智能制造装备及应用工程技术

1.智能制造装备和系统

（1）智能制造装备。智能制造是面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化和智能化的制造，是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、智能技术、系统技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现设计过程、制造过程和制造装备智能化，是信息技术和智能技术与装备制造过程技术的深度融合与集成。相应地，智能制造装备是将完备的感知系统、执行系统和控制系统与相关机械装备完美结合，将专家的知识不断融入制造装备中，提高装备的智能化水平，实现自动、柔性和敏捷制造，提高产品质量、生产效率，显著减少制造过程物耗、能耗和排放。

智能制造装备包括数控机床、工程机械、石化装备、复合材料加工装备、新能源装备、工业机器人、自动化柔性生产线、成套工艺关键装备等。

（2）智能制造系统。智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统，它突出了在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，同时，收集、存储、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。由于这种制造模式突出了知识在制造活动中的价值地位，而知识经济又是继工业经济后的主体经济形式，所以智能制造就成为影响未来经济发展过程的制造业的重要生产模式。

智能制造系统主要包括柔性制造系统、成本节约的制造系统、能源节约的制造系统。

1）柔性制造系统。制造业需要适应快速的市场变化，柔性制造系统可以缓解需求不确定性带来的影响。制造企业需要高产出和可靠的机床和制造系统，这些系统是柔性的、自适应的，可以根据产品数量和变型进行生产。为了实现上述目标，制造业需要多学科的方法来构思和建立自适应制造系统，并且要涵盖制造系统的整个生命周期，从设计、装配到生命周期终结。这些技术需要集成新产品和流程的新知识，包括新架构和新部件。

新架构包括：集成了产品、服务、流程和商业模型的综合模型，使得建造客户化的制造系统成为可能。新的接口、机电部件装配和拆卸概念，方便制造系统适应产品数量和类型变化。基于移动机器人、机床和劳动力形成的社区建立柔性制造工厂的概念，以敏捷的方式对需求波动进行反应。改进生产工厂运作效率的新商业模型，以可重用的机床部件和可再编程的控制系统轻松构建适应性工厂。

新部件包括：采用集成了仿真模型和过程控制系统的微型、小巧和模块化的机电装置，建立能够完成不同的产品和生产流程的柔性制造系统，采用创新技术研发嵌入了传感器和执行器的微型化机床部件，基于累积成型技术建立创新的制造流程，缩短客户化机床的上市时间。

柔性制造系统的短期发展目标是面向制造系统产品全生命周期，发展集成了机床产品、服务和相应商业模型的语义知识模型，以及用于建模和分析制造价值链中价值创造的方法和工具。中长期目标是发展嵌入式智能自适应模块和标准化即插即用接口，发展先进的自适应系统配置建模工具，发展累积成型制造过程，并将其集成到用于机床和部件制造的敏捷和反应性制造环境中。基于能够管理动态和易适应网络（由机床、机器人和人组成）的多级控制器，发展知识型和自学习的控制系统，发展方法学和工具，用于管理可重用的模块化和适应性部件，建立可重构的机床和自适应的生产工厂。

2）成本节约的制造系统。降低系统停机时间和效率最大化是实现成本最小化的一种新方法。企业需要从整个生命周期的角度重新考虑其制造系统和流程，以获得成本高效的、价值增加的和可持续的制造系统，最小化制造系统的全生命周期的成本。

采用创新的技术和方法提高劳动力效率，劳动力积极参与到制造过程中，其工作是有效的和安全的。零缺陷制造，研发更高效和高产出的制造系统技术，使其在变化的运行条件下始终保持高的制造水平。发展语义制造系统支持协同工程，提高制造系统的价值增加和成本降低。基于高精度模型的生产控制和计划，使企业可以用成本高效的方式安排生产过程。发展先进的ICT工具，使企业可以预测风险和机会，发展新的产品、服务和制造过程。

发展新型价值链管理的创新ICT工具，用于企业内部和制造网络之间的计划、管理和优化生产与物流的创新工具。分布式生产的控制机制，使得制造价值链上的企业能够以成本高效的方式适应生产和能力管理的变化。发展新的生产计划和控制方法，协调生产活动，保证好的流程可靠性、短的交货期和低的生产成本。发展以可视化的方式将知识集成到的制造价值链中的虚拟制造技术发展工具、标准和创新合作模型，用来提高跨企业工作流的效率。

3）能源节约的制造系统。发展高效的制造系统，利用创新的制造设备，通过新的制造方法，使用精细模型和仿真工具，在设计过程中集成监测和控制技术等手段，实现提高原材料的利用率、生产“零缺陷”部件的目标。发展新型智能自动化和控制系统，发展创新的监控算法和系统，以自治和智能的方式提高制造过程的在线稳定性，改进制造系统的能源效率。

发展高效的制造过程，利用创新制造过程，包括近净成形技术等先进制造技术，最小化库存和废料，以获得“零排放”制造过程。采用环境友好的结构性材料，提高材料的再循环特性，降低当前材料密集型制造的材料消耗量。

2.智能制造的重大应用工程

与传统的单纯经济效益驱动的发展策略不同，本报告研究的智能制造与设计的重大应用工程除了促进制造企业取得更好的经济效益外，还要能够促进环境保护和社会和谐发展。实现经济、社会和环境的可持续发展是实施智能制造与设计重大应用工程的首要目标。据此，提出以下2个重大应用工程：可持续制造、产品和服务工程，能量高效的制造工程。

（1）可持续制造、产品和服务工程。可持续发展是指在满足当前人类需求的情况下，不影响未来人类满足需求的能力。可持续制造是生产系统的一种愿景，它的生产和消费能够支撑个体的和社会的生活，其生产既在经济上是成功的，又考虑到环境的制约。知识和技术、资本、资源和需求是得到良好治理的，使得人们可以在消耗更少的材料资源和能源的情况下生活得更好（Geyer，2013）。

在可持续制造、产品和服务工程领域有5个主要的研究和行动领域，它们分别是可持续性技术、稀有资源管理、产品和生产系统生命周期的可持续、可持续的产品和生产、可持续的商业。

1）可持续性技术。为了实现可持续制造，需要从整个环境、社会、企业、产品和服务的全生命周期的角度看待制造业的发展，需要建立制造业产品生命周期的全局性视图，并在其指导下优化制造系统、产品和服务的生命周期。相应地，所研究发展的技术也必须是能够支撑可持续发展的要求，除了传统的质量、成本、安全和清洁的需求外，所开发的支持产品制造的方法、技术和工具也需要面向整个生命周期，发展的技术应该能够支持和改善产品/流程/服务系统的经济、生态和社会性能。

可持续性技术关注的主要问题包括：建立高质量嵌入式制造系统，实时采集数据，远程监控和分析制造操作，提高制造质量；发展金属累积性成形技术上，改善制造环境和制造的盈利水平；实现可持续的数据管理，解决企业长期面临的数据不一致和冗余问题；改进供应链的集成化物流工具，协调物流并改进供应链整体性能。

2）稀有资源管理。制造与持续的材料和能量流严格相关，每年制造消耗的工程材料达100亿吨（碳氢化合物燃料、金属、聚合物）。其中碳氢化合物燃料（油、煤）每年消耗90亿吨，它们仅仅被当成了能源。全球能源消耗的86%来自这些非再生能源（油、天然气、煤）。因此，需要有新的思考方式，将产品的“第一次生命”的结束不要当成一个问题，而是将它看成一种资源。今天许多可重用技术得到了研究，但是迫切需要建立材料可重用优化的参考模型。循环是第二个可行的方法。废弃材料应该返回供应链，用作制造过程的原材料、能源或者取代非再生能源。

稀有资源管理关注的问题包括：发展材料重用优化技术和方法，发展利用替代燃料和原材料的资源恢复技术和方法。(www.xing528.com)

3）产品和生产系统生命周期的可持续。可持续制造越来越受到考虑全生命周期带来的影响（设计、生产、使用、退役、产品的寿命终结）。“绿色机器”“环境友好制造”是可持续制造的一个方面的内容。可持续制造不仅仅包含一定程度的环境参数，它必须在下列方面也具有可持续性，包括产品（服务）的性能和质量、人员安全（操作工人，其他所有受到制造过程、设施和其产品影响的人）、相关装备和基础设施。制造设备的维护对于制造过程质量和安全的可持续性具有重要作用。

产品和生产系统生命周期的可持续研发内容包括：开展实时生命周期评估，发展基于成本的全生命周期管理（PLM）和可持续维护技术与方法。

4）可持续的产品和生产。可持续的产品和生产系统有助于促进工业的现代化，包括改进产品信息的质量，方便在设计、生产、使用和报废阶段的信息获取。这样的系统有助于建立资源依赖小的社会和更具有竞争力的工业。如果产品“知道”它们包含什么材料、谁制造了它、其他支持材料重用的知识，材料循环利用水平就可以得到显著的提高。更多的知识密集型产品有助于在产品的全生命周期中优化资源利用率。提高产品的可追溯性，有助于发现制造缺陷和其他与质量相关的问题，有助于提高企业竞争力。物流的可追溯性有助于优化仓库利用，降低材料浪费和运输成本。

可持续的产品和生产的研究内容包括：开发机床加工的绿色控制器、建立可持续评价指标、发展可持续的包装技术和方法、对产品的全生命周期实施可持续性优化、发展可持续供应链设计和EOL（生命周期终结）管理的支撑技术。

5）可持续的商业。可持续发展需要从整体角度，综合考虑环境、社会、商业等相互关联的因素，用一种集成的方法，管理商业的可持续性、环境和社会性能。企业希望实现利润增长、环境友好、社会责任这3个目标。因此，企业需要建立新的商业模型，新的模型能够在改善环境性能和业务竞争力之间取得折中。同样，需要发展新的方法学和工具，用来支持管理者进行决策和创新过程，提升企业可持续发展的潜能。

可持续的商业另外需要考虑的两个重要因素是全球化市场和网络化供应链。需要跨越企业的层次来考虑商业的可持续发展，需要提供集成化的产品和服务来实现业务增值，需要优化供应链所有参与者的信息流和交互，包括服务提供者和客户，因此，需要新的方法学和工具来管理全球化的供应链，支持同步的决策，并改善可持续发展能力。

可持续的商业涉及的研究和发展的内容包括：发展支持中小企业可持续发展的技术方法和平台；建立集成化的服务提供商和产品-服务工程平台；发展面向可持续发展的颠覆性创新技术服务；发展服务业精益管理方法，提高服务业的生产效率和效益。

（2）能量高效的制造工程。制造消耗33%能量，产生38% CO2排放。能量高效利用的制造是满足环境和客户要求的有效方法（数据来源：IMS 2020报告）。实施能量高效的制造工程的目的是研究和应用减少资源消耗和碳排放的技术和方法。

能量高效的制造工程包括以下4个方面的研究与应用工作：工厂能源、高效生产流程、协作框架下的能源利用、管理和控制能源消费。

1）工厂能源。能源稀缺、环境保护、成本控制等方面的问题导致企业需要重新考虑其工厂能源战略。企业需要尽最大可能减少对外部能源的依赖性，用更少的能量驱动设备、传感器和控制器。目前，企业依靠外部集中的能源提供者提供电力，这带来两个方面的问题，一是线路损耗，二是电厂需要生产多余的电力以备峰值需求。这降低了整个能源系统的效率。

通过更好地预测工厂制造过程的能源需求，可以更有效地提高能源供给过程的效率。企业需要充分利用环境中的能源潜能，通过“无线”的方式进行能源供给，远程实现传感器和控制器的能源供给。

在工厂能源方面需要开展能源自主，工厂建立和使用能量捕获技术为制造过程中的传感器和装备供应能源。

2）高效生产流程。降低生产流程的能量消耗非常重要，考虑到从发电到最终消费者中间许多环节的损耗（发电厂、线路、变电站），在最终生产流程中节约的能量实际上应得到更多节约。降低制造过程中的能量消耗是企业和社会追求的长远战略目标。

制造过程的能量节约可以从3个层面的工作获得：制造过程本身的技术进步，导致制造设备更加节能；制造系统和生产流程的改进，按照能源节约方式规划和设计制造流程和制造系统；发展减排技术，过滤有污染物质，这会减少为了消除这些问题而产生的能源消耗。

高效生产流程涉及的研究问题包括：发展能源高效的加工过程、实施绿色制造和减排技术应用。

3）协作框架下的能源利用。今天，能量用于单个工厂的制造过程，以热或者副产物的形式浪费能量，这些能量没有被重用。在许多情况下，这些废弃物经常包含其他生产过程或者行业中有用的东西。因此，在未来，企业间需要在跨行业的范围进行协作，以便以共生的方式实现能量和废物利用。这些废弃物通常并不能直接被另外的过程、工厂或者行业使用，需要对它们进行预处理。需要研究和发展关键技术，使得对它们的预处理在经济上和环境上是可行的，如低温热汽的重用、提高跨行业或跨区域的废弃物流的透明性和可用性。

协作框架下的能源利用的研究与应用涉及的方面包括：提高废物利用率的技术、废热的智能利用技术、建立替代能源和原材料市场的国际合作框架。

4）管理和控制能源消费。过去的制造系统设计主要由市场驱动，主要驱动力是质量、快速交货、低成本。今天能源利用率成为越来越重要的驱动力。为了感知制造过程的能源消耗，必须将测量和控制系统集成到制造过程中。新的能源管理系统将是决策和实施能源改进措施的基础。为了发展新的能源管理系统，需要关注传感器、控制器、关键绩效指标、技术-人员交互，以及设置制造系统的新概念。

能源效率是制造系统的一个不可分割的有机组成部分，也是信息和通信技术系统要展示的主要部分。提供透明化的能源消耗情况是最终目标。为了显著提高能源利用率，需要发展整体的视图。基于相关的标准，在供应链某个环节的流程变化需要通知到供应链的其他环节，这不仅可以实现整个供应链的能源节约，由于协作水平的提高，还可以达到提高生产率的正向效应。

管理和控制能源消费涉及的研究与应用问题包括：建立能量感知的制造过程-测量与控制；在生产信息系统中集成能源效率指标，开展综合管控；应用产品标签技术改进整体价值链性能。