工業(yè)4.0先進(jìn)制造技術(shù)及裝備

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925)

1 工業(yè)4.0：第四次工業(yè)革命

1.1 德國(guó)工業(yè)4.0計(jì)劃

德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部在2013年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上提出了“工業(yè)4.0（Industry 4.0）”的概念。該概念提出，在繼蒸汽機(jī)的應(yīng)用、規(guī)?；a(chǎn)和電子信息技術(shù)等三次工業(yè)革命后，隨著信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，實(shí)體物理世界與虛擬網(wǎng)絡(luò)世界走向融合，人類將以信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems，CPS)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)資源、信息、物品和人的互聯(lián)，建立起高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式[1]。這種以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的漸進(jìn)性進(jìn)步被描述為工業(yè)化的第四個(gè)階段。德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略旨在通過(guò)充分利用信息通訊技術(shù)和信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，推動(dòng)制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。

1.2 中國(guó)“兩化”深度融合戰(zhàn)略

2013年8月，工信部制定了《信息化和工業(yè)化深度融合專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃（2013-2018年）》，涵蓋管理體系與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、示范建設(shè)、中小企業(yè)信息化能力提升、電商和物流業(yè)信息化集成創(chuàng)新、重點(diǎn)領(lǐng)域智能化水平提升、智能制造生產(chǎn)模式培育、互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新、信息產(chǎn)業(yè)支撐服務(wù)能力建設(shè)等八大行動(dòng)計(jì)劃[2]。在2015年的十二屆全國(guó)人大三次會(huì)議上，李克強(qiáng)總理提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，將互聯(lián)網(wǎng)作為當(dāng)前信息化的核心，進(jìn)一步推進(jìn)服務(wù)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)融合的過(guò)程。繼而，5月8日國(guó)務(wù)院正式發(fā)布了我國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)——《中國(guó)制造2025》，再次明確指出進(jìn)一步推進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合，把智能制造作為兩化融合的主攻方向；著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平[3]。

以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，實(shí)質(zhì)是在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下構(gòu)建個(gè)性化定制、數(shù)字化集成、社會(huì)化協(xié)同的智能生產(chǎn)模式?；诖?，德國(guó)工業(yè)4.0計(jì)劃與中國(guó)“兩化”深度融合戰(zhàn)略異曲同工，殊途同歸。不難預(yù)見(jiàn)，“互聯(lián)網(wǎng)+”將推動(dòng)“中國(guó)制造”走向“中國(guó)智造”，而《中國(guó)制造2025》無(wú)疑成為中國(guó)版的“工業(yè)4.0”規(guī)劃。

2 工業(yè)4.0先進(jìn)制造技術(shù)

2.1 柔性制造和精益生產(chǎn)技術(shù)

工業(yè)4.0首先是工業(yè)3.0的升級(jí)版，傳統(tǒng)的“剛性”自動(dòng)化生產(chǎn)線升級(jí)為柔性制造自動(dòng)化系統(tǒng)。在工業(yè)4.0中，人工智能、專家系統(tǒng)及智能傳感器技術(shù)將大規(guī)模地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)，借助模擬專家的智能活動(dòng)，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動(dòng)，系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，在受到外界或內(nèi)部激勵(lì)（制造任務(wù)、生產(chǎn)品種或生產(chǎn)環(huán)境變化）時(shí)能自動(dòng)調(diào)節(jié)其參數(shù)，以達(dá)到最佳工作狀態(tài)，具備自組織能力。此外，供應(yīng)鏈系統(tǒng)能根據(jù)單個(gè)需求做出生產(chǎn)配送的響應(yīng)，傳統(tǒng)的“以產(chǎn)定銷”轉(zhuǎn)變成“以銷定產(chǎn)”，適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)需求。

工業(yè)4.0還將引入精益生產(chǎn)（JIT）方式。企業(yè)基于精益制造系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接受來(lái)自ERP系統(tǒng)的工單、BOM、制程、供貨方、庫(kù)存、制造指令等信息，同時(shí)把生產(chǎn)方法、人員指令、制造指令等下達(dá)給人員、設(shè)備等控制層，通過(guò)布置在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的專用設(shè)備（PDA智能手機(jī)、LED生產(chǎn)看板、條碼采集器、PLC、傳感器、I/O、DCS、RFID、PC等硬件）對(duì)從原材料上線到成品入庫(kù)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、控制和監(jiān)控，再把生產(chǎn)結(jié)果、人員反饋、設(shè)備操作狀態(tài)與結(jié)果、庫(kù)存狀況、質(zhì)量狀況等動(dòng)態(tài)地反饋給決策層。決策層通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人員組織、運(yùn)行方式和市場(chǎng)供求等方面的變革，追求生產(chǎn)的合理性和高效性，使生產(chǎn)系統(tǒng)能很快適應(yīng)用戶需求不斷變化，并能使生產(chǎn)過(guò)程中一切無(wú)用、多余的東西被精簡(jiǎn)，最終達(dá)到包括市場(chǎng)供銷在內(nèi)的生產(chǎn)各方面的最好結(jié)果。

2.2 云計(jì)算和大數(shù)據(jù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的進(jìn)步，來(lái)自政府、企業(yè)、個(gè)人的各種信息匯成了數(shù)據(jù)的海洋，在充分利用的情況下，這種極富廣度和深度的大數(shù)據(jù)可以賦予人們近乎超感官知覺(jué)的能力，讓中小企業(yè)都能通過(guò)更加貼近客戶的方式取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用將推動(dòng)著商業(yè)智能的演進(jìn)。然而，大數(shù)據(jù)的價(jià)值體現(xiàn)離不開(kāi)云計(jì)算、分布式處理技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)和感知技術(shù)的發(fā)展。云計(jì)算可提供每秒10萬(wàn)億次運(yùn)算能力，用戶通過(guò)電腦、手機(jī)等終端接入數(shù)據(jù)中心（計(jì)算資源共享池），可按自己的需求進(jìn)行運(yùn)算。

在工業(yè)4.0時(shí)代，數(shù)據(jù)中心將成為企業(yè)資源共享的大平臺(tái)，與生產(chǎn)制造有關(guān)的數(shù)據(jù)源于企業(yè)、用于企業(yè)，包括文檔、三維模型、工藝條件等數(shù)據(jù)都能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在任何地方和任何時(shí)間得以獲取和搜集，并有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化分布。這不僅拉近了企業(yè)與客戶間的距離，也提供了企業(yè)與企業(yè)進(jìn)行社會(huì)化協(xié)同制造的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品價(jià)值鏈的橫向集成。

2.3 以傳感器和高速網(wǎng)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)

構(gòu)建信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)4.0的核心，其關(guān)鍵技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。物料和產(chǎn)品集成有動(dòng)態(tài)數(shù)字存儲(chǔ)器、在線條碼、感知和通信能力，承載著其整個(gè)供應(yīng)鏈和生命周期中所需的各種必需信息。物理設(shè)備通過(guò)二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，根據(jù)約定的協(xié)議（Bluetooth、ZigBee、WiFi等）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，甚至通過(guò)智能可穿戴設(shè)備，實(shí)現(xiàn)操作工與設(shè)備間的語(yǔ)音、手勢(shì)、眼球等多模式交互，從而具有智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理功能。

3 工業(yè)4.0先進(jìn)制造裝備

3.1 數(shù)控加工柔性智能制造系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床的制造柔性化、自動(dòng)化程度不斷提高，從傳統(tǒng)的單機(jī)加工、流水線生產(chǎn)逐漸向制造島、自動(dòng)車間和分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)的方向立體式發(fā)展。一方面，機(jī)床加工精度更高、速度更快、柔性更好；一方面，制造信息系統(tǒng)集成度更高，數(shù)控機(jī)床能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)結(jié)。在生產(chǎn)制造過(guò)程中，數(shù)控加工系統(tǒng)通過(guò)在線監(jiān)測(cè)過(guò)程參數(shù)，如切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流等，實(shí)時(shí)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)以及加工指令，并可自動(dòng)識(shí)別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，及時(shí)優(yōu)化和調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)，從而使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的智能化程度也在不斷提高，通過(guò)集成專家系統(tǒng)，在加工過(guò)程中模擬人類專家的智能活動(dòng)，以解決加工過(guò)程許多不確定性的、要由人工干預(yù)才能解決的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)過(guò)程自適應(yīng)、參數(shù)自優(yōu)化、故障自診斷和自修復(fù)等功能。具體體現(xiàn)在：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化，如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作的智能化，如智能化的自動(dòng)編程，智能化的人機(jī)界面等；智能診斷、智能監(jiān)控，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。世界上正在進(jìn)行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智能化數(shù)控裝置研究會(huì)針對(duì)鉆削的智能加工方案具有代表性。

3.2 工業(yè)機(jī)器人

我國(guó)人力成本不斷攀高，產(chǎn)品質(zhì)量受人力因素干擾大幅上升。工業(yè)機(jī)器人之所以可取代體力勞動(dòng)者完成一項(xiàng)或多項(xiàng)功能性操作，源于集成了先進(jìn)的智能傳感器和專家診斷系統(tǒng)，使機(jī)器具備各種類人感覺(jué)，如視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等。目前工業(yè)應(yīng)用的常見(jiàn)智能機(jī)器人有點(diǎn)焊機(jī)器人、激光加工機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、裝配機(jī)器人等，可有效避免人為因素可能導(dǎo)致的錯(cuò)誤。

3.3 3D打印機(jī)

3D打印機(jī)作為一種增材制造技術(shù)，日益成為柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分。3D打印實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)由“面向制造的設(shè)計(jì)”向“面向性能的設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變，完全解放了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的自由和消費(fèi)者的個(gè)性化需求，將是工業(yè)4.0時(shí)代一種小批量定制化的重要生產(chǎn)方式——按需生產(chǎn)、分布式生產(chǎn)。目前，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療和個(gè)性定制商品等領(lǐng)域已有應(yīng)用，如Align隱形牙套、歐洲鈦合金骨骼和意造網(wǎng)、Quirky等，而在工業(yè)制造領(lǐng)域，可能還需要5-10年才能大規(guī)模應(yīng)用，其中航空制造業(yè)、消費(fèi)電子業(yè)、汽車制造業(yè)已經(jīng)有了積極探索（如波音公司、GE通用公司）。制約3D打印在工業(yè)制造領(lǐng)域應(yīng)用的主要問(wèn)題：一是打印設(shè)備穩(wěn)定性、打印精度不夠；二是打印材料、尤其是金屬材料的制備，有一定技術(shù)門檻，而且技術(shù)路徑較多；三是設(shè)備和材料的成本高居不下。

3.4 高度集成智能傳感與無(wú)線通信設(shè)備的信息物理系統(tǒng)

“智能”是工業(yè)4.0的核心，體現(xiàn)在生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的自識(shí)別、自協(xié)調(diào)和自管理。在這個(gè)過(guò)程中，及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的在線傳感與無(wú)線通信尤顯重要。因此，傳感測(cè)試和通信協(xié)議的準(zhǔn)確性、一致性和可靠性是實(shí)現(xiàn)第四次工業(yè)革命的基礎(chǔ)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，生產(chǎn)物料和設(shè)施設(shè)備都承載了各種信息，通過(guò)信息物理系統(tǒng)上的傳感裝置對(duì)信息的讀取和分析，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象的實(shí)時(shí)感知、識(shí)別、跟蹤、監(jiān)測(cè)和管理。涉及的傳感裝置有一般傳感器也有智能傳感器，如：二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、CCD影像識(shí)別裝置、語(yǔ)音識(shí)別裝置、身體語(yǔ)言（面部表情、肢體動(dòng)作、手勢(shì)）識(shí)別裝置等。其中，二維碼識(shí)讀設(shè)備的技術(shù)參數(shù)主要有反射率和條/空寬度的示值誤差、重復(fù)性、穩(wěn)定性，譯碼率等。CCD影像識(shí)別裝置的技術(shù)參數(shù)主要有尺寸測(cè)量精度、放大倍率、圖像捕獲率、圖像抓拍有效率、識(shí)別正確率、識(shí)別時(shí)間等。

在工業(yè)4.0信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)里，無(wú)線通信和無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)被普遍應(yīng)用，如無(wú)線RFid射頻技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)和WiFi技術(shù)，主要設(shè)備包括信號(hào)發(fā)生裝置和接收裝置，涉及參數(shù)有時(shí)間頻率、頻率響應(yīng)、相位、功率、占空比、靈敏度、調(diào)制帶寬、互調(diào)衰減?、輻射雜散、傳導(dǎo)雜散、電磁兼容性和抗擾性等。

4 結(jié)束語(yǔ)

《中國(guó)制造2025》正式拉開(kāi)了中國(guó)工業(yè)4.0時(shí)代的序幕，新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合成為中國(guó)制造文化的主潮流。文中對(duì)工業(yè)4.0智能工廠和智慧生產(chǎn)中最具代表性的柔性制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)以及數(shù)控加工裝備和工業(yè)機(jī)器人等先進(jìn)制造技術(shù)與裝備進(jìn)行了介紹，闡述了相關(guān)技術(shù)與裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)探討中國(guó)制造實(shí)現(xiàn)第四次工業(yè)革命、促進(jìn)中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有現(xiàn)實(shí)意義。

[1]百度百科.工業(yè)4.0[EB/OL].http://baike.baidu.com/subview/10471356/14804310.htm#1.2015-05-11.

[2]信息化司.工業(yè)和信息化部關(guān)于印發(fā)信息化和工業(yè)化深度融合專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃（2013-2018年）的通知[EB/OL].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n12843926/n 13917012/15611834.htm l.2015-05-11.

[3]國(guó)務(wù)院.國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國(guó)制造2025》的通知[EB/OL]．http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.2015-05-19.