智能制造装备的现状与发展

□ 张文毓

中国船舶集团有限公司第七二五研究所 河南洛阳 471023

1 智能制造装备概述

具有预测、感知、分析、决策等功能的各种类型制造装备统称为智能制造装备。智能制造装备是在将装备数控化作为基础的前提条件下,提出的一种更为先进,能使生产相关工作效率及生产精准程度得到一定程度提升的装备。智能制造装备是先进装备的核心,已经逐渐演变为世界范围内各个国家竞争的目标。作为高端装备制造业的重点发展方向和信息化工业化有机融合的具体表现,智能制造装备在提升制造业转型升级速度、生产效率及产品质量水平过程中所起到的作用是十分明显的,并且也在制造业朝智能化和绿色化方向转变过程中发挥着推动性作用[1]。

智能制造装备是对传统制造业的升级改造,是实现生产过程智能化、自动化、精密化、绿色化的基本工具,也是实现生产过程和产品使用过程节能减排的重要手段。目前,智能制造装备产业的发展水平已经成为衡量一个国家从制造大国向制造强国转变的重要标志。对于国防制造领域而言,智能制造装备可以更有效和更经济地实现飞机、坦克、装甲车辆、导弹、舰船等普通数控装备难以实现的超常规制造任务,是保障当前及未来武器装备研制生产能力的重要基础[2]。

2015年5月8日,国务院正式公布中国制造2025计划,将智能制造作为主攻目标,以创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本为基本方针,坚持市场主导、政府引导,立足当前、着眼长远,整体推进、重点突破,自主发展、开放合作的基本原则,推进两化深度融合,提升我国制造业国际化发展水平。中国制造2025计划通过三步走来实现成为制造强国的战略目标。第一步,到2025年迈入世界制造强国行列。第二步,到2035年制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。第三步,到2050年制造业大国的地位更加巩固,综合实力进入世界制造强国的前列[3]。

2 智能制造技术

智能制造体系基于新一代信息技术,贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节,是先进制造过程、系统、模式的总称。智能制造过程通过自动化装备及通信技术实现生产自动化,能够通过各类数据采集技术,应用通信互联手段,将数据连接至智能控制系统,并将数据应用于企业统一管理控制平台,从而提供最优化的生产方案、协同制造和设计、个性化定制,最终实现智能化生产。

智能制造发展需要经历自动化、信息化、互联化、智能化四个阶段,每一个阶段对应智能制造体系中的某一个核心环节。智能制造技术的显著特点主要包括三个方面:① 将数字技术、智能技术、网络技术融为一体;② 制造产品的过程具有智能化特点,对产品制造数量、管理等多方面实时监控;③ 制造出的产品具有高质量和使用方便的特点。

3 智能制造装备特征

与传统制造装备相比,智能制造装备具有对装备运行状态和环境实时感知、处理、分析的能力。根据装备运行状态变化,具备自主规划、控制、决策的能力。智能制造装备对故障具备自诊断自修复能力,对自身性能劣化具备主动分析和维护能力,具备参与网络集成和网络协同能力,还具备自我感知能力、自主规划和决策能力、自学习和自维护能力、自优化能力、容错能力、网络集成能力等。

智能制造装备可应用于计算机智能系统、智能机床、智能机器人、虚拟现实智能技术、自动化智能制造、高智能机器装备、增材制造装备等[4]。

4 国外研究现状

4.1 美国

美国智能制造装备产业采用研发与生产-出口-进口的发展模式。跨国公司是装备制造业发展的主体,美国政府大力支持跨国公司。美国新兴装备制造业正逐步成为推动社会发展的主导力量。

美国是智能制造概念的发源地,美国政府十分重视对智能制造设备的发展和研究,美国政府认为,智能制造是可以帮助美国在制造科技领域取得领先地位的重要手段之一。自20世纪末以来,美国政府在智能制造设备领域投入了大量研究资金,还开设了许多与智能制造设备相关的研究项目,例如智能设计和智能物流传输等[5]。

4.2 日本

日本智能制造装备产业采用进口-国内生产-出口的发展模式。日本政府实行了合理有效的产业政策,但是日本装备制造业目前面临优势弱化的风险。

在对智能制造装备的研究过程中,日本能够与其它智能制造装备研究水平较高的国家共同努力,填补彼此的缺点,同时填补在智能制造设备行业发展中的空白。通过合作和谦虚的态度,日本已迅速改善了智能制造产业,达到全球先进水平。20世纪末,日本开始积极与美国、澳大利亚及其它国家沟通并联合研究,以解决当时日本在生产系统和计算机控制系统方面存在的缺陷。日本将美国、澳大利亚及其它国家的先进技术与日本的实际研究状况相结合,开发了一些高效的生产系统。

4.3 德国

德国智能制造装备产业采用以人为本理念、德国制造品牌、创新实力驱动的发展模式[6]。

德国是欧盟中制造业最强的国家,对欧盟智能制造设备水平的研究与分析主要就是对德国智能制造设备水平的研究与分析。现阶段,德国在智能制造装备发展方面处于有利地位。2010年,德国与其它欧盟国家共同启动了第七框架计划,德国将此计划称为工业4.0计划。在这一计划中,其它欧盟国家将德国作为生产行业的领导者,投资大量资金用于研究智能生产设备,至今德国已投资2亿欧元。德国能否在科学技术上处于领先地位,与工业4.0计划密切相关。针对当前的发展状况,德国已将工业4.0计划更新为国家战略目标。

4.4 小结

自信息技术问世以来,智能制造装备使工业生产又经历了一次全新的革命。一方面,美国作为计算机的发源地,科技水平和制造工艺均处于国际领先地位,智能化的思想也最早起源于美国,因此美国发展较快。作为超级大国,美国在智能化和创新方面一直处于世界领军地位,智能手机、物联网、最早的数控机床,以及多功能、自动化传感器都来源于美国。另一方面,智能化的发展逐步加深,从一开始的机床生产自动化到全自动生产流水线,生产过程日渐简洁方便。智能元件和数字电子技术的普及使智能制造装备产业体系日趋完善,生产线不仅可以有序地完成生产任务,还可以对外部情况做出分析和判断。当有故障出现时,还可以做出决策和处理,比如终止生产任务或将个别有问题的部件重新生产。工业机器人的出现是技术上的一个革新,基本解放了人类生产力。机器人作为劳动力,与人类相比,在劳动时间、劳动强度等方面都有更大的优势。在工业机器人领域,欧洲、美国和日本处于领先地位。为了提高生产效率和创造更大收益,世界各国都陆续出台相关政策来推动制造装备产业智能化进程,使产业的发展有了法律保障。2010年,美国出台制造业促进法案,同年欧盟开始实施IMS2020计划和第八框架计划,均对相关产业的发展提供了大力支持。在欧盟,德国提出的工业4.0计划尤其明确,是欧盟智能制造的领军者,计划的核心是利用信息通信及物联网技术实现制造装备工业的智能化。通过实行工业4.0计划,德国已经在新一轮的工业革命中占得了先机,制造工业领域的竞争力显著提高。目前在智能制造企业中,最多的是德国和美国企业,其次是日本企业。

5 国内研究现状

中国虽然是制造大国,但在技术上与先进国家相比还有一定差距。智能化的核心技术在国内有一定发展,但还没有达到德美等发达国家的水平。在信息技术和网络飞速发展的背景下,智能制造装备产业在中国同样受到前所未有的重视。随着中国制造2025计划和智能制造发展规划等出台,高端装备制造业发展的核心逐渐聚焦于智能制造装备。近几年来,中国的网络覆盖面积越来越广,4G网络几乎已经全面覆盖。网络和计算机的发展是智能化得以实现的前提条件,这两个问题在中国已经基本得到解决,最关键的是创新与融合。以智能手机和大数据计算机为例,中国仅承担生产任务,核心的芯片和设计技术依然由欧美国家掌握。如果想要使用相关产品,需要高价购买,而制造业所得的利润与技术拥有者相比十分微薄,由此可见,创新势在必行。工业机器人在中国起步于20世纪70年代初期,863计划开始实施后,智能机器人的研究取得了重大突破。进入21世纪后,中国研制出了一大批具有特殊功能的机器人,可以进行焊接、搬运、切割、喷漆、打捞等工作。虽然中国的机器人产业在不断进步,但是与国际先进水平相比还有明显差距,这决定中国自行生产的机器人在精密工作的场合存在不足,比如手术机器人等。目前,中国市场对机器人的需求比较大,必须加大投资发展机器人。在中国推进制造装备行业智能化的进程中,应借鉴美国、德国、日本等发达国家的经验,大力发展物理信息技术,以实现关键技术的突破和核心领域的创新[7]。

6 应用进展

虽然中国目前已经成为制造业大国,但是大而不强依然是中国制造业发展的主要问题。在高端装备领域,中国80%的集成电路芯片制造装备、40%的大型石化装备、70%的汽车制造关键设备及先进集约化农业装备仍然依靠进口。

智能制造中的核心技术包括实时化定位技术、识别技术、信息物理化融合技术、系统协同化技术、网络安全信息技术等。依据装备制造行业的制造特点与要求,装备制造行业的核心制造技术基本上可以划分为三类,即信息物理系统技术、数字线索科学技术、人工智能增强技术。从简单层面来分析,信息物理系统技术属于智能制造综合系统中的一项核心技术,可以实时化感知与分析各种状态信息,在此基础上实现自主性决策,并做出相应精准动作,再依据操作过程与结果反馈等,为系统提供自主学习提升功能。数字线索科学技术基于信息传递,属于系统软件、模型等一体化的全寿命周期性管理架构,可以实现信息数据与知识的无缝连接。人工智能增强技术基于数字线索科学技术,借助分解、细化各种复杂系统及操作过程,有效辅助增强人工对于整个系统运行过程的理解及掌握能力,确保准确高效地执行各种复杂任务[8]。

6.1 汽车电子智能制造技术

展望未来,汽车电子制造技术在自动化、集成化、信息化的基础上,将进一步向高度智能化升级。高度智能化的汽车电子制造技术可以通过规模化生产效益实现汽车电子产品个性化生产的需求,通过先进制造技术与人工智能、虚拟现实、大数据、云计算等信息技术的融合,利用数据采集、工况自适应控制、大数据与机器学习、机器视觉等关键技术,具有感知、分析、推理、决策、控制、学习、互联等特征。新一代汽车电子智能制造生产线不仅可以实现减人提效、降本高质的要求,而且支持设备在线检测、设备状况监控、产品质量大数据分析、设备运行大数据统计等功能。

汽车电子智能制造技术从早期的自动化升级到集成化、柔性化、信息化、高度智能化,是打造汽车产业链核心竞争力的关键要素,也是汽车产业价值链的重要环节。汽车电子智能制造将为实现汽车由简单代步工具向人类智能伙伴转变提供核心支撑,不仅仅是先进技术和系统的应用,更是生产模式和工业理念的转变,这些转变将促进汽车电子制造乃至汽车工业发展,并产生深远影响[9]。

6.2 轨道交通装备行业智能化发展

中国提出利用10 a时间,形成较为完备的智能制造设备体系,满足国民经济建设需求,实现智能制造设备的自动化,大幅度提高企业生产效率及产品质量,缩短产品开发周期,降低资源消耗。根据中国轨道交通装备行业的发展现状,建议中国高铁装备行业朝智能化方向发展,并且从标准化、精益化、产品智能服务化、供应链可视化、经营全球化、信息安全体系化等方面进行进一步的探索和深入的发展,为实现中国轨道交通装备行业的快速发展奠定良好的基础。

新一代智能制造是一个大系统,主要由智能产品、智能生产、智能服务三大功能系统,以及智能制造云、工业智联网两大支撑系统集合而成。新一代智能产品有三方面需求。第一是传感技术,产品需要能够感受外部的变化情况,或者能够整合产品内部的数据。第二是计算技术,包括产品自身的操作系统,以及产品使用的各种应用系统。第三是联网技术,随着全球物联网的发展,产品可能具有雾计算、边缘计算、云计算相连接的功能。铁路装备领域需要从以上三个方面加强技术创新,突破关键技术,依托于传感器、工业软件、网络通信、新型人机交互,实现人、设备、产品等制造要素和资源的相互识别、实时联通、有效交流,促进铁路装备行业建设、管理、服务与工业物联网、人工智能、大数据、云计算的紧密结合,推动制造方式的柔性化、绿色化、网络化,从而不断充实、提升铁路装备行业的竞争能力。目前,智能制造技术在铁路装备制造领域已经得到越来越多的应用[10]。

6.3 信息物理系统技术

信息物理系统技术属于集物理实体、网络、计算等为一体的复杂性系统,通过有效融合通信、计算机、控制技术及深度化协作,配合人机交互接口来实现与物理进程之间的交互,确保网络电磁空间能够基于智能化、协作、安全、实时化、可靠、远程化方式操控物理实体。信息物理系统技术基本架构包含认知层、连接层、配置层、网络层、转换层。在能力架构方面,主要包含资源集成、数据增值、智能化分析、资源调配等能力。应用框架主要包含装备数字化与自监测、工厂自配置与自决策、工厂网络化等。能力架构与应用架构两者存在着相互作用关系。

6.4 人工智能增强技术

智能制造中的人工智能技术在装备制造业中应用,能够对复杂和枯燥等工作环境下难以实现的制造目标进行调整,通过运用综合性技术来提高操作水平与效率。人工智能增强技术主要以虚拟现实科技为基础,通过增强现实技术与虚拟现实技术的应用,作用于感知、数据、信息分析,以及综合对比和决策执行,为装备制造业核心目标的实现提供有效保障。人工智能增强技术的功能主要是将人工和智能两个领域的技术综合融入与连接,强化数据与信息分析能力,帮助制造业更好地决策与执行。这一技术在创新与应用中被赋予较高的权利,并且在实际运行中展露头角,发挥出较高的功能与作用,被制造业支持和认可。

6.5 数字线索科学技术

智能制造是一个复杂性和综合性的运行系统,所涉及的每一环节和过程都相互连接。其中,数字线索科学技术主要依托产品寿命周期,进行综合性管理与控制。这一技术基于建模和仿真设备,结合产品实际,构建相应的操作体系,通过实际数据传输,分析产品寿命周期,以此综合匹配数据和信息,为系统运行及产品寿命周期构建基础模型。这一技术依托信息和网络技术,将数据信息和工程认知技术、无缝衔接交互等进行有效融合,满足当前装备制造业对产品风险、成本、设计、生产进度的控制,通过实时监控进行全面评估,以此为装备制造业的制造和生产提供综合性数据与信息。数字线索科学技术还能够通过数字系统,从设计、分析、物理化、综合数字制造等方面全面构建新型生产模型,提供真实、可靠的数据与信息,从而对生命周期数据基础模型的构建起到促进作用[11]。

在中国经济发展的新形势下,工业部门不断进行产业结构升级换代,从而使数控技术在智能制造业中的需求不断上升,智能自动化工业市场异常繁荣。由此,提高数控技术已经迫在眉睫。目前,数控技术无论是在数控机床加工方面,还是在智能机器人方面,自身已相对成熟,应用范围逐步扩大,遍及多个领域。另一方面,中国还坚持生产属于自己的智能控制核心技术,不再依赖于国外技术,由此提升中国数控技术的发展水平。

从中国当前的工业生产来看,发展的大趋势就是智能制造,这样使工业生产实现智能化管理,提高加工生产的质量和效率。数控技术作为智能制造的一个关键因素,应用水平在很大程度上影响智能制造的质量。所以,必须对数控技术进行合理应用,发挥功能优势,确保推动智能制造朝着更好的方向发展,力求提高智能制造的整体质量,同时为企业创造出经济效益[12]。

7 发展趋势

智能化是未来发展的趋势,人工智能技术的发展将会攻克许多难关,克服关键领域的瓶颈,最终形成完整的、体系化的智能生产装备行业。如今,各种智能产品层出不穷,为人们的日常生活提供了极大便利。智能穿戴设备可以用于检测患者的身体状态,从而避免抢救不及时所带来的伤亡。智能家居的发展为家庭生活带来了更高的舒适度。智能工厂、智能汽车等也已经开始普及。在未来,集信息技术、电子技术、物理技术等于一体的智能制造装备产业将会迅速发展,并引导传统制造业朝节能和高效的方向发展,提高劳动生产率和经济收益。

7.1 美国工业互联网装备

美国智能制造设备的发展促进了工业互联网装备制造系统的研究和建立。2013年,美国发布了有关智能制造装备开发的文件,阐明了工业互联网的概念。工业化发展涉及机器、互联网系统和装备问题,工业互联网将这三个因素结合在一起,可以促进绿色、节能、高效的工业生产。随着工业革命的发展,世界的制造工艺水平发展迅速,互联网的出现加速了信息的传播,促进了世界融合。工业互联网融合了工业革命和网络技术的优势,使工业制造业继续朝着数字化和智能化的方向发展。

7.2 德国工业4.0计划

德国工业4.0计划主要使用信息物理系统,可以将德国智能制造装备行业从集中式生产转变为分散式生产。工业4.0计划最终要建立一个数字化和智能化制造模型,能够进一步促进德国传统制造业向现代智能产业转变。工业4.0计划的关键是信息物理系统,信息物理系统将通信、计算机、物理整合为一体,可以有效提高制造业的生产效率,也可以保证系统的安全性。确定工业4.0计划的发展路线,对促进德国智能制造业的发展方向起到了积极的推动作用。

7.3 中国智能制造

中国已意识到与其它国家先进智能制造之间的差距及制造业的重要性,近年来在智能制造行业的投资不断增加。随着中国智能制造产业研究的不断深入,以及中国对德国和美国发展经验的总结,中国结合基本国情,确定了未来智能制造产业发展的五个目标,即集成化、定制化、信息化、数字化、绿色化。集成化指在制造过程中建立制造模型,并提高制造效率。定制化指向个性化和扁平化方向发展智能制造。信息化和数字化指在实际开发中采用网络技术、传感器技术等先进技术。绿色化指减少制造过程中产生的污染,实现中国资源的可持续发展。

8 结束语

装备制造业是制造业的核心和支柱,高度发达的装备制造业是实现工业智能化的必要条件,也是一个国家技术水平和综合国力的集中体现。以智能制造带动装备制造业智能化升级,再以装备制造业智能改造来推动智能制造在全行业的普及,可以更好地实现制造强国梦。在制造工艺水平和信息技术高速发展的条件下,智能制造装备产业必将蓬勃发展,未来智能化水平、自动化程度都将达到新的高度。中国对于智能制造装备不断加大投资和研究力度,将促进中国智能制造装备产业的不断发展。