1、智能制造与数字化工厂 2014年 9月 张国军 博士、长江学者特聘教授 广西自治区 2014年两化融合干部高级培训班 提 纲 一、智能制造的背景、特征与关键技术 二、 RFID在智能制造中的应用模式 三、智能制造解决方案及应用案例 四、数字化工厂及应用案例 五、相关工作基础 3 制造技术发展趋势 个性化 绿色化 制造需求： 多品种多批量、高质量低成本、柔性制造快速响应、节能减排环境友好等 满足客户 个性化 需求 全价值链端到端系统工程 提高能源 利用 效率，实现工业生产“绿色环保” 绿色制造 实现多品种产品生产的动态配置资源 定制化 制造技术的发展需求和趋势 4 1 能源和资源利用效率 是竞争
2、力的决定性因素 更短的创新周期 更为复杂的产品 更大的数据量 个性化大规模生产 快速变化的市场 更高的生产效率 提升效率 提升竞争力 制造业变化的速度比以往更快 2 3 缩短生产周期 提高柔性 制造业核心竞争力正在发生深刻变化 5 美国 德国 中国 “再工业化” 国家制造技术创新联盟 使用本国页岩气和石油 保持工业领先地位 持续创新机制 高出口量 工业 4.0为新的指导原则 发展高端技术实现产品升级 工资上涨 质量驱动的自动化需求 节能立法 制造业成为全球经济发展的发动机 6 2015年中国长三角地区的制造成本仅比美国低 5% 中国的制造业在发生巨大变革 7 产业升级压力 劳动力成本上升 中国
3、制造业机遇：发展先进制造技术，实现产业升级 能耗排放压力 哥本哈根中国减排目标 低附加值 高附加值 中国的挑战和机遇 蒸汽机、电动机曾给机械产品的发展带来革命 数字化：信息化与工业化融合的重要手段 智能化：装备和机械产品的发展趋势 蒸汽机的发明，机器动力的应用 电动机的发明，电能的应用 信息技术特别是数控技术的应用 智能技术的应用，自适应、自我决策 机械一代 蒸汽机 机械化 智能一代 数控一代 电气一代 普通机床 电气化 数控机床 数字化 智能机床 智能化 制 造业发展的几个主要阶段 第四次工业革命：智能制造 第一次工业革命 蒸汽动力机械 设备应用于生产 第二次工业革命 电机发明和电能使用，大
4、规模流水线生产 第三次工业革命 应用 IT技术实现 自动化生产 第四次工业革命 实现智能制造 什么叫智能制造 智能制造 高品质制造 几何精度 微观组织性能 表面完整性 残余应力分布 品质一致性 智能制造通过 工况在线 感知 （ 看 ） 、 智能决策与控制 （ 想 ） 、 装备自律 执行 （ 做 ） 大 闭环过程 ， 不断提升装备性能 、 增强自适应能力 ， 是高品质复杂零件制造的必然选择 。 国家对智能制造的重视 国家中长期科技术发展规划纲要对 “ 数字化智能化制造技术 ” 提出了迫切需求： 国家科技部发布 智能制造科技发展 “ 十二五 ” 重点专项规划 ， 重点突破智能化的高端装备 国家工信
5、部发布了 智能制造装备产业“ 十二五 ” 发展规划 ， 并启动了智能制造装备重大专项 大飞机 、 发动机等重大科技专项中 ， 2/3的重大专项急需智能制造装备与技术 国家中长期科学和技术发展 规划纲要 (2006-2020) “ 十二五 ” 国家战略性新兴产业 发展规划 国家科技重大专项（ 02专项） 极大规模集成电路制造装备 及成套工艺 国家科技重大专项（ 04专项） 高档数控机床数字化设计关键技术 与工具集研发及典型产品应用 国家智能制造装备重大专项 智能制造关键技术、数字化车间示范应用、智能制造系统等 重点研究数字化设计制造集成技术 做大做强数字制造装备，促进制造业 智能化、精密化、绿色
6、化发展 In its report Ensuring American Leadership in Advanced Manufacturing, in June 2011 国际对智能制造的重视 智能制造作为先进的制造科学与技术手段 ， 已成为各国抢占制造科技制高点的重点研究领域： 奥巴马总统 2011年启动 “ 高端制造合作伙伴 （ AMP） 计划 ” ，企业 /高校共同实施 ， 将智能制造确定为美国夺回制造业霸主的三大重点领域之一 (美国科技委员会制造研发报告 ) 美欧日等发达国家：将智能制造列为支撑未来可持续制造的重要科学技术 (IMS2020 Roadmap) 13 智能制造的基本特征
7、 13 1) 信息驱动 采集产品制造的各类数据、知识、图形、图像等信息，实现生产过程系统的预报、评价、调度、控制、监控、诊断、决策和优化等。 2) 自治能力 采用分层或分级的自治单元，通过协调机制对其自身的操作行为做出规划，对意外事件（如制造资源变化、制造任务货物要求变化等）做出反应，实现行为可控。 14 智能制造的基本特征 14 3)人机协同 实现人和系统的协同交互，辅助人类进行分析、判断、决策；人机之间平等共事、相互“理解”、相互协作。 4) 自组织与柔性 根据获取的市场、设计和过程信息，制造单元和系统自行组成一种最佳结构的智能制造系统，以高效可靠的方式运行，完成给定的制造任务。 15 智
8、能制造的基本特征 15 5) 自学习能力 以专家知识为基础，不断完善、优化、更新系统的知识库；通过感知环境状态来学习动态系统的最优行为策略，实现环境自适应、在线学习等能力。 6) 自维护能力 对系统的故障进行诊断、预测和自修复，自动更新系统知识库、维护单元设备；对系统的整体运行状况进行评估，及时发现并解决问题。 16 智能制造关键技术 16 综合利用智能传感技术、计算机网络技术、自动控制技术、人工智能技术、现代管理技术，实现工厂生产自动化、网络化、数字化和智能化，其关键技术有： 智能传感与智能制造网络技术 分布制造智能与系统建模技术 信息管理、集成与数据挖掘技术 智能决策、规划、调度与企业管理
9、技术 现代制造服务技术 智能制造体系结构 企 业 制 造制 造 系 统装 备 / 工 艺生 产 管 理服 务C A D / C A E / C A MP D M / E R P / S C M 销 售 / 维 护 / 报 废智 能 装 备 感 知 自 主 /半 自 主决 策 规 划 智 能 控 制 系 统 结 构 可 重 构 系 统 运 行 自 组 织 、自 适 应 、 自 协 作智 能 制 造 系 统 客 户 信 息 感 知 与 管 理 客 户 需 求 智 能 分 析 与个 性 化 服 务智 能 制 造 服 务制 造 智 能伺服驱动系统 数控技术的应用引起机械产品本身内涵发生根本性变化 简化
10、机械结构 缩短制造周期 提高制造精度 提升装备性能 齿轮箱 动力源 传动机构 工作装置 伺服驱动系统 控制系统 工作装置 输入 信息 信息反馈 传统机械产品 数控机械产品 制 造装 备智能化的基础 1、平台全数字化 现场总线、码盘到伺服的连接、驱动单元等全数字化 高档系统普遍采用现场总线方式 2、高速、高精、高可靠 先进数控机床加速度可达 10g，快移速度达 720m/min 普通数控加工精度 5m，精密级 1m，超精密 0.01m 数控装置 MTBF值达 60000h以上，伺服系统达 30000h 3、智能化、网络化、复合化 加工参数自调整、防碰撞、误差补偿、颤振预测抑制等 从单一的数据传输
11、向网络监控、维护与管理方向发展 同时完成复杂零件的主要乃至全部加工工序 现场总线 高速纳米插补 加工参数自动调整 制造装备智能化 的内涵 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 操作权限 指纹确认 加工任务完成情况和 机床状态可用手机查询 数码相机 信息塔 (e-Tower) 机床信息化 ， 具有语音、 文本和视像等通讯功能。 与生产计划调度系统联网 ， 实时反映机床工作状态和加工进度 操作权限指纹确认 。 工件试切时 ， 可在屏幕上观察加工过程 。 故障报警显示 、 在
12、线帮助排除 。 智能化与自主管理 智能化制造装备 国内外进 展 知 道本系统的加工能力和状态 能 够监控和自主优化加工过程 能 够自行度量工作（输出）的质量 能 够不断持续学习和提高自己的能力 智能化与自主管理 智能通讯 单元 智能化制造装备 国内外进展 提 纲 一、智能制造的背景、特征与关键技术 二、 RFID在智能制造中的应用模式 三、智能制造解决方案及应用案例 四、数字化工厂及应用案例 五、相关工作基础 RFID在智能制造中的应用模式 适应复杂工况 ：防雨水、抗污渍、抗油污、可喷涂 读写方便快捷 ：可读可写， “盲视”“透视”扫描 批量操作 ：批量读 /写、远距离读写 读识性能可靠 ：一
13、次性“盲扫”，识别可靠性达 99.8%以上 RFID（ Radio Frequency Identification） 是一种 非接触式 的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据 。 RFID系统组成 RFID工作原理 电子标签 读写器天线射频信号 企业业务应用 RFID中间件 读写器 读写器天线 扩展企业网络 RFID在智能制造中的应用模式 容器 刀具 TAG 托盘 夹具 ID RFID标签 工装板 加工零件 智能制造在 AGV搬运机器人上的应用 应用说明： 在 AGV小车需要判别转向信息的部分设置 RFID感应标签。 AGV搬运机器人底部安装 RFID读写设备，通过识别
14、 AGV车路径上的 RFID标签，获取不同路径转向点的转向和报站信息 通过 RFID系统和 AGV车载控制系统以及驱动系统实现 AGV小车更加智能化的运行 应用效果： 实现 AGV小车路径柔性化，提高运转效率，更具备路径适应性和制造流程适应性，能与 MES、 ERP系统无缝对接。 智能制造在码垛机器人上的应用 应用说明： 在自动立库的出入口、码垛机器人、转向机构等位置部署 RFID读写器 在自动立库中的托盘（载具）上固定 RFID电子标签 在运转过程中通过识别 RFID标签的信息，加载产品或物料信息 将 RFID信息传递给码垛机器人实现全自动出库、入库、分配位置等动作 应用效果：实现自动化立库
15、的自识别功能，能够实现随机快速分配仓位，实现自由调仓等功能，提高自动化立库的运转效率，降低出错率 智能制造在烟草业中的应用 作为烟草生产管理信息系统的一部分， SYGOLE-RFID用于在自动化仓库和管理系统中追踪和管理生产，质量信息。目标是实现质量和物料的控制。 烟棒过滤嘴自动仓库的 RFID 仓库容器传送机 堆垛机 Sygole 智能制造在数控加工中心辅助机器人应用 应用说明： 给每一个工件安装一个 RFID标签，需具备 抗金属 、抗油污、高防护等级性能； 通过机器人自动抓取，实现在工件仓库、机床环节之间的自动加工和流转； 机器人安装 RFID读写设备，通过读取工件的 RFID标签，识别不
16、同工件的加工工艺和位置参数等信息。 应用效果： 通过七轴关节机器人，配备一个拥有数百个托盘位的自动化电极仓库，将放电加工、高速铣削等多个加工流程可靠连接起来，提高数控设备稼动率30%以上 智能制造在线测量机器人的应用 29 应用说明： 在电极夹具上装载 RFID标签，让每一个夹具都有唯一标识 在测量设备上安装读写装置，让每台设备具有智能感知功能 设备读取标签信息后，能够自动进行误差测量、型面测量并形成检测报告 应用效果： （ 1）提高了测量的效率 20% （ 2）实现了测量目标体和测量指标的自识别，提高设备利用率 18% （ 3）减少人工错误，提高准确率 10% 电极数据库读 写 器 读 取 电 极 标 签 编 码Q C测量电极偏移量X 、 Y 值 传 递 至 上 位 机 软 件标 签编 码传 递至 上位 机软 件向 标 签 内 写 入X 、 Y 偏移 量 值向 数 据 库 写 入X 、 Y 偏 移 量 值汽车喷涂中的智能制造技术 SYGOLE 在汽车车身装 RFID远距离电子标签 在汽车车身侧边或顶部部署RFID读写器，同时将读写器和喷涂机器人实现联动通讯 汽车通过时， RFID将识别的信息传输给机器人，机器人通过对信息的识别加载不同的喷涂参数，实现自动化混流喷涂 应用效果： 通过对机器人识别技术的改造，使得汽车喷涂具备混流自动化的特征，提高了喷涂效率，提高了整车生产效率。
