智能制造与数字化工厂58课件

智能制造与数字化工厂582023/7/30智能制造与数字化工厂58智能制造与数字化工厂582023/7/29智能制造与数字化工1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与数字化工厂58提纲一、智能制造的背景、特征与关键技术智能制造与数字化23制造技术发展趋势绿色化制造需求：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

满足客户个性化需求

全价值链端到端系统工程

个性化智能制造与数字化工厂583制造技术绿色化制造需求：多品种多批量、高质量低成本、柔性制31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制造业变化的速度比以往更快

42

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

提升竞争力智能制造与数字化工厂581能源和资源利用效率•更短的创新周期•个性化大规模生产提升效45美国

“再工业化”

•

国家制造技术创新联盟

•

使用本国页岩气和石油德国

保持工业领先地位

•

持续创新机制

•

高出口量

•

工业4.0为新的指导原则中国

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智能制造与数字化工厂585美国德国中国制造业成为全球经济发展的发动机智能制造与数字化562015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智能制造与数字化工厂5862015年中国长三角地区的制造成本仅比美国低5%中国的制造6

哥本哈根中国减排目标

产业升级压力

劳动力成本上升

能耗排放压力中国制造业机遇：发展先进制造技术，实现产业升级

7低附加值高附加值中国的挑战和机遇智能制造与数字化工厂58 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智7•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、自我决策机械化

蒸汽机

机械一代电气化

普通机床

电气一代数字化

数控机床

数控一代智能化

智能机床

智能一代

制造业发展的几个主要阶段

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智能制造与数字化工厂58•蒸汽机的发明，电动机的发明，信息技术特别是智能技术的应用，8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智能制造与数字化工厂58第四次工业革命：智能制造第一次工业革命第二次工业革命第三次工9智能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……什么叫智能制造

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。

高品质制造智能制造与数字化工厂58智能制造几何精度什么叫智能制造智能制造与数字化工厂5810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)

★

重点研究数字化设计制造集成技术“十二五”国家战略性新兴产业发展规划

★

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

☆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、智能制造系统等智能制造与数字化工厂58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11In

its

report

EnsuringAmericanLeadership

inAdvancedManufacturing,

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)智能制造与数字化工厂58InitsreportEnsuringAmerican1213智能制造的基本特征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。智能制造与数字化工厂5813智能制造的基本特征1)信息驱动采集产品制造的各类数据、1314智能制造的基本特征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。智能制造与数字化工厂5814智能制造的基本特征3)人机协同实现人和系统的协同交互，辅1415智能制造的基本特征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。智能制造与数字化工厂5815智能制造的基本特征5)自学习能力以专家知识为基础，不断1516智能制造关键技术

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与数字化工厂5816智能制造关键技术 综合利用智能传感技术、计算机网络技术、16造装备/工艺生产管理服CAD/CAE/CAMPDM/ERP/SCM销售/维护/报废智能装备

感知

自主/半自主

智能制造体系结构

企业制造

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

决策规划

智能控制

制造智能智能制造与数字化工厂58造装备/工艺生产管理服CAD/CAE/CAMPDM/ERP/17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

伺

服

驱

动

系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

动力源

数控机械产品制造装备智能化的基础智能制造与数字化工厂58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182、高速、高精、高可靠现场总线

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

高速纳米插补

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

加工参数自动调整

制造装备智能化的内涵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智能制造与数字化工厂582、高速、高精、高可靠现场总线 先进数控机床加速度可达19Institute

on

Advanced

Manufacturing

Technology,

Tongji

University操作权限指纹确认

数码相机加工任务完成情况和机床状态可用手机查询信息塔(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。

Prof.

Shu

Zhang智能化制造装备—国内外进展

智能化与自主管理智能制造与数字化工厂58InstituteonAdvancedManufact20

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通讯单元智能化制造装备—国内外进展

智能化与自主管理智能制造与数字化工厂58知道本系统的加工能能够监控和自主优化加工过程能够自行21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与数字化工厂58提纲一、智能制造的背景、特征与关键技术智能制造与数字化22

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系统组成RFID工作原理

RFID在智能制造中的应用模式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。

电子标签读写器读写器天线

读写器天线射频信号

RFID中间件

企业业务应用扩展企业网络智能制造与数字化工厂58适应复杂工况：防雨水、抗污渍、抗油污、可喷涂RFID系23RFID在智能制造中的应用模式托盘夹具

ID

容器RFID标签工装板

加工零件刀具

TAG智能制造与数字化工厂58RFID在智能制造中的应用模式托盘夹具IDRFID标签工装24

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。智能制造与数字化工厂58 智能制造在AGV搬运机器人上的应用在AGV小车需要判别转25

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与数字化工厂58 智能制造在码垛机器人上的应用在自动立库的出入口、码垛机器26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智能制造与数字化工厂58智能制造在烟草业中的应用烟棒过滤嘴自动仓库的RFID仓库容器27

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%以上智能制造与数字化工厂58 智能制造在数控加工中心辅助机器人应用给每一个工件安装一个28智能制造在线测量机器人的应用应用说明：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%

29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偏移量值智能制造与数字化工厂58智能制造在线测量机器人的应用应用说明：在电极夹具上装载RF29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。智能制造与数字化工厂58汽车喷涂中的智能制造技术SYGOLE在汽车车身装RFID远30

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RFID标签sygole读写装置

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。

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。智能制造与数字化工厂58 发动机装配混流中智能制造发动机组装过程在主体盘上装别发31

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智能制造与数字化工厂58 物流快速批量识别和AGV集成应用物流载具、托盘、叉车RF32一、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、相关工作基础提纲智能制造与数字化工厂58一、智能制造的背景、特征与关键技术提纲智能制造与数字化33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

混流制造辅具控制智能制造与数字化工厂58智能制造应用解决方案智能智能家电车间物流工程机械物流园智能维34

产品制造研发设计反馈生产过程跟踪出厂测试记录

销售管控商业模式转变以租代售销售信息汇总厂商信息同步售后维护

数据分析记录

寿命预测

故障诊断客户体验

个性化交互

故障智能提醒

自适应控制

节能高效智能制造方案：

机电产品智能化

应用领域

产品制造产品服务

全面提升产品附加值

全生命周期智能制造与数字化工厂58 产品制造 销售管控售后维护客户体验智能制造方案：机电产品35产品智能化：工程机械产品智能化车载智能中控系统装备使用状态

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、现场服务支持智能制造与数字化工厂58产品智能化：工程机械产品智能化车载智能中控系统装备使用状态后36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制造与数字化工厂58刀具管理适应恶劣加工工况刀具与加工机床/对刀37

智能维护方案价值1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；2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；3

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。智能制造与数字化工厂58 智能维护123智能制造与数字化工厂5838一、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、相关工作基础提纲智能制造与数字化工厂58一、智能制造的背景、特征与关键技术提纲智能制造与数字化39

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质量

1000多种变型共线

3.5分钟/辆

（江淮商务车）

224个PP100（每百辆新车问题数）

4000多种变型共线

（2000年丰田Coronas装配线）

48秒/辆

（日本本田轿车、商务车共线）

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智能制造与数字化工厂58 数字化工厂的作用：以汽车工业为例自主品牌汽车工业发达国家40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。智能制造与数字化工厂58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41什么是数字化工厂

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智能制造与数字化工厂58什么是数字化工厂数字化工厂以MES为核数字化工厂42−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

生产过程数字化−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

质量管控数字化−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

制造资源数字化−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

现场运行数字化−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)

物料管控数字化管控中心

PCC生产质量

ERPPDM

物流设备数字化工厂的核心内容智能制造与数字化工厂58−物流通道及设备监控 生产过程数字化−各工位关重件安装匹配查43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智能制造与数字化工厂58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44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智能制造与数字化工厂58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：45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智能制造与数字化工厂58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46Production

Integration

Center波音787数字化工厂智能制造与数字化工厂58ProductionIntegrationCenter波47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数字化工厂智能制造与数字化工厂58通过采用数字化工厂，波音公司在制造环节取得了显著的显著提48解决方案

与应用-涂装-总装-总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）

冲压车间

焊装焊装-涂装车间

装车间

发动机加工/装配车间

作业型生产

流水型生产

生产

混合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

控制器智能料架物料匹配

装置数字化工厂解决方案：汽车智能制造与数字化工厂58解决方案-涂装-总装-总自主品牌汽车生产企业（江淮、奇瑞、海49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智能料架物料匹配智能制造与数字化工厂58数字化工厂解决方案：汽车工艺过程优化 多车间生产排序缸体工装50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