智能制造裝備是具有預(yù)測(cè)、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(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)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(duì)于加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，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(guó)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)。
一、智能制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀
1、美國(guó)
美國(guó)是國(guó)際智能制造思想的發(fā)源地之一，美國(guó)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)領(lǐng)先地位的基石。從上世紀(jì)90年代開始，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金(NSF)就著重資助有關(guān)智能制造的諸項(xiàng)研究，項(xiàng)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(jì)、物流傳輸?shù)闹悄茏詣?dòng)化等。2005年，美國(guó)國(guó)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(jì)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?jī)?nèi)容包括：
(1)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。即將相關(guān)工藝過程和設(shè)備知識(shí)加以集成后進(jìn)行建模，進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化。
(2)設(shè)備特征化。即開發(fā)特征化的測(cè)量方法、模型和標(biāo)準(zhǔn)，并在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)機(jī)床性能進(jìn)行測(cè)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(cè)量、傳感和分析方法。
(5)在加工過程中直接測(cè)量刀具磨損和工件精度的方法。
2011年，美國(guó)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(jì)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(bào)告的積極響應(yīng)。在這份由美國(guó)智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟(smart manufacturing leadership coalition，SMLC)公布的報(bào)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(dòng)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(dòng)化技術(shù)，加快對(duì)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(jìng)爭(zhēng)力方面的多重效益。
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(guó)際合作計(jì)劃，并與美國(guó)、加拿大、澳大利亞、瑞士和歐洲自由貿(mào)易協(xié)定國(guó)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(jì)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(guó)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(guó)界限制，且能彼此合作的高技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)。
3、歐盟
歐盟于2010年啟動(dòng)了第七框架計(jì)劃(FP7)的制造云項(xiàng)目，特別是制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的德國(guó)，繼實(shí)施智能工廠(Smart factory)之后，又啟動(dòng)了一個(gè)投入達(dá)2億歐元的工業(yè)4.0(Industry4.0)項(xiàng)目。德國(guó)政府2010年制定的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》計(jì)劃行動(dòng)中，意圖以未來項(xiàng)目“工業(yè)4.0”奠定德國(guó)在關(guān)鍵工業(yè)技術(shù)上的國(guó)際領(lǐng)先地位，并在2013年4月舉行的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式將此計(jì)劃推出。“工業(yè)4.0”概念最初是在德國(guó)工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子公司等德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)下形成，目前其已上升為國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略。
4、中國(guó)
我國(guó)自2009年5月《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》出臺(tái)以來，國(guó)家對(duì)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的政策支持力度不斷加大，2012年國(guó)家有關(guān)部委更集中出臺(tái)了一列規(guī)劃和專項(xiàng)政策，使得我國(guó)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(shí)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(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)培育成為具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(xiàng)規(guī)劃》;國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、財(cái)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(xiàng);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(xiàng)智能測(cè)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(guó)民經(jīng)濟(jì)六大重點(diǎn)領(lǐng)域的示范應(yīng)用推廣。
二、智能制造裝備的內(nèi)涵與發(fā)展重點(diǎn)
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(dòng)，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(dòng)。智能制造裝備最終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、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(jì);
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(shí)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(shí)別技術(shù)。
(2)八項(xiàng)核心智能測(cè)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(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(guó)防軍工領(lǐng)域;
⑥基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域。
三、智能制造裝備發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)前，智能制造裝備的發(fā)展趨勢(shì)以德國(guó)的“工業(yè)4.0”和美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備最為清晰。
德國(guó)“工業(yè)4.0”
德國(guó)“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(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，推動(dòng)現(xiàn)有制造業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型。CPS是一個(gè)綜合計(jì)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(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時(shí)協(xié)同。德國(guó)電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)于2013年發(fā)布了德國(guó)首個(gè)“工業(yè)4.0”標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，以加強(qiáng)德國(guó)作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，確保德國(guó)制造的未來。
“工業(yè)4.0”項(xiàng)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)
(2)智能生產(chǎn)。主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)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(xiàng)目。
美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備
2013年，美國(guó)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(bào)告。該報(bào)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(shì)：
(1)工業(yè)革命。伴隨著工業(yè)革命，出現(xiàn)了無數(shù)臺(tái)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(jì)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，三種元素逐漸融合，誕生了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要素包括：
(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(duì)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(jí)分析。使用基于物理的分析法、預(yù)測(cè)算法、自動(dòng)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(shí)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(shí)連接，連接各種工作場(chǎng)所的人員，以支持更為智能的設(shè)計(jì)、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(jí)計(jì)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。
四、智能制造是高端裝備制造業(yè)的未來方向
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(guó)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(guó)的“工業(yè)4.0”項(xiàng)目也積極地推動(dòng)了制造業(yè)向智能化的轉(zhuǎn)型。我國(guó)政府也充分認(rèn)識(shí)到智能制造裝備的重要戰(zhàn)略地位，已出臺(tái)政策推動(dòng)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引領(lǐng)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(shí)，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(dòng)化成套生產(chǎn)線等重點(diǎn)領(lǐng)域形成快速發(fā)展與突破。
