2.1 智能制造及关键技术

2.1.1 智能制造体系

智能制造产业已成为各国占领制造技术制高点的重点研发与产业化领域。发达国家将智能制造列为支撑未来可持续发展的重要智能技术。我国也将智能制造作为当前和今后一个时期推进两化深度融合的主攻方向和抢占新一轮产业竞争制高点的重要手段。2016年12月8日工业和信息化部、财政部联合制定了《智能制造发展规划（2016—2020年）》智能制造体系如图2-1所示。

智能制造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、系统与模式的总称。智能产品通过独特的形式加以识别，可以在任何时候被定位，并能知道它们自己的历史、当前状态和为了实现其目标状态的替代路线。

智能制造的基本思路是以促进制造业创新发展为主题，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，强化工业基础能力，提高综合集成水平，完善多层次人才体系，从而达到增强综合国力，提升国际竞争力，保障国家安全，坚持走中国特色新型工业化道路。

2.1.2 智能制造的内涵

智能制造，就是面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化制造。智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能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、智能技术与装备制造技术的深度融合与集成。智能制造，是信息化与工业化深度融合的大趋势。

智能制造技术是世界制造业未来发展的重要方向，依靠技术创新，实现由制造大国到制造强国的历史性跨越，是我国制造业发展的战略选择，为了实现制造强国的战略目标，加快制造业转型升级，全面提高发展质量和核心竞争力，需要瞄准新一代信息技术、高端装备、新材料、生物医药等战略重点，引导社会各类资源集聚，推动优势和战略产业快速发展。

智能制造并非只是一个横空出世的概念，而是制造业依据其内在发展逻辑，经过长时间的演变和整合逐步形成的。

关于智能制造的研究大致经历了以下三个阶段：

1．20世纪80年代智能制造概念的提出源于人工智能在制造领域的应用

美国赖特（Paul Kenneth Wright）、伯恩（David Alan Bourne）正式出版了智能制造研究领域的首本专著《制造智能》，就智能制造的内涵与前景进行了系统描述，将智能制造定义为通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制来对制造技工们的技能与专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人工干预的情况下进行小批量生产。在此基础上，英国技术大学威廉姆斯（Williams）教授对上述定义做了更为广泛的补充，认为集成范围还应包括贯穿制造组织内部的智能决策支持系统。麦格劳-希尔科技词典将智能制造界定为，采用自适应环境和工艺要求的生产技术，最大限度地减少监督和操作、制造物品的活动。

2．20世纪90年代提出智能制造技术、智能制造系统

在智能制造概念提出后不久，智能制造的研究获得工业化发达国家的普遍重视，开始围绕智能制造技术（IMT）与智能制造系统（IMS）开展国际合作研究。日本、美国、欧洲共同发起实施的智能制造国际合作研究计划中提出：智能制造系统是一种在整个制造过程中贯穿智能活动，并将这种智能活动与智能机器有机融合，将整个制造过程从订货、产品设计、生产到市场销售等各个环节以柔性方式集成起来的能发挥最大生产力的先进生产系统。

3．21世纪以来新一代信息技术的快速发展及应用

21世纪以来，随着物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的快速发展及应用，智能制造被赋予了新的内涵，即新一代信息技术条件下的智能制造。

（1）美国工业互联网中的智能制造 工业互联网的概念最早由通用公司于2012年提出，随后美国5家行业领头企业联手组建了工业互联网联盟，通用电气（GE）在工业互联网（Industrial Internet）概念中，更是明确了希望通过生产设备与IT相融合，目标是通过高性能设备、低成本传感器、互联网、大数据收集及分析技术等的组合，大幅提高现有产业的效率并创造新产业。

（2）德国推出工业4.0中的智能制造 德国工业4.0的概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失。核心内容可以总结为：建设一个网络（信息物理系统），研究两大主题（智能工厂、智能生产），实现三大集成（纵向集成、横向集成、端到端集成），推进三大转变（生产由集中向分散转变、产品由趋同向个性转变、用户由部分参与向全程参与转变）。

（3）中国制造2025中的智能制造《智能制造发展规划（2016—2020年）》给出了一个比较全面的描述性定义：智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。推动智能制造，能够有效缩短产品研制周期、提高生产效率和产品质量、降低运营成本和资源能源消耗，并促进基于互联网的众创、众包、众筹等新业态、新模式的孕育发展。智能制造具有以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础，以网络互联为支撑等特征，这实际上指出了智能制造的核心技术、管理要求、主要功能和经济目标，体现了智能制造对于我国工业转型升级和国民经济持续发展的重要作用。

综上所述，智能制造是将物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与先进自动化技术、传感技术、控制技术、数字制造技术结合，实现工厂和企业内部、企业之间和产品全生命周期的实时管理和优化的新型制造系统。

2.1.3 智能制造重点发展的五大领域

1．高档数控机床与工业机器人

数控双主轴车铣磨复合加工机床；高速高效精密五轴加工中心；复杂结构件机器人数控加工中心；螺旋内齿圈拉床；高效高精数控蜗杆砂轮磨齿机；蒙皮镜像铣数控装备；高效率、低重量、长期免维护的系列化减速器；高功率大力矩直驱及盘式中空电动机；高性能多关节伺服控制器；机器人用位置、力矩、触觉传感器；6～500kg级系列化点焊、弧焊、激光及复合焊接机器人；关节型喷涂机器人；切割、打磨抛光、钻孔攻螺纹、铣削加工机器人；缝制机械、家电等行业专用机器人；精密及重载装配机器人；六轴关节型、平面关节（SCARA）型搬运机器人；在线测量及质量监控机器人；洁净及防爆环境特种工业机器人；具备人机协调、自然交互、自主学习功能的新一代工业机器人。

2．增材制造装备

高功率光纤激光器、扫描振镜、动态聚焦镜及高品质电子枪、光束整形、高速扫描、阵列式高精度喷嘴、喷头；激光/电子束高效选区熔化、大型整体构件激光及电子束送粉/送丝熔化沉积等金属增材制造装备；光固化成形、熔融沉积成形、激光选区烧结成形、无模铸型、喷射成形等非金属增材制造装备；生物及医疗个性化增材制造装备。

3．智能传感与控制装备

高性能光纤传感器、微机电系统（MEMS）传感器、多传感器元件芯片集成的微控制单元（MCU）芯片、视觉传感器及智能测量仪表、电子标签、条码等采集系统装备；分散式控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集系统（ScadA）、高性能高可靠嵌入式控制系统装备；高端调速装置、伺服系统、液压与气动系统等传动系统装备。

4．智能检测与装配装备

数字化非接触精密测量、在线无损检测系统装备；可视化柔性装配装备；激光跟踪测量、柔性可重构工装的对接与装配装备；智能化高效率强度及疲劳寿命测试与分析装备；设备全生命周期健康检测诊断装备；基于大数据的在线故障诊断与分析装备。

5．智能物流与仓储装备

轻型高速堆垛机；超高超重型堆垛机；高速智能分拣机；智能多层穿梭车；智能化高密度存储穿梭板；高速托盘输送机；高参数自动化立体仓库；高速大容量输送与分拣成套装备；车间物流智能化成套装备。

可以看出，当前国家针对智能制造装备产业推出的多项政策，将从智能化、精密化、绿色化和集成化等方面提升我国装备制造产业走向智能高端领域。

2.1.4 智能制造的十项关键技术

智能制造的最终目的是实现智能决策，其主要实施途径包括：开发和研制智能产品；加大智能装备的应用；按照自底向上的层次顺序，建立智能生产线，构建智能车间，打造智能工厂；践行和开展智能研发；形成智能物流和供应链体系；开展实施环节的智能管理；推进整体性智能服务。

目前，智能制造的“智能”还处于以实现相应功能为目的（Smart）的层次，智能制造系统具有数据采集、数据处理、数据分析的功能，能够准确执行控制指令，能够实现闭环反馈；而智能制造的趋势是真正实现智能化（Intelligent），即智能制造系统能够实现自主学习、自主决策、不断优化。

在智能制造的关键技术当中，智能产品与智能服务可以帮助企业带来商业模式的创新；智能装备、智能生产线、智能车间和智能工厂可以帮助企业实现生产模式的创新；智能研发、智能管理、智能物流与供应链则可以帮助企业实现运营模式的创新；而智能决策则可以帮助企业实现科学决策。智能制造的十项关键技术分别为：智能产品（Smart Product）、智能服务（Smart Service）、智能装备（Smart Equipment）、智能产线（Smart Production line）、智能车间（Smart Workshop）、智能工厂（Smart Fac-tory）、智能研发（Smart R&D）、智能管理（Smart Management）、智能物流与供应链（Smart Logistics and SCM）、智能决策（SmartDecision Making），如图2-2所示，这十项技术之间是息息相关的，制造企业应当渐进式、理性地推进这十项智能技术的应用。