智能制造装备产业概述

文|张容磊

纵观世界工业的发展历史，科技创新始终是推动人类社会生产生活方式产生深刻变革的重要力量。18 世纪60 年代，近代力学、热力学在理论上取得重大突破，促进了蒸汽机技术的发展和蒸汽机的广泛应用，拉开了第一次产业革命的序幕，人类步入了“蒸汽时代”。

19 世纪70 年代，由于电现象、磁现象、电磁感应现象的发现，电力技术成为科技研究的重点，导致了第二次产业革命产生，人类迈入了“电气时代”。

第二次世界大战以后，半导体物理、相对论、量子力学、计算机科学、通信科学、控制论、生物科学、智能科学和现代数学等基础理论的突破，促进了原子技术、电子技术、信息技术、能源技术、空间技术、制造技术及一系列高新技术的发展。

技术的进步推动了制造领域新一轮的产业变革，以互联网、大数据和云计算为代表的新一代信息技术与传统工业融合发展，制造业呈现出新的方向，以智能化、网络化、数字化、服务化和绿色化为核心特征的智能制造成为制造业发展的重大趋势。

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是研究制造活动中的信息感知与分析、知识表达与学习、自主决策与优化、自律执行与控制的一门综合交叉技术。

智能制造的提出是技术创新累积到一定程度的必然结果，是制造业依据其内在发展逻辑经过长时间的演变和整合逐步形成的制造模式。智能制造是集成制造、精益生产、敏捷制造、虚拟制造、数字化制造、网络化制造等多种先进制造系统和模式的综合，它通过信息物理系统（CPS），实现人、设备、产品和服务等制造要素与资源的相互识别、实时交互和信息集成，改变了制造业设计、制造、管理、服务的方式。

智能制造的应用可望降低生产加工过程对劳动者智力的依赖，完成复杂的任务，提高生产质量，节约加工成本，其灵活化、方便化和个性化的生产组织方式，也使得中小型企业在竞争中更具有优势，承担的风险更低。

智能制造装备是智能制造技术的重要载体。智能制造装备融合了先进制造技术、数字控制技术、现代传感技术以及人工智能技术，具有感知、学习、决策和执行等功能，是实现高效、高品质、节能环保和安全可靠生产的下一代制造装备。智能制造装备是传统制造产业升级改造，实现生产过程自动化、智能化、精密化和绿色化的有力工具，是培育和发展战略性新兴产业的重要支撑，也是衡量一个国家工业化水平的重要标志。

1 智能制造装备的特征

和传统的制造装备相比，智能制造装备具有对装备运行状态和环境的实时感知、处理和分析能力；根据装备运行状态变化自主规划、控制和决策能力；对故障的自诊断自修复能力；对自身性能劣化的主动分析和维护能力；参与网络集成和网络协同的能力。

1.1 自我感知能力

智能制造装备具有收集和理解工作环境信息、实时获取自身状态信息的能力。智能制造装备能够准确获取表征装备运行状态的各种信息，并对信息进行初步的理解和加工，提取主要特征成分，反映装备的工作性能。自我感知能力是整个制造系统获取信息的源头。

1.2 自主规划和决策能力

智能制造装备能够依据不同来源的信息进行分析、判断和规划自身行为。智能制造装备能根据环境和自身作业状况的信息进行实时规划和决策，并根据处理结果自行调整控制策略至最优运行方案。这种自律能力使整个制造系统具备抗干扰、自适应和容错等能力。

1.3 自学习和自维护能力

智能制造装备能够自主建立强有力的知识库和基于知识的模型，并以专家知识为基础，通过运用知识库中的知识，进行有效的推理判断，并进一步获取新的知识，更新并删除低质量知识，在系统运行过程中不断地丰富和完善知识库，通过学习使知识库不断进化，更加丰富、合理。智能制造装备能够对系统进行故障诊断、排除及修复，并依据专家知识库提供相应的解决维护方案，保持系统在正常状态下运行。这种特征使智能制造装备能够自我优化并适应各种复杂的环境。

1.4 自优化能力

相比于传统的制造装备，智能制造装备具有自我优化能力。制造装备在使用过程中不可避免地会存在损耗，传统的机器或系统的性能因此会不断退化，智能制造装备能够依据设备实时的性能，调整本身的运行状态，保证装备系统的正常运行。

1.5 容错能力

智能制造装备能够在环境异常或操作错误的情况下正常运行。在允许范围内，智能制造装备能够在一定程度上忽略并修正错误，依据产生的问题进行系统的调整和更新。智能制造装备的容错能力使得制造系统的可靠性得到了提高。

1.6 网络集成能力

智能制造装备是智能制造系统的重要组成部分，具备与整个制造系统实现网络集成和网络协同的能力。智能制造系统包括了大量功能各异的子系统，而智能制造装备是智能制造系统信息获取和任务执行的基本载体，它与其他子系统集成为一个整体，实现了整体的智能化。

2 典型智能制造装备

智能制造装备目前涉及领域众多，在各个领域中的应用和需求逐渐增多，其重要性也随着制造产业的发展逐渐凸显。现阶段几种典型的智能制造装备主要包括智能机床、智能机器人、增材制造装备、智能成型制造装备、特种智能制造装备等。

2.1 智能机床

智能机床是能够自主决策制造过程的机床。智能机床了解整个制造过程，能够监控、诊断和修复在生产过程中出现的各类偏差，为加工生产提供最优化的解决方案。能够计算并预报切削刀具、主轴、轴承和导轨的剩余寿命，提供剩余使用时间和更换时间以及当前状态。

2.2 工业机器人

智能机器人能根据环境与任务的变化，实现主动感知、自主规划、自律运动和智能操作，可用于搬运材料、零件、工具的操作机，或是为了执行不同的任务，具有可改变和可编程动作的专门系统，是一个在感知—思维—效应方面全面模拟人的机器系统。与传统的工业机器人相比，具备感知环境的能力、执行某种任务而对环境施加影响的能力和把感知与行动联系起来的能力。

2.3 增材制造装备

增材制造不采用一般意义上的模具或刀具加工零件，而是采用分层叠加法，即用CAD 造型生成STL 文件，通过分层切片等步骤进行分层处理，借助计算机控制的成型机，将一层一层的材料堆积成实体原型。不同于传统制造将多余的材料去除掉，增材制造技术可以精确地控制物料成型，提高材料利用率，能够生产传统工艺无法加工的复杂零件。

2.4 智能成型制造装备

智能成型制造装备是在铸造、焊接、塑形成型、增材制造等成型加工装备上，应用人工智能技术、数值模拟技术和信息处理技术，以一体化设计与智能化过程控制方法，取代传统材料制备与加工过程中的“试错法”设计与工艺控制方法，以实现材料组织性能的精确设计与制备加工过程的精确控制，获得最佳的材料组织性能与成型加工质量。

2.5 特种智能制造装备

特种智能制造装备是基于科学发现的新原理、新方法和专门的工艺知识，为适应超常加工尺度、精度、性能、环境等特殊条件而产生的装备，常使用于超精密加工、难加工材料加工、巨型零件加工、多工序复合加工、高能束加工、化学抛光加工等特殊加工工业。

3 产业发展的重要性

3.1 智能制造装备是衡量国家工业化水平的重要标志

装备制造业是支撑国民经济发展和国防建设的基础性产业，是各行业产业升级、技术进步的根本保障，集中体现了国家的综合实力和技术水平。智能制造装备作为高端装备制造业的重点发展方向，其产业水平已经成为当今衡量一个国家工业化水平的重要标志。智能制造装备不仅仅是海洋工程、轨道交通工程、卫星、航空航天等高端装备的基础，也是培育和发展十大战略性新兴产业发展水平的装备支撑。发展智能制造装备产业对于带动产业结构优化升级，提升生产效率、技术水平和产品质量，降低能源资源消耗，实现制造过程的自动化、智能化、精密化、绿色化发展具有重要意义。

3.2 智能制造技术是制造技术发展的必然趋势

智能制造技术是技术创新累积到一定程度的必然结果，智能化、绿色化的制造方式已经成为制造业发展的必然趋势。工业发达国家始终致力于以技术创新引领产业升级，智能制造装备的产业发展已成为世界各国竞争的焦点。

自美国提出智能制造（IM）的概念后，众多国家相继提出相应的发展计划和战略目标，关注和重视当前智能制造技术的发展与运用。如：美国的“先进制造技术发展战略”（Advanced Manufacturing Technology，1991 年）、“先进制造技术计划”（Advanced Manufacturing Technology Program，1993 年）、“敏捷制造使能技术战略发展计划”（Technologies Enabling Agile Manufacturing Strategic plan，1995 年）、“智能加工平台模拟计划”（Smart machining platform imitative，2005 年）、“先进制造业伙伴计划”（Advanced Manufacturing Partnership，2011 年）、“先进制造业国家战略计划”（A National Strategic Plan for Advanced Manufacturing，2012 年）；英国的“英国工业2050 战 略”（The future of manufacturing： a new era of opportunity and challenge for the UK，2013 年）；德国的“工业4.0”（Industry4.0，2013 年）；欧洲的“欧洲2020战略”（Europe 2020，2010 年）计划；日本的“智能制造系统（IMS）国际合作计划”（1990 年）等。这些计划的公布与实施，形成了国家层面上具有高度共识的发展蓝图，其根本出发点是为了在全球制造业新格局中获得更大的竞争优势。

我国于20 世纪80 年代末将“智能模拟”列入国家科技发展规划的主要课题，自1993 年起，国家自然科学基金委员会每年资助智能制造相关研究项目，“九五”计划中将“先进制造技术”（包括IMT 和IMS）作为重点发展领域之一。在《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》（2010 年10 月）、《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》（2011 年3 月）以及《中国制造2025》（2015 年5 月）等国家规划和指导战略内，均明确指出智能制造是高端装备制造业的重点方向之一，关系到国家的经济发展潜力和未来发展空间。

3.3 智能制造装备是社会生产力发展的内在需求

当今企业处于一个瞬息多变的市场环境中，市场的需求和国际化的竞争环境对制造产业提出了更高的要求，社会需求的转变也使得产品的生产模式从大批量、规模化的生产模式转向小批量、定制化单件产品的生产模式。企业必须从产品的时间、质量、成本、服务和环保等方面考虑，来提高自身的竞争力，以快速响应市场频繁的变化，因此要求企业的制造装备应表现出更高的灵活性和智能性。过去人们对制造技术的注意力主要偏重于制造过程的自动化，自动化程度的提高极大地解放了生产过程中的体力劳动，但脑力劳动的自动化程度（即决策自动化程度）却难以满足生产要求。制造过程中各种问题的最终决策或解决，在很大程度上依然依赖于决策者的智慧，随着市场竞争的加剧和信息量的增加，这种依赖程度将越来越大，进行决策的难度也越来越高。另一方面，专业人才的匮乏导致部分技术人员对出现的问题很难进行准确的决策。因此未来的制造系统需要具有智能加工信息的能力，通过智能制造系统和智能制造装备，减少制造过程对人类智慧的依赖，解决人才供应的矛盾。