引言

　　智能制造裝備是具有預(yù)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(shù)控化基礎(chǔ)上提出的一種更先進(jìn)、更能提高生產(chǎn)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(chǔ)，已成為當(dāng)今工業(yè)先進(jìn)國家的競爭目標(biāo)。作為高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)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(chǎn)業(yè)對于加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升生產(chǎn)效率、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源資源消耗，實(shí)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(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述智能制造裝備的內(nèi)涵和發(fā)展重點(diǎn)。

　　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(jīng)把它作為21世紀(jì)占領(lǐng)世界制造技術(shù)地位的基石。從上世紀(jì)90年代開始，美國國家科學(xué)基金(NSF)就著重資助有關(guān)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(shè)計、物流傳輸?shù)闹悄茏詣踊取?005年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)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(shí)質(zhì)是智能化，該系統(tǒng)的主要目標(biāo)和研究內(nèi)容包括：

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

　　(2)設(shè)備特征化。即開發(fā)特征化的測量方法、模型和標(biāo)準(zhǔn)，并在運(yùn)行狀態(tài)下對機(jī)床性能進(jìn)行測量和通信；

　　(3)下一代數(shù)控系統(tǒng)。即與STEP-NC兼容的接口和數(shù)據(jù)格式，使基于模型的機(jī)器控制能夠無縫運(yùn)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(shí)施包括工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的“Advanced Manufacturing Partnership Plan”(先進(jìn)制造聯(lián)盟計劃)，立即得到同日發(fā)布的“實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)智能制造”新報告的積極響應(yīng)。在這份由美國智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟(smart manufacturing leadership coalition，SMLC)公布的報告中，不但描繪了該領(lǐng)域未來的發(fā)展藍(lán)圖，而且確定了十大優(yōu)先行動目標(biāo)，意圖通過采用21世紀(jì)的數(shù)字信息技術(shù)和自動化技術(shù)，加快對20世紀(jì)的工廠進(jìn)行現(xiàn)代化改造過程，以改變以往的制造方式，借此獲得經(jīng)濟(jì)、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(mào)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(jī)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(shù)與歐盟的精密工程技術(shù)、美國的系統(tǒng)技術(shù)充分地結(jié)合起來，開發(fā)出能使人和智能設(shè)備都不受生產(chǎn)操作和國界限制，且能彼此合作的高技術(shù)生產(chǎn)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(qiáng)國的德國，繼實(shí)施智能工廠(Smart factory)之后，又啟動了一個投入達(dá)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(shù)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(guān)鍵工業(yè)技術(shù)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(xué)術(shù)界和產(chǎn)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(diào)整和振興規(guī)劃》出臺以來，國家對智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的政策支持力度不斷加大，2012年國家有關(guān)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展輪廓得到進(jìn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)培育成為具有國際競爭力的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。科學(xué)技術(shù)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(shí)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(chǎn)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(diǎn)領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)制造過程智能化為目標(biāo)，以突破九大關(guān)鍵智能基礎(chǔ)共性技術(shù)為支撐，其思路是：以推進(jìn)八項智能測控裝置與部件的研發(fā)和產(chǎn)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(diǎn)，促進(jìn)在國民經(jīng)濟(jì)六大重點(diǎn)領(lǐng)域的示范應(yīng)用推廣。

　　2、智能制造裝備的內(nèi)涵與發(fā)展重點(diǎn)

　　2.1智能制造裝備的內(nèi)涵

　　智能制造裝備是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進(jìn)行智能活動，如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機(jī)器的合作共事，去擴(kuò)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(jī)和諧系統(tǒng)向以機(jī)器為主體的自主運(yùn)行方向轉(zhuǎn)變。

　　2.2智能制造裝備的發(fā)展重點(diǎn)

　　根據(jù)工業(yè)和信息化部制定和發(fā)布的《智能制造裝備產(chǎn)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(diǎn)為：

　　(1)九大關(guān)鍵智能基礎(chǔ)共性技術(shù)，包括：① 新型傳感技術(shù)；② 模塊化、嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計；③ 先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)；④ 系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)；⑤ 故障診斷與健康維護(hù)技術(shù)；⑥ 高可靠實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；⑦功能安全技術(shù)；⑧ 特種工藝與精密制造技術(shù)；⑨識別技術(shù)。

　　(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(jī)器人與專用機(jī)器人；⑥ 精密傳動裝置；⑦ 伺服控制機(jī)構(gòu)；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(shè)備集成；② 冶金智能成套設(shè)備集成；③ 智能化成形和加工成套設(shè)備集成；④ 自動化物流成套設(shè)備集成；⑤ 建材制造成套設(shè)備集成；⑥ 智能化食品制造生產(chǎn)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(diǎn)應(yīng)用示范推廣領(lǐng)域，包括：① 電力領(lǐng)域；② 節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域；③ 農(nóng)業(yè)裝備領(lǐng)域；④ 資源開采領(lǐng)域；⑤ 國防軍工領(lǐng)域；⑥ 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域。

　　3、智能制造裝備發(fā)展趨勢

　　當(dāng)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(wǎng)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(shí)現(xiàn)由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，推動現(xiàn)有制造業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型。CPS是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C(Computation、Communication、Control)技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)制造裝備系統(tǒng)的實(shí)時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS實(shí)現(xiàn)計算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時協(xié)同。德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會于2013年發(fā)布了德國首個“工業(yè)4.0”標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，以加強(qiáng)德國作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)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(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)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(chǎn)。主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。當(dāng)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(wǎng)裝備

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

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備將整合兩大革命性轉(zhuǎn)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(shù)臺機(jī)器、設(shè)備、機(jī)組和工作站；

　　(2)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)革命；

　　(3)在網(wǎng)絡(luò)化的影響下，計算、信息與通訊系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)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(wǎng)裝備，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要素圖如圖2所示。

圖 2  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵元素

　　(1)智能機(jī)器。以嶄新的方法將現(xiàn)實(shí)世界中的機(jī)器、設(shè)備、團(tuán)隊和網(wǎng)絡(luò)通過先進(jìn)的傳感器、控制器和軟件應(yīng)用程序連接起來；

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

　　(3)工作人員。建立員工之間的實(shí)時連接，連接各種工作場所的人員，以支持更為智能的設(shè)計、操作、維護(hù)以及高質(zhì)量的服務(wù)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(yīng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)的連接融合，形成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)循環(huán)如圖3所示。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備的應(yīng)用如圖4所示。

　　4、結(jié)束語

　　智能制造裝備集制造、信息和人工智能技術(shù)于一身，是未來高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)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(yīng)用，美、日、歐已有一系列的研究成果和部分產(chǎn)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(zhuǎn)型。我國政府也充分認(rèn)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(chǎn)業(yè)化水平提升。

　　可以預(yù)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(jìn)一步得到顯現(xiàn)；同時，行業(yè)也將在工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)床和基礎(chǔ)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(chǎn)線等重點(diǎn)領(lǐng)域形成快速發(fā)展與突破。