智能制造与数字化工厂
2014年9月
张国军 博士、长江学者特聘教授
广西自治区2014年两化融合干部高级培训班
提 纲
一、智能制造的背景、特征与关键技术 二、RFID在智能制造中的应用模式
三、智能制造解决方案及应用案例 四、数字化工厂及应用案例
五、相关工作基础
3
制造技术 发展趋势
个性化
绿色化
制造需求： 多品种多批量、高质量低成本、柔性制造快速 响应、节能减排环境友好等
满足客户个性化需求
全价值链端到端系统工程
提高能源利用效率，实现 工业生产“绿色环保”
绿色制造 实现多品种产品生产的动态
配置资源
定制化
制造技术的发展需求和趋势
4
1
能源和资源利用效率 是竞争力的决定性因素
•
更短的创新周期•
更为复杂的产品•
更大的数据量•
个性化大规模生产•
快速变化的市场•
更高的生产效率提升效率
提升竞争力
制造业变化的速度比以往更快
2 缩短生产周期 3 提高柔性
制造业核心竞争力正在发生深刻变化
5
美国 德国 中国
“再工业化”
•
国家制造技术创新联盟•
使用本国页岩气和石油保持工业领先地位
•
持续创新机制•
高出口量•
工业4.0为新的指导原则发展高端技术实现产品升级
•
工资上涨•
质量驱动的自动化需求•
节能立法制造业成为全球经济发展的发动机
6
2015 年中国长三角地区的制造成本仅比美国低5%
中国的制造业在发生巨大变革
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产业升级压力
劳动力成本上升
中国制造业机遇：发展先进制造技术，实现产业升级
能耗排放压力
哥本哈根中国减排目标 低附加值 高附加值
中国的挑战和机遇
蒸汽机、电动机曾给机械产品的发展带来革命
数字化：信息化与工业化融合的重要手段
智能化：装备和机械产品的发展趋势
蒸汽机的发明，
•机器动力的应用
电动机的发明，
电能的应用
信息技术特别是 数控技术的应用
智能技术的应用，
自适应、自我决策 机械一代
蒸汽机
机械化
智能一代 数控一代
电气一代 普通机床
电气化
数控机床
数字化
智能机床
智能化
制造业发展的几个主要阶段
第四次工业革命：智能制造
第一次工业革命
蒸汽动力机械 设备应用于生产第二次工业革命
电机发明和电能 使用，大规模流 水线生产第三次工业革命
应用IT技术实现自 动化生产
第四次工业革命
实现智能制造
什么叫智能制造
智能制造
高品质制造
几何精度
微观组织性能
表面完整性
残余应力分布
品质一致性
……
智能制造通过工况在线感知 （看）、智能决策与控制（想） 、装
备自律执行（做）大闭环过程，不断提升装备性能、增强自适应能
力，是高品质复杂零件制造的必然选择。
国家对智能制造的重视
国家中长期科技术发展规划纲要对“数字化 智能化制造技术”提出了迫切需求：
国家科技部发布《智能制造科技发展“十 二五”重点专项规划》，重点突破智能化 的高端装备
国家工信部发布了《智能制造装备产业
“十二五”发展规划》，并启动了智能制 造装备重大专项
大飞机、发动机等重大科技专项中，2/3 的重大专项急需智能制造装备与技术
国家中长期科学和技术发展 规划纲要(2006-2020)
“十二五”国家战略性新兴产业 发展规划
☆国家科技重大专项（02专项）
极大规模集成电路制造装备 及成套工艺
☆国家科技重大专项（04专项）
高档数控机床数字化设计关键技术 与工具集研发及典型产品应用
☆国家智能制造装备重大专项
智能制造关键技术、数字化车间示 范应用、智能制造系统等
★
重点研究数字化设计制造集成技术
★
做大做强数字制造装备，促进制造业 智能化、精密化、绿色化发展
In its report Ensuring American Leadership in Advanced
Manufacturing, in June 2011
国际对智能制造的重视
智能制造作为先进的制造科学与技术手段，已成为各国抢占制造 科技制高点的重点研究领域：
奥巴马总统2011年启动“高端制造合作伙伴（AMP）计划”，
企业/高校共同实施，将智能制造确定为美国夺回制造业霸主 的三大重点领域之一 (美国科技委员会制造研发报告)
美欧日等发达国家：将智能制造列为支撑未来可持续制造的重
要科学技术 (IMS2020 Roadmap)
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智能制造的基本特征
13
1) 信息驱动
采集产品制造的各类数据、知识、图形、图像等信息，实现 生产过程系统的预报、评价、调度、控制、监控、诊断、决 策和优化等。
2) 自治能力
采用分层或分级的自治单元，通过协调机制对其自身的操作
行为做出规划，对意外事件（如制造资源变化、制造任务货
物要求变化等）做出反应，实现行为可控。
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智能制造的基本特征
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3)人机协同
实现人和系统的协同交互，辅助人类进行分析、判断、决策；
人机之间平等共事、相互“理解”、相互协作。
4) 自组织与柔性
根据获取的市场、设计和过程信息，制造单元和系统自行组 成一种最佳结构的智能制造系统，以高效可靠的方式运行，
完成给定的制造任务。
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智能制造的基本特征
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5) 自学习能力
以专家知识为基础，不断完善、优化、更新系统的知识库；
通过感知环境状态来学习动态系统的最优行为策略，实现环 境自适应、在线学习等能力。
6) 自维护能力
对系统的故障进行诊断、预测和自修复，自动更新系统知识
库、维护单元设备；对系统的整体运行状况进行评估，及时
发现并解决问题。
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智能制造关键技术
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综合利用智能传感技术、计算机网络技术、自动控 制技术、人工智能技术、现代管理技术，实现工厂生产 自动化、网络化、数字化和智能化，其关键技术有：
智能传感与智能制造网络技术
分布制造智能与系统建模技术
信息管理、集成与数据挖掘技术
智能决策、规划、调度与企业管理技术
现代制造服务技术
智能制造体系结构
企业制造
制造系统
装备/工艺 生产管理 服务
CAD/CAE/CAM PDM/ERP/SCM 销售/维护/报废
智能装备
感知
自主/半自主 决策规划
智能控制
系统结构可重构
系统运行自组织、
自适应、自协作
智能制造系统
客户信息感知与管理 客户需求智能分析与 个性化服务
智能制造服务
制造智能
伺 服 驱 动 系 统
数控技术的应用引起机械产品本身内涵发生根本性变化
简化机械结构 缩短制造周期 提高制造精度 提升装备性能
齿轮箱
动力源 传动机构 工作装置
伺服驱动系统
控制系统
工作装置 输入
信息
信息反馈
传统机械产品
数控机械产品
制造装备智能化的基础
1、平台全数字化
现场总线、码盘到伺服的连接、驱动单元等全数字化
高档系统普遍采用现场总线方式
2、高速、高精、高可靠
先进数控机床加速度可达10g，快移速度达720m/min
普通数控加工精度5μm，精密级1μm，超精密0.01μm
数控装置MTBF值达60000h以上，伺服系统达30000h
3、智能化、网络化、复合化
加工参数自调整、防碰撞、误差补偿、颤振预测抑制等
从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发展
同时完成复杂零件的主要乃至全部加工工序
现场总线
高速纳米插补
加工参数自动调整
制造装备智能化的内涵
Prof. Shu Zhang
Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
操作权限 指纹确认
加工任务完成情况和 机床状态可用手机查询
数码相机 信息塔(e-Tower)
机床信息化，具有语音
、文本和视像等通讯功能
。与生产计划调度系统联 网，实时反映机床工作状 态和加工进度
操作权限指纹确认。工 件试切时，可在屏幕上观 察加工过程。故障报警显 示、在线帮助排除。
智能化与自主管理
智能化制造装备—国内外进展
知道本系统的加工能 力和状态
能够监控和自主优化 加工过程
能够自行度量工作
（输出）的质量
能够不断持续学习和 提高自己的能力
智能化与自主管理
智能通讯 单元
智能化制造装备—国内外进展
提 纲
一、智能制造的背景、特征与关键技术 二、RFID在智能制造中的应用模式
三、智能制造解决方案及应用案例 四、数字化工厂及应用案例
五、相关工作基础
RFID在智能制造中的应用模式
适应复杂工况：防雨水、抗污渍、抗油污、可喷涂
读写方便快捷：可读可写， “盲视”“透视”扫描
批量操作：批量读/写、远距离读写
读识性能可靠：一次性“盲扫”，识别可靠性达99.8%以上
RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触式的自动识别技术，它通过 射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。
RFID系统组成 RFID工作原理
电子标签
读写器天线射频信号
企业业务应用 RFID中间件
读写器 读写器天线
扩展企业网络
RFID在智能制造中的应用模式
容器
刀具 TAG 托盘
夹具 ID RFID标签 工装板
加工零件
智能制造在AGV搬运机器人上的应用
应用说明：
在AGV小车需要判别转向信息的 部分设置RFID感应标签。
AGV搬运机器人底部安装RFID读 写设备，通过识别AGV车路径上 的RFID标签，获取不同路径转向点 的转向和报站信息
通过RFID系统和AGV车载控制系 统以及驱动系统实现AGV小车更 加智能化的运行 应用效果： 实现AGV小车路径柔性化，提高运转效率，更具备路径适应性和制
造流程适应性，能与MES、ERP系统无缝对接。
智能制造在码垛机器人上的应用
应用说明：
在自动立库的出入口、码垛机器人、转向机构等位置部署RFID读写器
在自动立库中的托盘（载具）上固 定RFID电子标签
在运转过程中通过识别RFID标签的 信息，加载产品或物料信息
将RFID信息传递给码垛机器人实现 全自动出库、入库、分配位置等动 作 应用效果：实现自动化立库的自识别功能，能够实现随机快速分配仓位，实现自
由调仓等功能，提高自动化立库的运转效率，降低出错率
智能制造在烟草业中的应用
作为烟草生产管理信息系统的一部分，SYGOLE-RFID用于在自动化仓库 和管理系统中追踪和管理生产，质量信息。目标是实现质量和物料的 控制。
烟棒过滤嘴自动仓库的RFID 仓库容器传送机
堆垛机
Sygole
智能制造在数控加工中心辅助机器人应用
应用说明：
给每一个工件安装一个RFID标签，需具备抗金属、抗油污、高防护等 级性能；
通过机器人自动抓取，实现在工件 仓库、机床环节之间的自动加工和 流转；
机器人安装RFID读写设备，通过读 取工件的RFID标签，识别不同工件 的加工工艺和位置参数等信息。 应用效果： 通过七轴关节机器人，配备一个拥有数百个托盘位的自动化电极仓
库，将放电加工、高速铣削等多个加工流程可靠连接起来，提高数控设备稼动率
30%以上
智能制造在线测量机器人的应用
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应用说明：
在电极夹具上装载RFID标签，让 每一个夹具都有唯一标识
在测量设备上安装读写装置，让 每台设备具有智能感知功能
设备读取标签信息后，能够自动 进行误差测量、型面测量并形成 检测报告
应用效果：（1）提高了测量的效率20%
（2）实现了测量目标体和测量指标 的自识别，提高设备利用率18%
（3）减少人工错误，提高准确率10%
电 极
数 据 库
读写器读取电极标签编码 QC
测 量 电 极 偏 移 量
X、Y值传递至上位机软件
标签 编码 传递 至上 位机 软件 向标签内写入
X、Y偏 移量值
向数据库写入 X、Y偏移量值
汽车喷涂中的智能制造技术
SYGOLE
在汽车车身装RFID远距离电子 标签
在汽车车身侧边或顶部部署 RFID读写器，同时将读写器和 喷涂机器人实现联动通讯
汽车通过时，RFID将识别的信 息传输给机器人，机器人通过 对信息的识别加载不同的喷涂 参数，实现自动化混流喷涂 应用效果：
通过对机器人识别技术的改造，使得汽车喷涂具备混流自动化的特征，提高了喷涂效
率，提高了整车生产效率。
发动机装配混流中智能制造
应用说明
发动机组装过程在主体盘上装 RFID电子标签，并将发动机型号 信息写入标签
在发动机组装过程中，在发动机 组装流水线线边装读写装置，识 别发动机信息
RFID设备读取到信息后，将信息 传递给PLC以及现场机器人，通 过机器人的不同动作实现混流装 配。RFID 标签 sygole
读写装置
应用效果：实现了发动机组装全过程的混流装配，全程追溯发动机装配信息，使得发
动机的质量稳定性大大提升。
物流快速批量识别和AGV集成应用
应用说明
物流载具、托盘、叉车RFID电子 标签，并将物品信息写入标签
在物流运输及出入库过程中，关 键物流节点处安装读写装置，快 速批量识别通过的物品信息
RFID设备读取到信息后，将信息 传递给后台设备、系统以及AGV 机器人，通过AGV机器人将物品 搬运到相应位置。
应用效果：实现了物流过程批量识别全自动化过程，AGV实现了自动搬运和输送提 纲
一、智能制造的背景、特征与关键技术 二、RFID在智能制造中的应用模式
三、智能制造解决方案及应用案例 四、数字化工厂及应用案例
五、相关工作基础
智能制造应用解决方案
智能 制造
智能家电
车间物流 工程机械
物流园
供应链
智能维护
辅具控制 混流制造
智能制造方案： 机电产品智能化
售后维护
研发设计反馈 生产过程跟踪 出厂测试记录
产品制造 销售管控 客户体验
商业模式转变 以租代售 销售信息汇总 厂商信息同步
数据分析记录 寿命预测 故障诊断
个性化交互 故障智能提醒 自适应控制 节能高效
全生命周期 应用领域
产品制造产品服务
全面提升产品附加值产品智能化：工程机械产品智能化
装备使用状态
车载智能中控系统
GPS卫星定位
后台服务支撑系统
设备业主监控
设备状况信息上报、状态定位监控、厂商业主指令远程下达、现场服务支持
刀具管理
基于RFID的方案：
辅具全生命周期信息交互过程
适应恶劣加工工况
刀具与加工机床/对刀仪M2M
刀具全生命周期管控
提升刀具利用率
提高机床使用率
提高加工零件质量价值
智能维护
维修体制优化，合理分配预 知性检修、定期检修及故障 检修， 实现设备可靠性和 经济性的优化平衡；
构建以可靠性为中心的状 态检修体系，实现设备健 康状态的全方位监控，保 障设备安全运行；
开发全流程智能维护系统，
实现监测-诊断-评估-决策- 维修的信息化管理，保障 智能维护的完整实施。
方案价值
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提 纲
一、智能制造的背景、特征与关键技术 二、RFID在智能制造中的应用模式
三、智能制造解决方案及应用案例 四、数字化工厂及应用案例
五、相关工作基础
数字化工厂的作用：以汽车工业为例
2010年，国务院发展研究中心《汽车产业蓝皮书》发布比较结 果：日本汽车工业91.62分，中国汽车工业54.33分
自主品牌 汽车工业发达国家
品种
效率 3.5分钟/辆
（江淮商务车）
48秒/辆
（日本本田轿车、商务车共线）
质量
1000多种变型共线 4000多种变型共线
（2000年丰田Coronas装配线）
224个PP100
（每百辆新车问题数）
135个PP100
（每百辆新车问题数）
——2010年J.D. Power亚太公司中国新车质量研究报告
数字化工厂的作用：以汽车工业为例
设备能力 生产过程管控与优化能力
要实现上述目标，设备的智能化水平和生产过程管控与优化的能力缺一不可
多品种 高效率 低成本 高质量
在设备能力逐步提升的情况下，制造环节的数字化管控与优化能力不足更显
突出，已成为我国汽车工业与国外差距的主要原因之一。
什么是数字化工厂
数字 化工 厂 以MES为核 心，对工厂内的制造资源、
计划、流程等进行管控
数字化工厂与产品设计层 有紧密关联，是设计意图 的物化环节
通过系统集成，数字化工
厂还与企业层和设备控制
层实时交换数据，形成制
造决策、执行和控制等信
息流的闭环
−WIP跟踪(工位/工序/部件)
−各工位关重件安装匹配查验
−生产报工与节拍价值分析
−各型号/各订单的完工情况
−各工位/各关重件实作工时
−安灯内容信息采集与发布
−设备运行状态和运行参数
−线边物料的消耗与配送
−现场视频采集与近景分析
−现场环境(光/温/湿/尘/气)
−物流通道及设备监控
−叉车/AGV/堆垛机运行情况
−物流设备位置数字地图显示
−配送执行状态跟踪及监控
−仓库出入库/库存/缺料跟踪
−质量统计分析报表及异常报告
−质检现场数据/质检设施数据
−主机及关重件流转过程监控
−质量报表数据/统计分析数据
−现场质量事故位置与性质分析
−设备运行状态和运行参数
−刀具/量具/模具在库/在工位
−装运车辆的定位/跟踪/调度
−关键岗位人员的定位/呼叫
−资源的能力/效率跟踪分析
生产过程数字化
质量管控数字化 制造资源数字化
现场运行数字化
物料管控数字化
管控中心 PCC 生产
质量 物流
ERP PDM
设备
数字化工厂的核心内容
数字化工厂的分层管理
数字化制造决策与管控层
商业智能/制造智能（BI/MI）：可针对质量管理、生产绩效、依 从性、产品总谱和生命周期管理等提供业务分析报告
无缝缩放和信息钻取：通过先进的可定制可缩放矢量图形技术，
使用者可充分考虑本企业需求及行业特点，轻松创建特定的数据 看板、图形显示和报表，可快速钻取至所需要的信息
实时制造信息展示：无论在车 间或是公司办公室、会议室，
通过掌上电脑、PC机、大屏幕
显示器，用户都可以随时获得
所需的实时信息
数字化工厂的分层管理
数字化制造执行层
先进排程与任务分派：通过对车间生产的先进排程和对工作任务的合理 分派，使制造资源利用率和人均产能更高，有效降低生产成本
质量控制：通过对质量信息的采集、检测和响应，及时发现并处理质量 问题，杜绝因质量缺陷流入下道工序所带来的风险
准时化物料配送：通过对生产计划和物料需求的提前预估，确保在正确 的时间将正确的物料送达正确的地点，在降低库存的同时减少生产中的 物料短缺问题
及时响应现场异常：通过对生产状
态的实时掌控，快速处理车间制造
过程中的生产过程中常见的延期交
货、物料短缺、设备故障、人员缺
勤等各种异常情形
数字化工厂的分层管理
数字化制造装备层（工位层）
实时硬件装备集成：通过对数控设备、工业机器人和现场检测设备的集 成，实时获取制造装备状态、生产过程进度以及质量参数控制的第一手 信息，并传递给执行层与管控层，实现车间制造透明化，为敏捷决策提 供依据
多源异构数据采集：采用了先进的数据采集技术，可以通过各种易于使 用的车间设备来收集数据，同时确保系统中生产活动信息传递的同步化 和有效性
生产指令传递与反馈：支持向现场工业计算机、智能终端及制造设备下 发过程控制指令，正确、及时地传递设计及工艺意图
设备控制 电子看板 按灯 智能料架 条码扫描 RFID
Production Integration Center
波音787数字化工厂
通过采用数字化工厂，波音公司在制造环节取得了显著的 效益：
显著提高了生产效率
减少了质量缺陷率
减少了因供应商原因导致的生产延期
Boeing 787研制周期缩短至1/3，研制成本降低50%
新一代战神航天运载工具的研制和C130的航空电子升级中，缩短 装配工期57%
波音787数字化工厂
焊装-涂装-总装车间 流水型生产
解决方案
与应用 冲压车间
作业型生产 发动机加工/装配车间
混合型生产
自主品牌汽车生产企业（江淮、奇瑞、海马、江铃、中国重汽、万山等）
焊装-涂装-总装车间 流水型生产
多车间关联优化 工艺序列优先的
混合排程 加工/装配物料配送
硬件装置 与软件系统
优化技术 与算法
在制品跟踪与生产过程可视化监控系统
车间信息 采集终端 车身路由 控制器 配色验证
智能料架 控制器 物料匹配 装置
数字化工厂解决方案：汽车
数字化工厂解决方案：汽车
工艺过程优化
多车间生产排序
涂胶工艺切换装置
缸体工装快速 切换装置
生产数据采集 车身识别 缸盖3D扫描
数据 采集 识别
中央控制 涂装路由控制 PBS路由控制
生产 执行 控制
物料精准配送
物料搬运 物料匹配 智能料架
支持多条生产线：11条冲压线、3条焊装线、2条涂装线、3条总 装线
支持六大平台八种车型：瑞风（MPV）、瑞鹰（SUV）、宾悦、
同悦、和悦、悦悦（轿车）
江淮汽车
案例介绍：江淮汽车
数字化工厂解决方案：工程机械行业
智能化加工设备
DNC 智能化机械手
智能刀具管理
中央控制室 现场Andon 现场监视装置
智能加工中 心与生产线
智能化仓储/运输与物流
智能化生产执 行过程管控 智能化生产控制中心
数字化工厂
自动化立体仓库 AGV智能小车 公共资源定位系统
高级计划排程
执行过程调度
数字化物流管控
数字化质量检测
