第一章
智能制造装备概述
一、智能制造装备的内涵
高端装备制造业是国家“十二五”规划提出的战略性新兴产业七大领域之一，如图1-1所示，以高新技术为引领，处于价值链高端和产业链核心环节，是决定整个产业链综合竞争力的战略性新兴产业，是现代产业体系的脊梁，是推动工业转型升级的引擎。大力培育和发展高端装备制造业，是提升我国产业核心竞争力的必然要求，是抢占未来经济和科技发展制高点的战略选择，对加快转变经济发展方式、实现由制造业大国向制造业强国转变具有重要战略意义。
高端装备主要包括传统产业转型升级和战略性新兴产业发展所需的高技术高附加值装备。按照《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》明确的重点领域和方向，现阶段高端装备制造业发展的重点方向主要包括航空装备、卫星制造及应用、轨道交通装备、海洋工程装备、智能制造装备五大类，如图1-2所示。其中，智能制造装备是制造装备的核心和前沿。智能制造装备是具有感知、分析、推理、决策、智能控制功能的制造装备。它将传感器及智能诊断和决策软件集成到装备中，使制造工艺能适应制造环境和制造过程的变化达到优化。它是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合，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。
图1-2高端装备制造业发展的重点方向
制造装备是装备制造业的基础，作为为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础产业，是各行业产业升级、技术进步的重要保障，是国家综合实力和技术水平的集中体现[1]。发展高端制造装备对带动我国产业结构优化升级、提升制造业核心竞争力具有重要的战略意义。智能制造装备是加快发展高端装备制造业的有力工具，其作用不仅体现在对航空航天、高铁、海洋工程等高端装备的支撑上，也体现在对其他制造装备通过配备传感与智能控制系统、机器人等技术实现产业的提升上。因此，智能制造装备是传统产业升级改造，实现生产过程智能化、自动化、精密化、绿色化的基本工具，是培育和发展战略性新兴产业的重要支撑，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当今社会衡量一个国家工业化水平的重要标志。智能制造装备是未来先进制造技术发展的必然趋势，是实现我国从制造大国向制造强国转变的重要保障。我国基础制造行业的产值已位居世界前列，但能源消耗、材料利用、制造质量与国际先进水平差距较大，必须采用智能技术提升基础制造装备水平，突破智能基础制造装备的核心技术，形成智能基础制造装备的理论体系、关键技术和装备原型。
智能制造装备概述 智能制造装备有广义概念和狭义概念之分。广义的智能制造装备包括高档数控机床及基础制造装备、各专业领域的智能装备(如智能工程机械、材料制备的智能装备等)、智能化成套生产线等。狭义的智能制造装备仅指制造装备的智能工作母机(机床、铸、锻、焊、热处理等装备)，近年来工业机器人在生产线加工中的作用也越来越大。因此，本报告以狭义上的智能制造装备为研究和调研对象，分析智能机床与基础制造装备(含3D打印设备)及工业机器人的技术和产业发展状况，如图1-3所示。
图1-3智能制造装备
二、发展智能制造装备产业的意义
智能制造装备不仅是数控制造装备的延续发展，更是阶段性突破，是性能的飞跃。智能制造装备可以实现飞机、航天、核电、高超飞机、激光核聚变等超常制造任务。例如，10~45纳米光刻机的3~5纳米移动定位精度，激光核聚变1/50波长精度光学镜，核电和飞机领域难加工、难变形材料的制造，发动机叶片的飞秒激光加工，等等。又如，实时检测与智能控制将大大消除数控机床的静态误差及热变形、动态切削力干扰，使数控机床的加工精度提升一个数量级，切削速度高于目前的10倍，使电子制造装备的定位精度达到3~5纳米。3D打印与增材制造装备可以集成多种工序为一体，在设计数据驱动下，直接制造各种材料的零部件，大大缩短产品开发周期，甚至可以直接打印出一台汽车样车，装上发动机和轮子后就能行驶，因而在美国被一些人认为是第三次工业革命。
此外，智能制造装备的技术创新与产业发展对其他战略性新兴产业的发展有重要的推动作用，如对高端医疗装备，包括智能康复医疗装备与机器人、智能假肢、脑认知功能障碍诊疗及康复训练设备；对数字化智能化印刷设备，如时速1 5万张以上的单张纸胶印机、大型多色机组式凹版印刷机；对精密测试仪器与设备，如微纳制造科研仪器、大型科研仪器、电子制造检测设备；等等。
在全球金融危机之后，美国、欧洲国家、日本都对制造业及制造技术给予了特别的关注。制造装备是国民经济及国家科技发展的基础性、战略性产业，是世界各国一直高度重视和关注的产业。大飞机、核电、载人航天、海洋工程、高铁等领域与国家重大专项均高度依赖制造装备的技术发展。没有制造装备作为支撑，飞机、航天、核电、激光核聚变、新能源汽车等战略性新兴产业难以完成产业化进程，而只能停留在战略性新兴技术或者战略性新兴产品阶段。装备制造将制造技术的研究成果集成、物化和固化，可以形成产业的战略性技术。
三、智能制造装备的特征与界定
智能制造装备是当前制造装备发展的方向，是我国制造装备产品走向高端和提升技术附加值的重大机遇，是突破我国战略必争的尖端技术瓶颈的关键，也是我国制造业进行战略调整的方向性技术。智能制造装备不仅是数控制造装备的延续发展，更是阶段性突破，是性能的飞跃。智能制造装备可以更有效和经济地实现飞机、航天、核电、高超飞机、激光核聚变等许多普通数控装备难以实现的超常制造任务。
智能制造装备的技术特征主要如下:①对装备运行状态和环境的实时感知、处理和分析能力。②根据装备运行状态变化的自主实时规划、控制和决策能力。装备本身具备工艺优化的智能化、知识化功能，采用软件和网络工具实现制造工艺的智能设计和实时规划。③对故障的自诊断自修复能力。④对自身性能劣化的主动分析和维护能力。⑤参与网络集成和网络协同能力。因此，要真正实现智能制造装备的技术特征，必须掌握如下一些关键核心技术[2]。
1 装备运行状态和环境的传感与识别技术
(1)研究高灵敏度、精度、可靠性和环境适应性的传感技术(如振动、负载、变形、温度、应力、压力、视觉环境等监测)，新原理、新材料、新工艺的传感技术，微弱传感信号提取与处理技术，光学精密测量与分析仪器仪表技术。
(2)研究实时环境建模、图像理解和多源信息融合导航技术，力或负载实时感知和辨识技术，多传感器优化布置和感知系统组网配置技术。
2 智能编程技术与智能工艺规划
(1)运用专家经验与计算智能的融合技术，提升智能规划和工艺决策的能力，建立规划与编程的智能推理和决策的方法，实现基于几何与物理多约束的轨迹规划和数控编程。
(2)建立面向典型行业的工艺数据库和知识库，完善机床、机器人及其生产线的模型库，根据运行过程中的监测信息，实现工艺参数和作业任务的多目标优化。
(3)深入研究各子系统之间的复杂界面行为和耦合关系，建立面向优化目标(效率、质量、成本等)的工艺系统模型与优化方法，实现加工和作业过程的仿真、分析、预测。
3 智能数控系统与智能伺服驱动技术
(1)研究智能伺服控制技术、运动轴负载和运行过程的自动识别技术；实现控制参数自动匹配；实现各种误差在线补偿；实现面向控形和控性的智能加工和成形；研究基于智能材料和伺服智能控制的主动控制技术。
(2)单机系统和机群控制系统实现无缝链接，作业机群具备完善的信息通信功能、资源优化配置功能和智能调度功能，机群能高效协作施工，实现系统优化。
(3)完善机器人的视觉、感知和伺服功能，非结构环境中的智能诊断技术，实现生产线的智能控制与优化。
(4)运用人工智能与虚拟现实等智能化技术，实现语音控制和基于虚拟现实环境的智能操作，发展智能化人机交互技术。
4 性能预测和智能维护技术
(1)突破在线和远程状态监测及故障诊断的关键技术，建立制造过程状况的参数表征体系及其与装备性能表征指标的映射关系。
(2)研究失效智能识别、自愈合调控与智能维护技术，完善失效特征提取方法和实时处理技术，建立表征装备性能、加工状态的最优特征集，最终实现对故障的自诊断自修复。
(3)实现重大装备的寿命测试和剩余寿命预测，对可靠性与精度保持性评估。
5 网络环境下的智能生产线
(1)基于泛在网络的工厂内外环境智能感知技术，包括物流、环境和能量流的信息以及互联网和企业信息系统中的相关信息等。
(2)面向服务的信息系统智能集成技术。
第二章智能制造装备技术与产业发展现状
一、国外智能制造装备发展总体情况
(一) 国外技术发展现状
1 智能机床与基础制造装备
机床经历了三个阶段的发展，如图2-1所示。第一阶段是电气化。19世纪30年代，电动机的发明，使加工装备实现了驱动的电气化。第二阶段是数字化。20世纪中叶，计算机的诞生，实现了计算机和加工装备的良好结合，也就是现在广泛应用的数控机床和装备，通过数控程序可以实现机床的自动化操作和加工。但编程人员难以应付切削数据库、机床刀具特性及千变万化的工件材料、结构和加工过程失稳带来的加工精度和效率等问题，导致目前很多数控机床的能力发挥仅在10%左右。第三阶段是智能化。针对目前数控机床存在的以上技术问题，最近几年陆续出现了智能机床，它在数控机床的基础上集成了若干智能控制软件和模块，从而实现工艺的自动优化，装备的加工质量和效率有了显著提升，其本身的价值由于配备了相应软件和模块提升了30%~300%[3]。
2006年9月在国际制造技术展览会(International Manufacturing Technology Show，IMTS)上展出的日本MAZAK公司研发制造的智能机床，则向未来理想的“适应控制”机床方面大大前进了一步。这种智能机床具有六大特色:①有自动抑制振动的功能；②能自动测量和自动补偿，减少高速主轴、立柱、床身热变形的影响；③有自动防止刀具和工件碰撞的功能；④有自动补充润滑油和抑制噪声的功能；⑤数控系统具有特殊的人机对话功能，在编程时能在监测画面上显示出刀具轨迹等，进一步提高了切削效率；⑥机床故障能进行远距离诊断。在2012年芝加哥机床博览会上，MAZAK公司展出了其新款智能机床，并直接标称为“Intelligent”。
日本大隈公司开发了一套名为“thinc”的智能数控系统(intelligent numerical control system)。大隈公司认为当前经典的数控系统的设计(结构)、执行和使用(design、implementation、use) 三个方面已经过时，对它进行根本性变革的时机已经到来。thinc不仅可以在不受人干预的情况下对变化了的情况做出“聪明的决策”(smart decision)，还可以使机床在工厂使用时以增量的方式使其功能在应用中不断自行增长，并会更加自适应新的情况和需求，更加容错，更容易编程和使用，如图2-2所示。
GE Fanuc公司引入的一套监控和分析方案也是智能机床发展的一个例子，这套方案在2006年9月的IMTS上得以展示。一种名为效率机床4 0、基于互联网的方案应运而生，它是通过收集机床和其他设备复杂的基本数据而提供的富有洞察力的、可指出原因的分析方法。它还提供一套远程诊断工具，从而使不出现故障的平均时间最长，而用于修理的时间最短；能用于计算机维护管理系统中监控不同的现场。智能机床的另一个例子是辛辛那提的多任务加工中心设计的软件，它可探测到B 旋转轴的不平衡条件。其装备了SINUMERIK 840D 控制系统，新的平衡传感器监控Z轴发生的错误后准确迅速地感受到不平衡。探测后，由一套平衡辅助程序通过计算产生一个显示图来确定出不平衡的位置所在以及需要进行多少补偿，该技术已用于Giddings
展开
