2.1 智能制造及關鍵技術

2.1.1 智能制造體系

智能制造產業已成為各國占領制造技術制高點的重點研發與產業化領域。發達國家將智能制造列為支撐未來可持續發展的重要智能技術。我國也將智能制造作為當前和今后一個時期推進兩化深度融合的主攻方向和搶占新一輪產業競爭制高點的重要手段。2016年12月8日工業和信息化部、財政部聯合制定了《智能制造發展規劃（2016—2020年）》智能制造體系如圖2-1所示。

智能制造基于新一代信息技術，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節，是先進制造過程、系統與模式的總稱。智能產品通過獨特的形式加以識別，可以在任何時候被定位，并能知道它們自己的歷史、當前狀態和為了實現其目標狀態的替代路線。

智能制造的基本思路是以促進制造業創新發展為主題，以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，強化工業基礎能力，提高綜合集成水平，完善多層次人才體系，從而達到增強綜合國力，提升國際競爭力，保障國家安全，堅持走中國特色新型工業化道路。

2.1.2 智能制造的內涵

智能制造，就是面向產品全生命周期，實現泛在感知條件下的信息化制造。智能制造技術是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程、制造過程和制造裝備智能化，是信息技術、智能技術與裝備制造技術的深度融合與集成。智能制造，是信息化與工業化深度融合的大趨勢。

智能制造技術是世界制造業未來發展的重要方向，依靠技術創新，實現由制造大國到制造強國的歷史性跨越，是我國制造業發展的戰略選擇，為了實現制造強國的戰略目標，加快制造業轉型升級，全面提高發展質量和核心競爭力，需要瞄準新一代信息技術、高端裝備、新材料、生物醫藥等戰略重點，引導社會各類資源集聚，推動優勢和戰略產業快速發展。

智能制造并非只是一個橫空出世的概念，而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。

關于智能制造的研究大致經歷了以下三個階段：

1．20世紀80年代智能制造概念的提出源于人工智能在制造領域的應用

美國賴特（Paul Kenneth Wright）、伯恩（David Alan Bourne）正式出版了智能制造研究領域的首本專著《制造智能》，就智能制造的內涵與前景進行了系統描述，將智能制造定義為通過集成知識工程、制造軟件系統、機器人視覺和機器人控制來對制造技工們的技能與專家知識進行建模，以使智能機器能夠在沒有人工干預的情況下進行小批量生產。在此基礎上，英國技術大學威廉姆斯（Williams）教授對上述定義做了更為廣泛的補充，認為集成范圍還應包括貫穿制造組織內部的智能決策支持系統。麥格勞-希爾科技詞典將智能制造界定為，采用自適應環境和工藝要求的生產技術，最大限度地減少監督和操作、制造物品的活動。

2．20世紀90年代提出智能制造技術、智能制造系統

在智能制造概念提出后不久，智能制造的研究獲得工業化發達國家的普遍重視，開始圍繞智能制造技術（IMT）與智能制造系統（IMS）開展國際合作研究。日本、美國、歐洲共同發起實施的智能制造國際合作研究計劃中提出：智能制造系統是一種在整個制造過程中貫穿智能活動，并將這種智能活動與智能機器有機融合，將整個制造過程從訂貨、產品設計、生產到市場銷售等各個環節以柔性方式集成起來的能發揮最大生產力的先進生產系統。

3．21世紀以來新一代信息技術的快速發展及應用

21世紀以來，隨著物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術的快速發展及應用，智能制造被賦予了新的內涵，即新一代信息技術條件下的智能制造。

（1）美國工業互聯網中的智能制造 工業互聯網的概念最早由通用公司于2012年提出，隨后美國5家行業領頭企業聯手組建了工業互聯網聯盟，通用電氣（GE）在工業互聯網（Industrial Internet）概念中，更是明確了希望通過生產設備與IT相融合，目標是通過高性能設備、低成本傳感器、互聯網、大數據收集及分析技術等的組合，大幅提高現有產業的效率并創造新產業。

（2）德國推出工業4.0中的智能制造 德國工業4.0的概念包含了由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中，傳統的行業界限將消失。核心內容可以總結為：建設一個網絡（信息物理系統），研究兩大主題（智能工廠、智能生產），實現三大集成（縱向集成、橫向集成、端到端集成），推進三大轉變（生產由集中向分散轉變、產品由趨同向個性轉變、用戶由部分參與向全程參與轉變）。

（3）中國制造2025中的智能制造《智能制造發展規劃（2016—2020年）》給出了一個比較全面的描述性定義：智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式。推動智能制造，能夠有效縮短產品研制周期、提高生產效率和產品質量、降低運營成本和資源能源消耗，并促進基于互聯網的眾創、眾包、眾籌等新業態、新模式的孕育發展。智能制造具有以智能工廠為載體，以關鍵制造環節智能化為核心，以端到端數據流為基礎，以網絡互聯為支撐等特征，這實際上指出了智能制造的核心技術、管理要求、主要功能和經濟目標，體現了智能制造對于我國工業轉型升級和國民經濟持續發展的重要作用。

綜上所述，智能制造是將物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術與先進自動化技術、傳感技術、控制技術、數字制造技術結合，實現工廠和企業內部、企業之間和產品全生命周期的實時管理和優化的新型制造系統。

2.1.3 智能制造重點發展的五大領域

1．高檔數控機床與工業機器人

數控雙主軸車銑磨復合加工機床；高速高效精密五軸加工中心；復雜結構件機器人數控加工中心；螺旋內齒圈拉床；高效高精數控蝸桿砂輪磨齒機；蒙皮鏡像銑數控裝備；高效率、低重量、長期免維護的系列化減速器；高功率大力矩直驅及盤式中空電動機；高性能多關節伺服控制器；機器人用位置、力矩、觸覺傳感器；6～500kg級系列化點焊、弧焊、激光及復合焊接機器人；關節型噴涂機器人；切割、打磨拋光、鉆孔攻螺紋、銑削加工機器人；縫制機械、家電等行業專用機器人；精密及重載裝配機器人；六軸關節型、平面關節（SCARA）型搬運機器人；在線測量及質量監控機器人；潔凈及防爆環境特種工業機器人；具備人機協調、自然交互、自主學習功能的新一代工業機器人。

2．增材制造裝備

高功率光纖激光器、掃描振鏡、動態聚焦鏡及高品質電子槍、光束整形、高速掃描、陣列式高精度噴嘴、噴頭；激光/電子束高效選區熔化、大型整體構件激光及電子束送粉/送絲熔化沉積等金屬增材制造裝備；光固化成形、熔融沉積成形、激光選區燒結成形、無模鑄型、噴射成形等非金屬增材制造裝備；生物及醫療個性化增材制造裝備。

3．智能傳感與控制裝備

高性能光纖傳感器、微機電系統（MEMS）傳感器、多傳感器元件芯片集成的微控制單元（MCU）芯片、視覺傳感器及智能測量儀表、電子標簽、條碼等采集系統裝備；分散式控制系統（DCS）、可編程邏輯控制器（PLC）、數據采集系統（ScadA）、高性能高可靠嵌入式控制系統裝備；高端調速裝置、伺服系統、液壓與氣動系統等傳動系統裝備。

4．智能檢測與裝配裝備

數字化非接觸精密測量、在線無損檢測系統裝備；可視化柔性裝配裝備；激光跟蹤測量、柔性可重構工裝的對接與裝配裝備；智能化高效率強度及疲勞壽命測試與分析裝備；設備全生命周期健康檢測診斷裝備；基于大數據的在線故障診斷與分析裝備。

5．智能物流與倉儲裝備

輕型高速堆垛機；超高超重型堆垛機；高速智能分揀機；智能多層穿梭車；智能化高密度存儲穿梭板；高速托盤輸送機；高參數自動化立體倉庫；高速大容量輸送與分揀成套裝備；車間物流智能化成套裝備。

可以看出，當前國家針對智能制造裝備產業推出的多項政策，將從智能化、精密化、綠色化和集成化等方面提升我國裝備制造產業走向智能高端領域。

2.1.4 智能制造的十項關鍵技術

智能制造的最終目的是實現智能決策，其主要實施途徑包括：開發和研制智能產品；加大智能裝備的應用；按照自底向上的層次順序，建立智能生產線，構建智能車間，打造智能工廠；踐行和開展智能研發；形成智能物流和供應鏈體系；開展實施環節的智能管理；推進整體性智能服務。

目前，智能制造的“智能”還處于以實現相應功能為目的（Smart）的層次，智能制造系統具有數據采集、數據處理、數據分析的功能，能夠準確執行控制指令，能夠實現閉環反饋；而智能制造的趨勢是真正實現智能化（Intelligent），即智能制造系統能夠實現自主學習、自主決策、不斷優化。

在智能制造的關鍵技術當中，智能產品與智能服務可以幫助企業帶來商業模式的創新；智能裝備、智能生產線、智能車間和智能工廠可以幫助企業實現生產模式的創新；智能研發、智能管理、智能物流與供應鏈則可以幫助企業實現運營模式的創新；而智能決策則可以幫助企業實現科學決策。智能制造的十項關鍵技術分別為：智能產品（Smart Product）、智能服務（Smart Service）、智能裝備（Smart Equipment）、智能產線（Smart Production line）、智能車間（Smart Workshop）、智能工廠（Smart Fac-tory）、智能研發（Smart R&D）、智能管理（Smart Management）、智能物流與供應鏈（Smart Logistics and SCM）、智能決策（SmartDecision Making），如圖2-2所示，這十項技術之間是息息相關的，制造企業應當漸進式、理性地推進這十項智能技術的應用。