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从数字制造到智能制造发展的技术途径 研究报告 项目责任单位：浙江大学 西安交通大学 项目负责人：谭建荣 - 1 2014 年 12 月 30 日 - # 第一章 从数字制造到智能制造发展的必要性 制造是一切重要工程、重要产品的最重要的环节之一，是国民经济和 国防建设的重要基础。数字制造和智能制造是制造技术创新的共性使能技 术，也是第三次工业革命的关键与核心。 数字制造采用数字化的手段对制造过程、制造系统与制造装备中复杂 的物理现象和信息演变过程进行定量描述、精确计算、可视模拟与精确控 制，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造 ,进而快速生产出符合用户 需求的产品。数字制造给产品的设计制造方式以及核心技术创新带来了一 系列的变革，是提升制造企业技术含量，促进企业转型升级的有效手段。 智能制造借助计算机收集、存储、模拟人类专家的制造智能，进行制 造各环节的分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的 部分脑力劳动，实现制造过程、制造系统与制造装备的智能感知、智能学 习、智能决策、智能控制与智能执行。智能制造将制造数字化、自动化扩 展到制造柔性化、智能化和高度集成化，是世界各国抢占新一轮科技发展 制高点、重振制造业的重要途径。 数字制造是实现智能制造的基础与手段，而智能制造是先进制造、数 字化技术与智能方法的有机集成与深度融合，是数字化制造发展的必然。 - 3 因此，从数字制造到智能制造势在必行。然而，缺乏从数字制造向智能制 造发展的技术途径研究，将导致数字制造与智能制造的技术发展与应用推 广缺乏针对性与系统性，存在大量重复性的工作。 因此，迫切需要在研究数字制造与智能制造科学内涵与关键技术的基 础上，获取从数字制造发展到智能制造的技术途径，构建从数字制造向智 能制造发展的技术路线图，通过从制造信息处理到制造知识处理、从虚拟 设计到数字样机、从快速原型到三维打印、从在线测量到工况感知、从数 字控制到智能控制、从数字装备到智能装备的技术提升，带动数控机床、 大型空气分离装备、工业汽轮机等典型行业智能制造水平的提升，实现数 字化、智能化与制造技术的深度集成与有机融合。这对引领机械制造业学 术前沿的发展、推动我国从制造大国走向制造强国、提升我国相关产业的 产品竞争力，具有十分重要的意义。 1.1 国外数字制造与智能制造的发展现状 在工业技术先进国家，数字制造技术已成为提高企业和产品竞争力的 重要手段。随着计算机和网络技术的发展，使得基于多媒体计算机系统和 通信网络的数字制造技术为现代制造系统的并行作业、分布式运行、虚拟 协作、远程操作与监视等提供了可能。与此同时，数字制造的一些子系统 不断完善，并随着网络技术和电子商务的发展进入实用阶段，数字制造系 统呈现出柔性化、敏捷化、客户化、网络化与全球化等基本特征。 在数字制造技术发展与应用研究方面，美国处于国际研究的前沿，许 多大学和科研机构都在从事虚拟制造的研究工作。美国华盛顿州立大学在 国家标准和技术研究所的资助下，对虚拟装配环境、装配规划、装配分析 与评估等方面进行了研究。斯坦福大学研究了复杂装配的分析、评估技术， 开发了装配分析工具系统。卡内基・梅隆大学探索了虚拟装配模型、虚拟 装配环境、虚拟装配设计、装配评估等，提出了面向网络设计制造的虚拟 工具集系统。国家标准及技术局制造工程实验室系统集成部研究了开放式 虚拟现实测试机床和国家先进制造测试机床等。 在数字化制造产业， 美国波音公司在波音 777/787 飞机的研制中， 通过 采用“虚拟设计制造”、 “全生命周期设计制造 PLM”、 “并行工程 CE” 、 数字化预装配系统等全数字化设计制造的研制策略（图 1.1），使飞机的整 机设计、部件测试、整机装配均在高性能工作站上的虚拟环境中通过数字 样机完成，在设计阶段就解决了零件间的装配干涉和零件的最终装配确定 等制造中的关键问题，并在全球协同化制造环境（图 1.2）下展开研制，开 发周期从过去的8〜9年缩短到四年半，缩短了 40%以上，成本降低了 25%, 出错返工率降低了 75％，用户满意度也大幅度提高。 - 7 美国通用汽车公司利用“数字化设计制造”、“虚拟样机”等技术, 将轿车的开发周期由原来的 48个月缩短到了现在的24个月，碰撞试验的 “大规模定 次数由原来的100多次降到50次，另外“全球采购和分销” 10%的销售成本。 制”等新的生产模式也帮助它减少了 辱与睢赛晋阁的5a 盘 融其林震除： 却■:庄・13■量 : *由工稣瓯 *na irjiTH 一蛾 ri c ■*.阻. 匚国日 “■骷招生 图轲胃”硝 nflKNmxiii I 3eiin u*e« 1 主Finn f.iw । 用西能看tLUiEH ★・r・停附%tl. GBOftSlk峥ill 1户 ■ CFFEifiTHmrttmi 置”—同事到国LW H・H楣.情网 MiWUP ・±#1： *"・QXlJC£ii： eriiuuinMI 图1.1波音787飞机的研制策略 图1.2波音787飞机的全球协同环境 金融危机以来，在寻求危机解决方案的过程中，美国、德国、日本、 加拿大等发达国家和地区纷纷提出通过发展智能制造来重振制造业，高度 重视智能制造技术的研究与推广，并将智能制造列为支撑未来可持续发展 的重要智能技术。 2011年6月，美国正式启动包括工业机器人在内的“先进制造伙伴计 划”，2012年2月又出台“先进制造业国家战略计划”，提出通过加强研 究和试验（R&E）税收减免、扩大和优化政府投资、建设“智能”制造技术平 台以加快智能制造的技术创新， 2012 年设立美国制造业创新网络，并先后 设立增材制造创新研究院和数字化制造与设计创新研究院。 2012 年 8 月， 美国总统奥巴马拨款 3000 万美元，在俄亥俄州建立了国家级 3D 打印工业 研究中心，投入大量经费用于 3D 打印技术的研发。目前， 3D 打印已初步 形成了成功的商用模式，例如，纽约一家创意消费品公司 Quirky 通过在线 征集用户的设计方案，以 3D 打印技术制成实物产品并通过电子市场销售， 每年能够推出 60 种创新产品，年收入达到 100 万美元。 美国斯坦福大学和麻省理工学院合作开展 “基于 Internet 的下一代远程 诊断示范系统”的研究，美国NSF成立了智能设备维护技术中心，具成员包 括 Intel ， Ford Motor ， Applied Materials ， Xerox， United Technologies 等著 名大公司，中心研究宗旨是开发基于 Web 的智能设备诊断、维护技术。随 着现代通信技术和 IT 业的发展 ,许多企业都相继推出了具有网络集成能力 和一定智能化水平的制造设备和控制系统，通过网络可以实现对设备的远 程技术服务。 作为制造业强国的德国， 继实施智能工厂之后， 又启动了一个投入达 2 亿欧元的工业 4.0项目。德国政府 2010年制定的《高技术战略 2020》计划 行动中，意图以工业 4.0项目奠定德国在关键工业技术上的国际领先地位， 并在 2013 年 4 月举行的汉诺威工业博览会上正式将此计划推出。工业 4.0 概念最初是在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和 产业界的建议和推动下形成，目前已上升为国家级战略。 德国西门子安贝格电子制造厂被认为是“工业 4.0”的样板工厂，这座 位于德国安贝格市的工厂，是德国的政府、企业、高校和研究机构共同打 造全自动化联网“智能”工厂的协力合作的初期案例。安贝格拥有欧洲最 先进的数字化生产平台。西门子的安贝格工厂体现了现阶段的智能运营工 厂的潜能。目前，它的自动化运作程度已经达到 75%左右，其 1150 名员工 主要是从事计算机运行和生产流程监控工作。 日本于 1990 年提出为期 10 年的智能制造系统 （ IMS ） 的国际合作计划， 并与美国、加拿大、澳大利亚、瑞士和欧洲自由贸易协定国在 1991 年开展 了联合研究，其目的是克服柔性制造系统（ FMS ）、计算机集成制造系统 （CIMS ） 的局限性， 把日本工厂和车间的专业技术与欧盟的精密工程技术、 美国的系统技术充分地结合起来，开发出能使人和智能设备都不受生产操 作和国界限制、且能彼此合作的高技术生产系统。 日本政府大力推动智能制造以应对用工短缺，全自动生产线和机器人 在日本企业得到广泛使用。由日本本田技术研究公司研发的新一代智能机 器人“阿斯莫”，在工厂已经服役了 12 年。日本最大的玩具生产商万代玩 具公司，实行智能制造，产品由机器手从机器内取出，搬运由无人自动搬 运机完成，其静冈分公司拥有 17 台 4 色全自动注塑机，每班仅需 7 人完成 进料、出料、维修等辅助工作。日本著名机床厂商山崎马扎克公司 2002 年 开发的 “无人机械加工系统” ， 与上世纪 90 年代开发的无人加工系统相比， 加工成本降低了 43%。这套系统的使用，与传统机械加工相比，完成同样 的产量，需要 13 台机床外加 36 名操作员，即使外国的人工费只有日本的 1/20，机器人的作业成本依然比人工费用要低。 加拿大制定的 1994~1998 年发展战略计划，认为未来知识密集型产业 是驱动全球经济和加拿大经济发展的基础，认为发展和应用智能系统至关 重要，并将具体研究项目选择为智能计算机、人机界面、机械传感器、机 器人控制、新装置、动态环境下系统集成。 欧盟各国高度重视云计算技术与制造业的结合，利用云制造这一服务 化、网络化、智能化的制造模式，实现基于网络的共享与协同分散制造资 源，提高制造资源和能力利用率，降低资源消耗，实现绿色制造和服务型 制造。 欧盟第 7 框架于 2010 年 8 月启动了制造云项目， 总投资 500 万欧元， 目的是为用户提供可配置的基于软件的制造能力服务，并能通过网络实现 面向用户的产品个性化定制。 1.2 我国数字制造与智能制造的发展现状 在制造业信息化工程专项的推动下，我国近年来在制造业信息化数字 化方面取得了显著进步。 我国制造业数字化方面的投入不断加大，主要行业大中型企业数字化 设计工具普及率超过六成，近 5 年年均增长 4 个百分点。在规模以上的工 业企业中， 生产线上的数控装备比重已经达到 30%， 近 5 年也是年均增长 4 个百分点。根据《 2011 中国工业软件产业发展年度报告》， 2011 年中国工 业软件市场规模已达到 616.34亿元，到 2014 年市场规模将达到 1037.46亿 元。 CAD 、 CAE、 PDM、 ERP、 SCM 等信息技术在产品研发部门和生产制 造部门得到了有效应用，装备技术水平也在大大的提高。这些数字化设计 制造软件的推广应用，改变了传统的设计生产、制作模式，已经成为我国 现代制造业发展的重要技术特征。 我国许多著名企业、高校与研究机构在相关项目的支持下，进行了有 关产品数字化设计及预装配系统的开发和应用，取得了一些成果。神龙汽 车制造有限公司对轿车装配生产线进行了轿车预装配数字化系统的开发， 基本实现了总装柔性生产。中国一航商用飞机有限公司在 ARJ21 飞机研制 中应用产品数字化定义技术、产品数据管理技术、数字样机技术、数字化 工艺与虚拟装配技术等数字化设计制造技术和并行工程方法，实现了大部 段对接一次成功，飞机上天一次成功，取得了显著的经济效益。 我国云制造相关技术及系统的研究已取得显著的成果，构建了面向航 天复杂产品的集团企业云制造服务平台、航天科技集团云制造服务平台、 面向制造及管理的集团企业云制造服务平台、 BISWIT- “成长型企业管理信 息化”云应用、面向模具与柔性材料行业的云制造服务平台、汽车零部件 新产品研发云制造服务平台、钢铁产业链协同云制造服务平台、面向宁波 模具行业云制造服务平台等云制造服务平台，并针对不同类型企业的需求 和特点分别开展应用示范工作。北车集团 418 km/h 动车组广泛应用传感网 技术和 RFID 技术，实现制造过程智能化和列车运营的控制、监测与诊断。 我国数字化智能化制造产业快速发展。仪器仪表产业近年来增长迅速， 2012 年仪器仪表行业总产值 7112 亿元，同比增长 20.16%。数控机床制造 业迅速发展，进口依存度下降至 45%。机器人研发投入持续加大，工业机 器人大量应用。 2012 年，在中国销售的工业机器人达 26902 台，同比增长 19.2%，我国工业机器人年安装量排名世界第三，累计安装量超过 6万台。 “机器换人”已经成为企业提高生产效率、降低人力成本的重要手段。富 士康宣布将在三年内购置百万台机器人，预计到 2016 年将在山西晋城建成 “世界最大智能化机器人生产基地”。海尔首席执行官张瑞敏 2014 年宣布 1.6 万人，仍将继续裁员 1 万人。京东方的北京 8.5代线面板工厂 也已经大量启用机器人操作。 我国 3D 打印等新兴产业发展迅速。在 3D 打印制造基础技术方面，华 中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学和北京航空 625 所相继开 展了熔融沉积制造、电子束融合技术、选择性激光烧结等研究。这些研究 成果在航空发动机叶片制造、飞机承力件制造、汽车车型开发、傅化骨科 植入、 颌骨重建和义齿加工等方面得到了应用。 在 3D 打印制造装备研制方 面，我国已成功研制了一批先进光固化、激光选区烧结、激光选区溶化、 激光近成形、熔融沉积、电子束制造等工艺装备。在 3D 打印制造产业化发 展方面，我国已经涌现出 30 多家 3D 打印制造技术设备制造与服务企业。 并在上海、 深圳、 宁波等地相继出现了一批 3D 打印制造技术服务中心与公 共服务平台，辅助当地企业的新产品快速开发，为个性化的家电、数码等 产品的快速研发与更新换代提供技术支撑。 1.3 我国智能制造与国外先进水平的差距 当前，新一轮的工业革命正在深化，以数字化技术为基础，在互联网、 物联网、云计算、大数据等技术的强力支持下催生的产业模式创新，也会 使制造业的产业模式发生根本性变化。西方工业发达国家依靠科技创新， 以智能制造为核心，抢占国际竞争制高点，提高经济发展核心竞争力，谋 求未来发展的主动权，在智能制造方面已经走在前列。 我国早在 2010 年已成为世界第一制造业大国，我国制造业也不再局限 于生产廉价的劳动密集型产品，技术与资金密集的装备制造业产品越来越 多，部分有实力的中国制造企业也开始收购西方竞争对手资产。但与工业 发达国家相比，目前我国制造业仍主要集中在中低端环节，产业附加值低， 中低端制造装备面临来自发达国家加速重振制造业与发展中国家以更低生 产成本承接国际产业转移的“双向挤压”，高端智能制造装备及核心零部 件仍然严重依赖进口。 从智能制造的经济效益来看， 52%的企业其智能制造 收入贡献率低于 10%， 60%的企业其智能制造利润贡献低于 10%。另外， 较为低廉的人力成本形成成本洼地，企业使用智能化设备替代人工动力不 足，严重阻碍了对智能装备应用需求的释放。 在制造业智能化的核心技术掌握及应用方面，我国与工业发达国家存 在很大差距。 我国对“大数据”驱动的知识挖掘及知识库构建相关研究起步较发达 国家晚，还未形成整体力量，企业应用数据挖掘技术尚不普遍。目前，国 内相关技术主要集中于数据挖掘相关算法、实际应用及有关理论方面的研 究，涉及行业比较广泛，包括金融业、电信业、网络相关行业、零售业、 制造业、医疗保健、制药业及科学领域，单位集中在部分高等院校、研究 所和 IT 等新兴领域的公司，如华为、阿里巴巴、百度等，但我国制造企业 几乎没有应用数据挖掘技术，也未构建产品设计制造相关的知识库。 我国许多制造企业在复杂装备研发过程中，利用有限元分析软件进行 产品性能仿真分析时，较少考虑机、电、液、控等多个学科耦合作用，而 仅进行其中某单一学科的性能仿真分析，其分析结果对于产品性能优化设 计的指导作用有限。 我国制造业与物流业信息资源融合度较低。虽然大多数物流企业与制 造企业都建立了各自的信息系统，但物流企业与制造企业的信息资源相对 独立，信息系统不能很好地融合，信息资源不能有效交换与共享，存在着 严重的“信息孤岛”和信息不对称现象。物流业与制造业不能形成信息联 动，降低了物流业对制造业服务的响应能力，制约了制造业与物流业联动 发展。 我国在云制造技术方面的研究及应用还处于初级阶段，远远不能实现 云环境下的信息快速共享和重用需求。基于云制造的多学科虚拟样机协同 设计仿真原型平台、面向微小型企业的 B2C 模式云制造平台架构等应用需 要不断的深入和完善，还需要大量技术、资金及政策的支持。 随着网络化、数字化进程的加快，设备制造企业不仅要技术创新，开 发新产品和提高产品质量，而且还要对产品的生产使用过程提供全生命周 期的技术服务支持、实行设备终生保修。这就要求我国设备制造企业从制 造型向制造、服务型转变，在其产品中加入远程监测、诊断、维护功能， 并通过网络提供设备使用、维护技术支持。 我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额 已经突破 60 亿元，随着产业升级的不断推进，我国工业机器人发展空间巨 大。但是，我国工业机器人市场上完全国产的工业机器人不到 20%，其余 都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等 20 多个国家引进的。从制造方 面说，在欧美和日本，机器人已经从产业发展阶段进入了智能化发展阶段， 机器人的操控越来越简单，不需要人示教，甚至不需要高级技术人员来操 作即可完成。而我国机器人产业总体上还处于起步阶段，机器人企业多以 仿制和集成模式为主，即采购国外核心零部件组装机器人，再根据国内市 场需求进行设计和集成，缺乏关键核心技术，高性能交流伺服电动机、精 密减速器及控制器等关键核心部件长期依赖进口。欧洲和日本仍是工业机 器人的主要供应商， 其中 ABB,KUKA,FANUC,YASKAWA 四家占据着工业 机器人 60-80%市场份额。 我国在 3D 打印制造技术研发和产业发展中仍面临巨大挑战。 首先， 在 材料成形机理、关键技术、装备开发、工业标准等方面，还面临大量基础 理论和关键技术尚未突破，未能形成原创技术源泉。 3D 打印制造装备所需 的大功率激光器、工业喷头和高精度控制器等核心零部件目前还没有突破。 其次， 我国尚未形成 3D 打印制造公共技术平台， 创新资源集中度低。 当前， 科研机构各自为战，合作研究的动力不足，缺乏对技术兼容性研究和相关 标淮的制定，开放式的集成创新体系尚未形成。再次，我国 3D 打印制造产 业化尚处于萌芽阶段，金融资本参与度不高，产业缺乏资金支持。在我国， 直接从事 3D 打印业务的企业多属于典型的中小企业， 产值普遍处于千万量 级以下，多数企业处于生存边缘，盈利艰难。从全产业链的角度来看，尚 未形成精细化分工，总体呈现产业发展初期的“作坊式”生产模式，劣质 产品多，知识产权意识弱，缺乏产品标准和客观权威的评测。最后，我国 3D 打印工程化应用技术研究不够，尚未形成具有广泛工程意义的完备技术 体系， 工程领域和产业界对 3D 打印制造技术需求不够迫切， 技术发展缺乏 市场的强大牵引。 因此，要实现智能制造目标，必须充分利用我国在数字化制造技术的 已有基础，深入研究实现从数字制造到智能制造发展的共性关键技术，构 建从数字制造到智能制造发展的技术路线图，并在典型行业进行应用推广， - 23 通过规模化生产，尽快收回技术研究开发投入，从而持续推进新一轮的技 术创新，推动智能制造技术的进步，实现制造业升级。 第二章 数字制造与智能制造的内涵 2.1 数字制造的科学定义与学术内涵 所谓数字制造，是指在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和 多媒体等支撑技术的支持下，根据用户需求迅速收集资源信息，对产品信 息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能 的仿真以及原型制造，进而快速生产出符合用户期望性能的产品的整个制 造过程。简言之，数字制造是在对制造过程进行数字化描述而构建的数字 空间中完成产品的制造过程。 2.1.1 以控制为中心的数字制造 数字制造的概念，首先来源于数字控制技术（ CNC ）与数控机床。数 控技术就是用数字量及字符发出指令并实现控制的技术，它不仅控制位置、 角度、速度与机械量，也可控制温度、压力、流量等物理量，这些量的大 小不仅可用数字表示，而且是可测、可控的。如果一台设备实现其自动工 作过程的命令是以数字形式来描述的，则称其为数控设备。显而易见，这 远不是数字制造，却是数字制造的一个十分重要的基础。 随着数控技术的发展，出现了对多台机床用一台或几台计算机数控装 置进行集中控制的方式，即所谓直接数字控制（ DNC ）。为适应多品种、 小批量生产的自动化，发展了若干台计算机数控机床和一台工业机器人协 同工作，以便加工一组或几组结构形状和工艺特征相似的零件，从而构成 所谓柔性制造单元（ FMC ）。借助一个物流自动化系统，将若干柔性制造 单元或工作站连接起来实现更大规模的加工自动化就构成了柔性制造系 统。以数字量实现加工过程的物料流、加工流和控制流的表征、存储与控 制，就形成了以控制为中心的数字制造。 2.1.2 以设计为中心的数字制造 计算机的发展以及计算机图形学与机械设计技术的结合，产生了以数 据库为核心、以交互式图形系统为手段、以工程分析计算为主体的一体化 的计算机辅助设计（ CAD ）系统。 CAD 系统能够在二维与三维空间精确地 描述物体，大大提高了生产过程中描述产品的能力和生产率。 CAD 的产生 和发展，为制造业产品设计的过程数字化、自动化打下了基础。 将 CAD 的产品设计信息转换为产品制造、工艺规则等信息，使加工机 械按照预定的工序和工步的组合排序，选择刀具、夹具、量具，确定切削 用量，并计算每个工序的机动时间和辅助时间，这就是计算机辅助工艺规 划（CAPP）。将制造、检测、装配等方面的所有规划以及产品设计、制造、 工艺、管理、成本核算等所有信息数字化，并被制造过程的全阶段所共享， 就形成了基于 CAD /CAM /CAPP 的以产品设计为中心的数字制造。 2.1.3 以管理为中心的数字制造 通过建立企业内部物料需求计划（MRP）,根据不断变化的市场信息、 用户定货和预测，从全局和长远利益出发，通过决策模型评价企业的生产 经营状况，预测企业的未来和运行状况，决定投资策略和生产任务安排， 这就形成了制造业生产系统的最高层次管理信息系统 （ MIS ） 。 为使制造企 业经营生产过程能随市场需求快速重构和集成，出现了能覆盖整个企业从 产品的市场需求、研究开发、产品设计、工程制造、销售、服务、维护等 生命周期中信息的产品数据管理系统 （ PDM ） ， 从而实现以 “产品” 和“供 需链”为核心的过程集成，这就是基于 MRP /MIS /PDM 的以管理为中心的 数字制造。 由此可见，数字制造是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不 断融合、发展和应用的结果，也是制造企业、制造系统和生产系统不断实 现数字化的必然。对制造装备而言，其控制参数均为数字信号。对制造企 业而言，各种信息（包括图形、数据、甚至知识和技能）均以数字的形式 通过数字网络在企业内部传递。对全球制造业而言，用户通过数字网络发 布需求信息，各大、中、小型企业则通过数字网络，根据需求，优势互补， 动态组合，迅速敏捷地协同设计制造出相应的产品。在数字制造环境下， 在广域内形成了一个由数字织成的网，个人、企业、车间、设备、经销商 和市场成为网上的一个个结点，由产品在设计、制造、销售过程中所赋予 的数字信息成为主宰制造业的最活跃的驱动因素。数字制造的概念轮图如 图2.1所示，网络制造是数字制造的全球化实现， 虚拟制造是数字工厂和数 字产品的一种具体体现，电子商务制造是数字制造的一种动态联盟。 图2.1数字制造的概念轮图 2.2 智能制造的科学定义与学术内涵 智能制造包含智能制造技术和智能制造系统。 智能制造技术是指利用计算机模拟制造专家的分析、判断、推理、构 思和决策等智能活动，并将这些智能活动与智能机器有机融合，将其应用 于整个制造企业的各个子系统（如经营决策、采购、产品设计、生产计划、 制造、装配、质量保证和市场销售等），以实现整个制造企业经营运作的 高度柔性化和集成化，从而取代或延伸制造环境中专家的部分脑力劳动， 并对制造业专家的智能信息进行收集、存储、完善、共享、继承和发展的 一种极大地提高生产效率的先进制造技术。 智能制造系统（ IMS ）是指基于智能制造技术，利用计算机，综合应用 神经网络、遗传算法等人工智能技术、智能制造机器、代理技术、材料技 术、现代管理技术、信息技术、自动化技术、并行工程、生命科学和系统 工程理论与方法，在国际标准化和互换性的基础上，使整个企业制造系统 中的各个子系统分别智能化，并使制造系统形成由网络集成的、高度自动 化的一种制造系统。它是智能技术集成应用的环境，也是智能制造模式展 现的载体。智能制造系统的理念建立在自组织、分布自治和社会生态学机 制上，目的是通过设备柔性和计算机人工智能控制，自动完成设计、加工、 控制管理过程，以保证高度变化环境下制造的有效性。 智能制造系统具有以下特征： 1） 自组织能力。 智能制造系统中的各组成单元能够根据工作任务需要， 自行集结成一种超柔性最佳结构，并按照最优方式运行。其柔性不仅表现 在运行方式上，还表现在结构形式上。完成任务后，该结构自行解散，以 备在下一任务中集结成新的结构。 2）自律能力。 智能制造系统具有搜集与理解环境信息及自身信息并进 行分析判断和规划自身行为的能力。强有力的知识库和基于知识的模型是 自律能力的基础。智能制造系统能监测周围环境和自身作业状况并进行信 息处理，根据处理结果自行调整控制策略，以采用最佳运行方案，从而使 整个制造系统具备抗干扰、自适应和容错等能力。 3）自学习和自维护能力。 智能制造系统能以原有的专家知识为基础， 在实践中不断进行学习，完善系统知识库，并剔除其中不适用的知识，使 知识库趋于合理化。与此同时，它还能对系统故障进行自我诊断、排除和 修复，从而使得智能制造系统能够自我优化并适应各种复杂环境。 4）整个制造系统的智能集成。 智能制造系统在强调各子系统智能化的 同时，更注重整个制造系统的智能集成，这是它与面向制造过程中特定应 用的“智能化孤岛”的根本区别。智能制造系统包括了各个子系统，并将 其集成为一个整体，实现系统整体的智能化。 5）人机一体化智能系统。 智能制造系统不单纯是“人工智能”系统， 而是人机一体化智能系统，是一种混合智能。人机一体化一方面突出了人 在制造系统中的核心地位，同时在智能机器的配合下，更好地发挥了人的 潜能，使人机之间表现出一种平等共事、相互“理解”、相互协作的关系， 使两者在不同的层次上各显其能，相辅相成。因此，在智能制造系统中， 高素质、高智能的人将发挥更好的作用，机器智能和人的智能将真正地集 成在一起。 6）虚拟现实。 虚拟现实是实现高水平人机一体化的关键技术之一，人 机结合的新一代智能界面，使得可用虚拟手段智能地表现现实，它是智能 制造的一个显著特征。 综上所述，智能制造系统作为一种模式，它是集自动化、柔性化、集 成化和智能化于一身，并不断向纵深发展的先进制造系统 【 2】 。 2.3 数字制造与智能制造的区别与联系 数字制造是智能制造的基础，智能制造是在数字制造的基础上发展的 更前沿的阶段。以机床为例，计算机与机床结合产生的数控机床，实现了 程序化控制，这是数字化时代的产物。智能机床则需要传感器随时感知其 工作状况、环境参数，需要有能够体现人们对加工工艺过程优化的知识的 智能控制软件，即传感器、数控机床、智能控制三者共同构成智能机床。 智能制造还包括车间级、企业级等制造系统的智能化。 智能制造将比数字制造带来更大的收益。仍以机床加工为例，数控机 床按照程序规定的命令执行，若加工过程中出现振动、主轴发热等问题， 机床自身是无法控制的。而智能机床则可以随时监测刀具是否出现磨损、 主轴是否发热过多、振动是否加剧等，并可随时干预加工过程，改变运行 参数，降低转速、减少进给速度，或者停止运转等以达到保护机床或保证 加工质量的效果。 智能制造系统与数字制造系统也有着本质区别： 1 ）数字制造系统处理 的对象是数据，而智能制造系统处理的对象是知识； 2）数字制造系统处理 的方法是机械的，而智能制造系统处理的方法是智能的； 3）数字制造系 统建模的数学方法是经典数学（微积分）方法，智能制造系统建模的数学 方法是非经典数学（智能数学）方法； 4）数字制造系统的性能在使用中是 不断退化的，而智能制造系统具有自优化功能，其性能在使用中可以不断 优化； 5 ）数字制造系统在环境异常或使用错误时无法正常工作，而智能制 造系统则具有容错功能。 数字制造技术是智能制造的基础技术，因此，数字制造的核心技术， 包括数字建模技术、曲线曲面拟合与生成技术、数据库技术、计算机网络 技术、 CAD/CAM 技术、数字化协同设计制造技术、数字微分分析技术、 数控插补技术、数控驱动技术、电子线路逻辑设计技术、数控编程技术、 虚拟现实与模拟仿真技术等均为智能制造的基础技术。 将数字制造技术与智能化数学建模方法（如数据挖掘、知识表示与处 理、模式识别、图像处理、计算机视觉、人工智能、人工生命、启发搜索、 联想记忆、多智能体系统、免疫网络、物联网、云制造、机器学习、并行 工程、 3 维打印等）相结合，就形成了各种各样的智能制造技术，如设计制 造知识发现技术、数字样机模拟仿真技术、制造装备工况智能感知与检测 技术、智能制造执行系统、云制造与装备智能监控技术、工业机器人技术 等等。数字制造与智能化方法的结合方式非常灵活，可通过领域交叉、学 科交叉、层次交叉、方法交叉等方式，形成各种各样的智能制造技术。 - 65 第三章 我国数字制造与智能制造的技术现状 项目组针对杭州制氧机集团有限公司、沈机集团昆明机床股份有限公 司、大连机床集团有限责任公司、杭州汽轮机股份有限公司、欧琳橱柜、 加西贝拉压缩机有限公司、浙江申达机器制造有限公司、中国航天科技集 团公司第八研究院一四九厂等 8 家企业，围绕空气分离装备行业、数控机 床行业、工业汽轮机行业、橱柜行业、冰箱压缩机行业、注塑行业、军工 行业等典型行业数字制造与智能制造的技术现状进行了实地调研，较为全 面地掌握了这些行业典型制造企业数字化设计制造的技术现状，深入剖析 了这些制造企业在数字化设计制造方面存在的不足。 3.1 数控机床行业典型制造企业的技术现状 数控机床是国家战略层面的基础制造装备。我国数控机床制造企业经 过几十年的学习与模仿发展历程后，随着各类数字化建模及分析软件的应 用，数字化设计制造经历了“从无到有”的过程，并在逐渐完备和普及的 道路上前行。 从产品层次构成上看，我国数控机床行业“低端混战，高端失守”的 状况仍未得到根本扭转，高端产品层面与国外先进企业之间还存在相当大 的差距。一方面国内市场对各类机床产品，特别是数控机床有大量需求， 而另一方面我国数控机床设计能力不足，生产能力低下，国外机床产品充 斥市场。这种现象的出现，根本原因在于以高速度、高精度、复合化、智 能化为特征的数控机床数字化设计制造共性技术的缺失，使其数控机床的 品种单一，性能不足，新产品（包括基型、变型和专用机床）设计研发周 期长，且很难做到针对用户需求深度定制，不能及时为用户提供满意的产 品。 在数控机床领域，我国制造企业（如昆明机床股份有限公司等）的产 品与国外先进机床产品之间“形似而神不似”的问题十分突出。产品的外 观可以模仿、结构型式与尺寸也可以模仿，但是产品的性能需要靠优秀的 设计方案和制造技术来保证。究其原因，我国数控机床制造企业在产品的 研制过程中缺乏对机床设计制造方法的深入研究，其产品在功能层面上与 国外先进机床产品差距较小，但性能层面上差距甚大，这也决定了其机床 产品在高精高速加工领域仍处于弱势地位。由此可见，想要在数控机床市 场占有一席之地，必须全面推进数字化设计制造，缩短新产品设计制造周 期，提升设计制造水平。 3.1.1 典型数控企业及其机床的基本情况 1. 昆明机床股份有限公司 昆明机床股份有限公司是开发、设计、制造和销售精密数控卧式坐标 镗床、卧式加工中心等精密设备的骨干企业，其主要产品均处于国内领先 水平，创造了中国 140 个第一：第一台大型卧式镗床、第一台高精度坐标 镗床、第一台电动立体仿型铣床、第一台精密卧式加工中心等。公司机床 产品主要分为卧式加工中心、龙门镗铣床、卧式镗铣床、落地铣镗床等 4 类，共 16 个系列。 卧式加工中心类产品是专为航空航天、汽车、模具、精密液压阀体等 加工领域打造的高速、高精、高效的产业化核心产品。其中， KHC-AUTO 系列产品实现五轴联动加工，还可组成 FMS 柔性制造系统，实现产品的批 量化高效柔性生产需求。 KHC-BLOCK 系列是大规格的精密卧加工产品， 主机和模块化功能部件配置灵活。 TH65 系列卧式加工中心产品总体布局为 刨台卧放，前、后床身分离呈 T 字型结构，移动立柱，正挂主轴箱。机床 整体结构紧凑、热变形小、刚性高、精度高。 龙门镗床类产品适用于航空、重机、模具等行业半精加工和精加工， 也可以用于粗加工。其中， 21 系列采用动梁龙门式框架，刚性好，精度保 持性好。机床配置多种附件，铣头实现对工件的五面综合加工。机床的 X 、 Y 、 W 向均采用静压导轨，使整个机床具有抗偏载能力强、运动刚性度高、 动态响应性能好、定位精度高等特点。 24 系列定梁工作台移动工，立柱固 定在床身侧面，横梁固定在两个立柱上，整机刚性高，稳定性好。 X 、 Y 轴 采用进口重载滚柱直线导轨。主轴采用恒温冷却油润滑方式，减少轴承、 齿轮温升。 27 系列为工作台固定、龙门框架移动的定梁动柱镗铣床。机床 的 X 、 Y 向均采用多头泵结构的恒流式闭式静压导轨结构，具有抗偏载能 力、运动刚度高、动态响应性能好、定位精度高等特点。 卧式铣镗床可对工件进行钻孔、镗孔、扩孔、铰孔、锪平面、铣平面、 切槽、车螺纹等切削加工，是加工箱体类零件的关键设备。其中， TK61 系 列数控卧式镗铣床主轴轴系采用三层结构，即平旋盘主轴、空心主轴和镗 轴，镗轴采用优质氮化钢，轴系结构刚性好、精度高。 KIMI 系列实现了全 面数控化，主电机采用交流调速电机，主轴高低档无级调速，主轴准停功 能，且机床主要大件均参考高端数控机床结构设计，具备向上扩展潜力。 落地铣镗床一次装夹可完成钻、镗、铣、扩孔、铰、切沟槽及平面加 工等，广泛用于工程机械、机车车辆、矿山设置、大型电机、水轮机、船 舶、钢铁、军工、环保设备等行业的加工设备。其中 62 系列可加工坐标精 度较高的孔系及大直径孔系。 69 系列落地铣镗床、 与数控回转工作台及 AC 摆头等选配附件配合使用，能