引言

　　智能制造裝備是具有預測、感知、分析、推理、決策、控制功能的各類制造裝備的統(tǒng)稱，是在裝備數控化基礎上提出的一種更先進、更能提高生產效率和制造精度的裝備類型。

　　智能制造裝備是高端裝備的核心，是制造裝備的前沿和制造業(yè)的基礎，已成為當今工業(yè)先進國家的競爭目標。作為高端裝備制造業(yè)的重點發(fā)展方向和信息化與工業(yè)化深度融合的重要體現(xiàn)，發(fā)展智能制造裝備產業(yè)對于加快制造業(yè)轉型升級，提升生產效率、技術水平和產品質量，降低能源資源消耗，實現(xiàn)制造過程的智能化和綠色化發(fā)展具有重要意義。

　　本研究在綜述智能制造裝備國內外發(fā)展現(xiàn)狀基礎上，重點論述智能制造裝備的內涵和發(fā)展重點。

　　1、智能制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.1美國

　　美國是國際智能制造思想的發(fā)源地之一，美國政府高度重視智能制造的發(fā)展，并且已經把它作為21世紀占領世界制造技術地位的基石。從上世紀90年代開始，美國國家科學基金(NSF)就著重資助有關智能制造的諸項研究，項目覆蓋了智能制造的絕大部分，包括制造過程中的智能決策、基于多施主(multi-agent)的智能協(xié)作求解、智能并行設計、物流傳輸的智能自動化等。2005年，美國國家標準與技術研究所(NIST)提出了“聰明加工系統(tǒng)(smart machining system，SMS)”研究計劃。

　　聰明加工系統(tǒng)的實質是智能化，該系統(tǒng)的主要目標和研究內容包括：

　　(1)系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化。即將相關工藝過程和設備知識加以集成后進行建模，進行系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化；

　　(2)設備特征化。即開發(fā)特征化的測量方法、模型和標準，并在運行狀態(tài)下對機床性能進行測量和通信；

　　(3)下一代數控系統(tǒng)。即與STEP-NC兼容的接口和數據格式，使基于模型的機器控制能夠無縫運行；

　　(4)狀態(tài)監(jiān)控和可靠性。即開發(fā)測量、傳感和分析方法；

　　(5)在加工過程中直接測量刀具磨損和工件精度的方法。

　　2011年，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布實施包括工業(yè)機器人在內的“Advanced Manufacturing Partnership Plan”(先進制造聯(lián)盟計劃)，立即得到同日發(fā)布的“實現(xiàn)21世紀智能制造”新報告的積極響應。在這份由美國智能制造領導聯(lián)盟(smart manufacturing leadership coalition，SMLC)公布的報告中，不但描繪了該領域未來的發(fā)展藍圖，而且確定了十大優(yōu)先行動目標，意圖通過采用21世紀的數字信息技術和自動化技術，加快對20世紀的工廠進行現(xiàn)代化改造過程，以改變以往的制造方式，借此獲得經濟、效率和競爭力方面的多重效益。

　　1.2日本

　　日本于1990年首先提出為期10年的智能制造系統(tǒng)(IMS)的國際合作計劃，并與美國、加拿大、澳大利亞、瑞士和歐洲自由貿易協(xié)定國在1991年開展了聯(lián)合研究，其目的是為了克服柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的局限性，把日本工廠和車間的專業(yè)技術與歐盟的精密工程技術、美國的系統(tǒng)技術充分地結合起來，開發(fā)出能使人和智能設備都不受生產操作和國界限制，且能彼此合作的高技術生產系統(tǒng)。

　　1.3歐盟

　　歐盟于2010年啟動了第七框架計劃(FP7)的制造云項目，特別是制造業(yè)強國的德國，繼實施智能工廠(Smart factory)之后，又啟動了一個投入達2億歐元的工業(yè)4.0(Industry4.0)項目。德國政府2010年制定的《高技術戰(zhàn)略2020》計劃行動中，意圖以未來項目“工業(yè)4.0”奠定德國在關鍵工業(yè)技術上的國際地位，并在2013年4月舉行的漢諾威工業(yè)博覽會上正式將此計劃推出?！肮I(yè)4.0”概念是在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學術界和產業(yè)界的建議和推動下形成，目前其已上升為國家級戰(zhàn)略。

　　1.4中國

　　我國自2009年5月《裝備制造業(yè)調整和振興規(guī)劃》出臺以來，國家對智能制造裝備產業(yè)的政策支持力度不斷加大，2012年國家有關部委更集中出臺了一列規(guī)劃和專項政策，使得我國智能制造裝備產業(yè)的發(fā)展輪廓得到進一步地明晰。工業(yè)與信息化部發(fā)布了《高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，同時發(fā)布了《智能制造裝備產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》子規(guī)劃，明確提出到2020年將我國智能制造裝備產業(yè)培育成為具有國際競爭力的先導產業(yè)?？茖W技術部也發(fā)布了《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》；國家發(fā)展改革委員會、財政部、工業(yè)與信息化部三部委組織實施了智能制造裝備發(fā)展專項；工業(yè)與信息化部制定和發(fā)布了《智能制造裝備產業(yè)“十二五”發(fā)展路線圖》，該路線圖明確把智能制造裝備作為高端裝備制造業(yè)的發(fā)展重點領域，以實現(xiàn)制造過程智能化為目標，以突破九大關鍵智能基礎共性技術為支撐，其思路是：以推進八項智能測控裝置與部件的研發(fā)和產業(yè)化為核心，以提升八類重大智能制造裝備集成創(chuàng)新能力為重點，促進在國民經濟六大重點領域的示范應用推廣。

　　2、智能制造裝備的內涵與發(fā)展重點

　　2.1智能制造裝備的內涵

　　智能制造裝備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，如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。智能制造裝備要從以人為主要決策核心的人機和諧系統(tǒng)向以機器為主體的自主運行方向轉變。

　　2.2智能制造裝備的發(fā)展重點

　　根據工業(yè)和信息化部制定和發(fā)布的《智能制造裝備產業(yè)“十二五”發(fā)展路線圖》規(guī)劃，智能制造裝備的發(fā)展重點為：

　　(1)九大關鍵智能基礎共性技術，包括：① 新型傳感技術；② 模塊化、嵌入式控制系統(tǒng)設計；③ 先進控制與優(yōu)化技術；④ 系統(tǒng)協(xié)同技術；⑤ 故障診斷與健康維護技術；⑥ 高可靠實時通信網絡技術；⑦功能安全技術；⑧ 特種工藝與精密制造技術；⑨識別技術。

　　(2)八項核心智能測控裝置與部件，包括：① 新型傳感器及其系統(tǒng)；② 智能控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線；③ 智能儀表；④ 精密儀器；⑤ 工業(yè)機器人與專用機器人；⑥ 精密傳動裝置；⑦ 伺服控制機構；⑧ 液氣密元件及系統(tǒng)。

　　(3)八類重大智能制造成套裝備，包括：① 石油石化智能成套設備集成；② 冶金智能成套設備集成；③ 智能化成形和加工成套設備集成；④ 自動化物流成套設備集成；⑤ 建材制造成套設備集成；⑥ 智能化食品制造生產線集成；⑦ 智能化紡織成套裝備集成；⑧ 智能化印刷裝備集成。

　　(4)六大重點應用示范推廣領域，包括：① 電力領域；② 節(jié)能環(huán)保領域；③ 農業(yè)裝備領域；④ 資源開采領域；⑤ 國防軍工領域；⑥ 基礎設施建設領域。

　　3、智能制造裝備發(fā)展趨勢

　　當前，智能制造裝備的發(fā)展趨勢以德國的“工業(yè)4.0”和美國的工業(yè)互聯(lián)網裝備清晰。

　　3.1 德國“工業(yè)4.0”

　　德國“工業(yè)4.0”通過充分利用信息物理系統(tǒng)(CPS)，實現(xiàn)由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，推動現(xiàn)有制造業(yè)向智能化方向轉型。CPS是一個綜合計算、網絡和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)，通過3C(Computation、Communication、Control)技術的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)制造裝備系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。CPS實現(xiàn)計算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設計，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實時協(xié)同。德國電氣電子和信息技術協(xié)會于2013年發(fā)布了德國首個“工業(yè)4.0”標準化路線圖，以加強德國作為技術經濟強國的核心競爭力，確保德國制造的未來。

　　“工業(yè)4.0”項目主要分為兩大主題：

　　(1)智能工廠。重點研究智能化生產系統(tǒng)及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現(xiàn)(工業(yè)4.0智能工廠如圖1所示)；

圖 1 工業(yè)4.0智能工廠

　　(2)智能生產。主要涉及整個企業(yè)的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業(yè)生產過程中的應用等。當前，“工業(yè)4.0”已開展的研發(fā)項目如表1所示。

表1德國工業(yè)4.0主要研究項目

　　3.2 美國工業(yè)互聯(lián)網裝備

　　2013年，美國通用電氣公司(GE)發(fā)表了《工業(yè)互聯(lián)網-打破智慧與機器的邊界》報告。該報告提出了工業(yè)互聯(lián)網(Industrial Internet)的概念。工業(yè)化創(chuàng)造了無數的機器、設施和系統(tǒng)網絡，而工業(yè)互聯(lián)網則是指讓這些機器和先進的傳感器、控制和軟件應用相連接，以提高制造業(yè)的生產效率、減少資源消耗。

　　工業(yè)互聯(lián)網裝備將整合兩大革命性轉變的優(yōu)勢：

　　(1)工業(yè)革命。伴隨著工業(yè)革命，出現(xiàn)了無數臺機器、設備、機組和工作站；

　　(2)強大的網絡革命；

　　(3)在網絡化的影響下，計算、信息與通訊系統(tǒng)應運而生并不斷發(fā)展。

　　伴隨著這樣的發(fā)展，3種元素逐漸融合，誕生了工業(yè)互聯(lián)網裝備，工業(yè)互聯(lián)網要素圖如圖2所示。

圖 2  工業(yè)互聯(lián)網的關鍵元素

　　(1)智能機器。以嶄新的方法將現(xiàn)實世界中的機器、設備、團隊和網絡通過先進的傳感器、控制器和軟件應用程序連接起來；

　　(2)高級分析。使用基于物理的分析法、預測算法、自動化和材料科學，電氣工程及其他關鍵學科的深厚專業(yè)知識來理解機器與大型系統(tǒng)的運作方式；

　　(3)工作人員。建立員工之間的實時連接，連接各種工作場所的人員，以支持更為智能的設計、操作、維護以及高質量的服務與安全保障。

　　通過將這些元素融合起來，將制造裝備與高級計算、分析、感應技術、互聯(lián)網的連接融合，形成了工業(yè)互聯(lián)網裝備。

工業(yè)互聯(lián)網的數據循環(huán)如圖3所示。

工業(yè)互聯(lián)網裝備的應用如圖4所示。

　　4、結束語

　　智能制造裝備集制造、信息和人工智能技術于一身，是未來高端裝備制造業(yè)的重點發(fā)展方向。各國政府高度重視智能制造裝備的研發(fā)和應用，美、日、歐已有一系列的研究成果和部分產品面世，德國的“工業(yè)4.0”項目也積極地推動了制造業(yè)向智能化的轉型。我國政府也充分認識到智能制造裝備的重要戰(zhàn)略地位，已出臺政策推動智能制造裝備的產業(yè)化水平提升。

　　可以預見，未來智能制造裝備在制造業(yè)低碳、節(jié)能、高效發(fā)展上的作用將進一步得到顯現(xiàn)；同時，行業(yè)也將在工業(yè)機器人、智能機床和基礎制造裝備、智能儀器儀表、三維打印裝備、新型傳感器、自動化成套生產線等重點領域形成快速發(fā)展與突破。