最佳效能狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備的自適應(yīng)加工。例如，傳統(tǒng)制造車間中往往存在由于地基沉降而造成的機床加工精度損失，通過在機床底腳上引入位置與應(yīng)力傳感器即可檢測到不同時段地基的沉降程度，據(jù)此通過對機床底腳的調(diào)整即可彌補該精度損失。此外，通過對設(shè)備運行數(shù)據(jù)的采集與分析，還可總結(jié)在長期運行過程中設(shè)備加工精度的衰減規(guī)律、設(shè)備運行性能的演變規(guī)律等；通過對設(shè)備運行過程中各因素間的耦合關(guān)系進行分析，可提前判斷設(shè)備運行的異常，并實現(xiàn)對設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)控與故障預(yù)警。

（4）服務(wù)過程的主動化

制造企業(yè)通過應(yīng)用信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)用戶的地理位置、產(chǎn)品運行狀態(tài)等信息，為用戶提供產(chǎn)品在線支持、實時維護、健康監(jiān)測等智能化服務(wù)。這種服務(wù)與傳統(tǒng)的被動服務(wù)不同，它能夠通過對用戶特征的分析辨識出用戶的顯性及隱性需求，主動為用戶推送高價值的信息與服務(wù)。此外，面向服務(wù)的制造將成為未來工廠建設(shè)中的一種趨勢，集成廣域服務(wù)資源的行業(yè)務(wù)聯(lián)網(wǎng)將越來越智能化、專業(yè)化，企業(yè)對用戶的服務(wù)將在很大程度上通過若干聯(lián)盟企業(yè)間的并行協(xié)同來實現(xiàn)。對用戶而言，其所體驗到的服務(wù)高效性與安全性也隨之提升，這也是智能工廠服務(wù)過程的基本特點。智能工廠中的主動化服務(wù)體系如圖7所示。

2．智能工廠的框架體系

智能工廠由物理系統(tǒng)中的實體工廠和網(wǎng)絡(luò)空間中的虛擬數(shù)字工廠構(gòu)成。其中，實體工廠部署有大量的車間、生產(chǎn)線、加工裝備等，為制造過程提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施與制造資源，也是實際制造流程的最終載體；虛擬數(shù)字工廠則是在這些制造資源以及制造流程的數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，在實體工廠的生產(chǎn)之前，對整個制造流程進行全面的建模與驗證。為了實現(xiàn)實體工廠與虛擬數(shù)字工廠之間的通信與融合，實體工廠的各制造單元還配備有大量的智能元器件，用于制造過程中的工況感知與制造數(shù)據(jù)采集。在虛擬制造過程中，智能決策與管理系統(tǒng)對制造過程進行不斷迭代優(yōu)化，使制造流程達到最優(yōu)；在實際制造中，智能決策與管理系統(tǒng)則對制造過程進行實時的監(jiān)控與調(diào)整，進而使制造過程體現(xiàn)出自適應(yīng)、自優(yōu)化等智能化特征。

由此可知，智能工廠的基本框架體系包括智能決策與管理系統(tǒng)、企業(yè)數(shù)字化制造平臺、智能制造車間等關(guān)鍵組成部分，如圖8所示。

（1）智能決策與管理系統(tǒng)

智能決策與管理系統(tǒng)如圖9所示，是智能工廠的管控核心，負(fù)責(zé)市場分析、經(jīng)營計劃、物料采購、產(chǎn)品制造以及訂單交付等各環(huán)節(jié)的管理與決策。通過該系統(tǒng)，企業(yè)決策者能夠掌握企業(yè)自身的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)資源，調(diào)整產(chǎn)品的生產(chǎn)流程與工藝方法，并能夠根據(jù)市場、客戶需求等動態(tài)信息作出快速、智能的經(jīng)營決策。

一般而言，智能決策與管理系統(tǒng)包含企業(yè)資源計劃（ERP）、產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）、供應(yīng)鏈管理（SCM）等一系列生產(chǎn)管理工具。在智能工廠中，這些系統(tǒng)工具的最突出特點在于：一方面向工廠管理者提供更加全面的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及更加有效的決策工具，相較于傳統(tǒng)工廠，在解決企業(yè)產(chǎn)能、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等方面能夠發(fā)揮更加顯著的作用；另一方面，這些系統(tǒng)工具已達到了不同程度的智能化水平，在輔助工廠管理者進行決策的過程中能夠切實提升企業(yè)生產(chǎn)的靈活性，進而滿足不同用戶的差異化需求。

（2）企業(yè)數(shù)字化制造平臺

企業(yè)數(shù)字化制造平臺需要解決的問題是如何在信息空間中對企業(yè)的經(jīng)營決策、生產(chǎn)計劃、制造過程等全部運行流程進行建模與仿真，并對企業(yè)的決策與制造活動的執(zhí)行進行監(jiān)控與優(yōu)化。其中的關(guān)鍵因素包括以下兩點。

① 制造資源和流程的建模與仿真

企業(yè)數(shù)字化制造平臺在建模過程中需要著重考慮智能制造資源的三個要素，即實體、屬性和環(huán)境。實體可通俗地理解為智能工廠中的具體對象。屬性是在仿真過程中實體所具備的各項有效特性。智能工廠中各實體之間的相互作用會改變實體的屬性，這種變化通常可用狀態(tài)的概念來描述。智能制造資源通常會受外界變化的影響，這種對系統(tǒng)活動結(jié)果產(chǎn)生影響的外界因素可理解為制造資源所處的環(huán)境。企業(yè)數(shù)字化制造平臺在對智能制造資源進行建模與仿真時需要考慮其所處的環(huán)境，并明確制造資源與其所處環(huán)境之間的邊界。

② 建立數(shù)字化平臺與制造資源之間的關(guān)聯(lián)

通過對制造現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集與傳輸，制造現(xiàn)場可向數(shù)字化平臺實時反饋生產(chǎn)狀況，其中主要包括生產(chǎn)線和設(shè)備的運行狀態(tài)、在制品的生產(chǎn)狀態(tài)、質(zhì)量狀態(tài)以及物料的供應(yīng)狀態(tài)等。在智能制造模式下，數(shù)據(jù)的形式、種類、維度、精細(xì)程度等將是多元化的，數(shù)據(jù)的采集、存儲與反饋也需要與其相適應(yīng)。

在智能制造模式下，產(chǎn)品的設(shè)計、加工及裝配等環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)的制造模式均存在明顯的差異。因此，企業(yè)數(shù)字化制造平臺必須適應(yīng)這些變化，從而滿足智能制造的應(yīng)用需求。

A．智能制造的產(chǎn)品設(shè)計

在智能制造的產(chǎn)品設(shè)計方面，企業(yè)數(shù)字化制造平臺應(yīng)提供兩方面的功能：第一，能夠?qū)⒂脩魧Ξa(chǎn)品的需求以及研發(fā)人員對產(chǎn)品的構(gòu)想建成虛擬的產(chǎn)品模型，優(yōu)化產(chǎn)品的功能，在產(chǎn)品正式生產(chǎn)之前，通過仿真分析保證產(chǎn)品的功能以滿足需求，從而減少研制后期的技術(shù)風(fēng)險；第二，能夠支持建立滿足智能加工與裝配標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的產(chǎn)品全三維數(shù)字化定義，使產(chǎn)品信息不僅能被制造工程師理解，還能夠被各種智能化系統(tǒng)接收并無任何歧義地被理解，從而能夠完成各類工藝、工裝的智能設(shè)計和調(diào)整。

B．智能加工與裝配

在智能加工與裝配方面，傳統(tǒng)制造中人、設(shè)備、加工資源等之間的信息交換并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。而數(shù)據(jù)交換的種類與方式通常是針對特定情況而專門定制的，這就導(dǎo)致了制造過程中會出現(xiàn)大量的耦合，從而使系統(tǒng)的靈活性受到極大的影響。例如，在數(shù)控程序編制過程中，工藝人員通常將加工程序指定到特定的機床中，由于不同機床所使用的數(shù)控系統(tǒng)不同，數(shù)控程序無法直接移植到其他機床中使用。如當(dāng)前機床上被指定的零件過多，容易出現(xiàn)被加工零件需要等待而其他機床處于空閑狀態(tài)的情況。

隨著制造系統(tǒng)智能化程度的不斷提升，智能加工與裝配中的數(shù)據(jù)將基于統(tǒng)一的模型，而不再針對特定系統(tǒng)或特定設(shè)備。這些數(shù)據(jù)可被制造系統(tǒng)中的所有主體識別，并能夠通過自身的數(shù)據(jù)處理能力從中解析出具體的制造信息。例如，智能數(shù)控加工設(shè)備可能不再接收數(shù)控程序代碼，而是直接接收具有加工信息的三維模型，根據(jù)模型中定義的加工需求自動生成最優(yōu)化的加工程序。這樣的優(yōu)勢在于：一方面，加工工藝數(shù)據(jù)具有通用性，因而工藝人員不再需要指定特定機床；另一方面，在機床內(nèi)部生成的加工程序是最適合當(dāng)前設(shè)備加工代碼的，進而實現(xiàn)真正的自適應(yīng)加工。

（3）智能制造車間

智能制造車間及生產(chǎn)線是產(chǎn)品制造的物理空間，其中的智能制造單元及制造裝備提供實際的加工能力。各智能制造單元之間的協(xié)作與管控由智能管控及驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)。智能制造車間的基本構(gòu)成如圖10所示。

① 車間中央管控系統(tǒng)

車間中央管控系統(tǒng)是智能加工與裝配的核心環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)制造過程的智能調(diào)度、制造指令的智能生成與按需配送等任務(wù)。在制造過程的智能調(diào)度方面，車間中央管控系統(tǒng)需根據(jù)車間生產(chǎn)任務(wù)綜合分析車間內(nèi)設(shè)備、工裝、毛料等制造資源，按照工藝類型及生產(chǎn)計劃等將生產(chǎn)任務(wù)實時分派到不同的生產(chǎn)線或制造單元，使制造過程中設(shè)備的利用率達到最高。在制造指令的智能生成與按需分配方面，面向車間內(nèi)的生產(chǎn)線及生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)自動生成并優(yōu)化相應(yīng)的加工指令、檢測指令、物料傳送指令等，然后根據(jù)具體需求將其推送至加工設(shè)備、檢測裝備、物流系統(tǒng)等不同設(shè)備中。

② 智能生產(chǎn)線管控系統(tǒng)

智能生產(chǎn)線管控系統(tǒng)可實時存儲、提取、分析與處理各類數(shù)據(jù)，包括工藝、工裝等制造數(shù)據(jù)，設(shè)備運行參數(shù)、運行狀態(tài)等過程數(shù)據(jù)，同時，該系統(tǒng)能夠通過對數(shù)據(jù)的分析實時調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)、監(jiān)測設(shè)備健康狀態(tài)等，并據(jù)此進行故障診斷、維護報警等行為；對于生產(chǎn)線內(nèi)難以自動處理的情況，智能生產(chǎn)線管控系統(tǒng)還可將其向上傳遞至車間中央管控系統(tǒng)。此外，生產(chǎn)線內(nèi)不同的制造單元具有協(xié)同關(guān)系，系統(tǒng)可根據(jù)不同的生產(chǎn)需求對工裝、毛料、刀具、加工方案等進行實時優(yōu)化與重組，優(yōu)化配置生產(chǎn)線內(nèi)各生產(chǎn)資源。

③ 智能制造裝備

從邏輯構(gòu)成的角度看，智能制造裝備由智能決策單元、總線接口、制造執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)接口、人機交互接口以及其他輔助單元構(gòu)成。其中，智能決策單元是智能設(shè)備的核心，負(fù)責(zé)設(shè)備運行過程中的流程控制、運行參數(shù)計算以及設(shè)備檢測維護等；總線接口負(fù)責(zé)接收車間總線中傳輸來的作業(yè)指令與數(shù)據(jù)，同時負(fù)責(zé)設(shè)備運行數(shù)據(jù)向車間總線的傳送；制造執(zhí)行單元由制造信息感知系統(tǒng)、制造指令執(zhí)行系統(tǒng)以及制造質(zhì)量測量系統(tǒng)等構(gòu)成；數(shù)據(jù)存儲單元用于存儲制造過程數(shù)據(jù)以及制造過程決策數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)接口分布于智能設(shè)備的各個組成模塊之間，用于封裝、傳送制造指令與數(shù)據(jù)；人機交互接口是人與智能設(shè)備之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口；輔助單元主要是指刀具庫、一體化管控終端等。

④ 倉儲物流系統(tǒng)

智能制造車間中的倉儲物流系統(tǒng)主要涉及AGV/RGV系統(tǒng)、碼垛機以及立體倉庫等。

AGV/RGV系統(tǒng)主要包括地面控制系統(tǒng)及車載控制系統(tǒng)。其中，地面控制系統(tǒng)與車間中央管控系統(tǒng)實現(xiàn)集成，主要負(fù)責(zé)任務(wù)分配、車輛管理、交通管理及通信管理等，車載控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)AGV/RGV單機的導(dǎo)航、導(dǎo)引、路徑選擇、車輛驅(qū)動及裝卸操作等。

碼垛機控制系統(tǒng)是碼垛機研制中的關(guān)鍵，主要通過模塊化、層次化的控制軟件來實現(xiàn)碼垛機運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作時間的控制，以及碼垛機的故障診斷與安全維護等。

立體化倉庫由倉庫建筑體、貨架、托盤系統(tǒng)、碼垛機、托盤輸送機系統(tǒng)、倉儲管理與調(diào)度系統(tǒng)等組成。其中，倉儲管理與調(diào)度系統(tǒng)是立體倉庫的關(guān)鍵，主要負(fù)責(zé)倉儲優(yōu)化調(diào)度、物料出入庫、庫存管理等。