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(jìn)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(jī)交互中，作為決策主體的人有支配“機(jī)器”的行為，而智能制造中的“機(jī)器”因擁有擴(kuò)展人類智能的能力，使人與“機(jī)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(jī)交互與融合達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)器”的決策過程中，人向制造設(shè)備輸入決策規(guī)則，“機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)床加工精度損失，通過在機(jī)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(jī)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(jìn)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(hù)、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(jìn)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(jìn)行不斷迭代優(yōu)化，使制造流程達(dá)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(jìn)行實時的監(jiān)控與調(diào)整，進(jìn)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(dá)到了不同程度的智能化水平，在輔助工廠管理者進(jìn)行決策的過程中能夠切實提升企業(yè)生產(chǎn)的靈活性，進(jìn)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(jìn)行建模與仿真，并對企業(yè)的決策與制造活動的執(zhí)行進(jìn)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(jìn)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(jī)床中，由于不同機(jī)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(jī)床中使用。如當(dāng)前機(jī)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(jī)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(jī)床；另一方面，在機(jī)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(jìn)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(dá)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(jìn)行故障診斷、維護(hù)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(jìn)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(jī)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(hù)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)控制系統(tǒng)是碼垛機(jī)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(jī)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(jī)的故障診斷與安全維護(hù)等。

立體化倉庫由倉庫建筑體、貨架、托盤系統(tǒng)、碼垛機(jī)、托盤輸送機(jī)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。