智能制造应用基础 课件 第1、2章 智能制造总论、智能制造引发的工业生产新模式

——建设方案《智能制造应用基础》高等教育出版社第1章智能制造总论

1.11.21.3全新的工业生产模式智能制造：机器与机器的对话智能制造技术体系1.1节全新的工业生产模式第1章

智能制造总论1.1全新的工业生产模式-产品生产的新模式随着物质产品丰富，消费者需求从传统功能转向个性化、体验化。传统生产模式无法满足，需新生产模式。如智能产品可根据用户需求定制功能，满足多样化需求。消费者需求变化使消费者能够根据不同的营销策略提供新的、独特的产品或服务，有效地满足消费者特定的个性化需求，并在此基础上为同类企业创造更广泛的竞争优势。营销策略发展不对称时至今日，多元化不仅限于产品类型和功能的多样化，还转化为与产品相关的服务和产品边界的多样化。1.1全新的工业生产模式-产品生产的新模式智能产品是智能制造价值载体，具有自感知、自诊断、自适应等智能特征。如智能数控机床融入专家知识，实现高品质零件自学自律制造。智能产品特点新一代智能制造实现了复杂系统的精确仿真和实时优化决策；形成自学习、自感觉、自适应、自调节的智能生产线、智能车间和智能产品；实现对产品的优质、灵活、高效、安全、绿色生产。智能制造优势生产模式是基于制造系统运行理念的企业系统、运营、管理、生产组织和技术系统的形式和运行模式。手工生产机械生产大规模流水线生产精益生产和快速制造规模定制化生产1.1全新的工业生产模式-工厂生产的新模式

技术进步市场竞争重点（QCTS多目标优化的首要目标）经济模式生产模式第一次工业革命蒸汽机技术的发明和应用质量Q自由卖方经济·市场机器生产第二次工业革命电气技术的发明和应用成本C规模卖方经济·市场大规模流水线生产第三次工业革命数字技术的发明和应用时间T规模买方经济·市场精益生产与敏捷制造第四次工业革命智能技术的发明和应用服务S范围买方经济·市场规模定制化生产四次工业革命中生产模式的变化1.1全新的工业生产模式-工厂生产的新模式“工业4.0”是由智能生产主导的第四次工业革命。随着全球智能制造业的快速发展，智能工厂将成为未来工业系统的关键特征，智能工厂已成为传统制造业转型的主要突破点。智能制造的五种模式：离散智能制造、过程智能制造、网络协同制造、大规模定制和远程运维服务。智能制造领域范围包括智能产品、智能制造、智能服务等。这些方面还包括优化和集成。虽然两者在技术安排上有所不同，但本质上是一致的。在这里，我们以生产过程为例进行分析。1.1全新的工业生产模式-工厂生产的新模式（1）传统的生产和计算机系统传统的生产系统由两个主要组成部分组成：人和物理系统（HPS），机器的控制是手动操作进行的，以完成各种任务。(a)传统制造系统的技术机制

(b)人体物理系统(HPS)示意图1.1全新的工业生产模式-工厂生产的新模式1.1全新的工业生产模式（2）数字化制造、数字化网络化制造-人机物理系统(HCPS)一、二代智能制造系统：与传统制造系统的不同之处在于它添加了人与物理系统之间的网络系统。将网络系统和人力网络系统（HCS）和网络物理系统（CPS）导入到制造系统中，实现了制造系统从传统HPS到HCPS的演变。1.1全新的工业生产模式-工厂生产的新模式（3）新一代智能制造与新一代HCPS将制造系统的认知和学习功能添加到网络系统中，借助网络系统的强大的感知、计算、分析和控制能力，提高系统的学习和生成知识的能力。现阶段，新一代人工智能技术将引发HCPS质变，形成新一代HCPS。1.1全新的工业生产模式-工厂生产的新模式HCPS特点：1）人类会转移他们的一些认知和学习对网络系统进行脑力劳动，使网络系统能够“认知和学习”。2）通过“人”的混合来增强智能循环，深入的人机集成将从根本上提高制造系统的处理能力。1.1全新的工业生产模式-工厂生产的新模式（4）智能制造云与工业互联网智能制造和工业互联网是紧密相关的。智能制造是指依托现代信息技术，通过采集、传输、处理和分析各种数据，实现制造过程的智能化、柔性化和高效化的一种制造模式，而工业与联网则是指通过互联网技术，将各种设备、工业系统和企业组织进行互联互通，实现信息的流动和共享，提升生产效率和产品质量。1.1全新的工业生产模式-工厂生产的新模式过去企业竞争力在产品设计和生产，现转向产品服务，从“产品导向”到“客户导向”，如提供产品全生命周期保障服务。企业核心竞争力转变智能化技术使智能产品及时响应客户互动，通过“产品即服务”增加产品价值，如柔性制造模式快速响应客户定制化需求。智能化技术影响新一代智能技术将改变人机关系，使人类从事创造性工作，同时推动制造业绿色和谐发展。新一代智能技术影响1.1全新的工业生产模式-产品与市场关联新内涵1.2节智能制造：机器与机器的对话第1章

智能制造总论1.2智能制造：机器与机器的对话-自适应生产（1）自适应生产的总体思路：为了应对不断变化的市场和缩短的产品生命周期，生产系统需要更具适应性，并允许轻松引入新产品和产品变体。（2）分布式自适应生产系统：

分布式自适应生产系统由一组灵活的生产资源组成，能够生产不同种类的产品或产品变体。自适应生产控制系统的示例结构基于适应性制造系统能力的生产计划1.2智能制造：机器与机器的对话-自适应生产智能制造源于人工智能研究，1988年首次提出概念，旨在通过知识工程等集成实现智能生产。历史起源进入21世纪，信息技术飞速发展，推动智能制造从单元数字化到全面数字化、网络化、智能化制造。技术进步推动新一代人工智能技术取得根本性进展，如深度学习、跨界协作等，为智能制造提供新思维方式和革命性升级机遇。新一代人工智能突破1.2智能制造：机器与机器的对话-智能制造发展的历史1.2智能制造：机器与机器的对话-国内外智能制造技术的发展状况发达国家高度重视智能制造，如美国、德国、日本等，将其作为制造业竞争制高点，投入大量资源进行研发和应用。国外发展01我国智能制造发展迅速，政府出台多项政策支持，企业积极探索实践，但仍面临一些挑战，如核心技术有待突破、人才短缺等。国内发展02智能制造技术在制造业各领域广泛应用，如汽车、电子、机械等，推动产业升级和创新发展。技术应用领域0321世纪将是智能化在制造业获得大发展和广泛应用的时代，引发制造业的变革。（1）制造全系统、全过程应用建模与仿真技术（2）重视使用机器人和柔性生产线（3）物联网和务联网在制造业中作用日益突出（4）普遍关注供应链动态管理、整合与优化（5）增材制造技术与作用发展迅速1.2智能制造：机器与机器的对话-国内外智能制造技术的发展状况1.3节智能制造技术体系第1章

智能制造总论1.3智能制造技术体系-《中国制造2025》之智能制造互动能力强，用户体验性好，其智能性主要通过自主决策、自适应工况、人机交互、信息通信等技术来实现。赋予产品制造在线学习和知识进化能力，实现高品质零件的自学自律制造。面向使用过程的产品智能化技术产品是制造的目标对象，它的智能特征体现在可自动识别、可精确定位、可全程追溯、可自主决定路径和工艺、可主动报告自身状态、可感知并影响环境等诸多方面。面向制造过程的产品智能化技术远程智能服务是产品价值链中非常重要的组成部分，为了实现远程智能服务，产品内部嵌入了传感器，智能分析与控制装置和通信装置，从而实现产品运行状态数据的自动采集、分析和远程传递。面向服务过程的产品智能化技术智能产品1.3智能制造技术体系-《中国制造2025》之智能制造面向产品的智能设计技术面向多源海量数据的设计需求获取技术智能制造过程1.3智能制造技术体系-《中国制造2025》之智能制造设计概念的智能创成技术基于模拟仿真的智能设计技术面向“性能优先”的智能设计技术智能装备与工艺1.3智能制造技术体系-《中国制造2025》之智能制造零件加工过程中，制造界面上的热——力——位移多场合效应与材料、结构、工艺、过程具有强相关性，通过对一系列物理量，以及应力应变进行高精度在线检测，为工艺知识学习与制造过程自主决策提供支撑。工况自检测建立描述工况、耦合行为和工件品质映射关系的联想记忆知识模板，通过工艺知识的自主学习理论，实现基于模板的知识积累和工艺模型的自适应进化。同时将获得的工艺知识存储于工艺知识库中，供工艺优化使用，为制造过程自主决策提供支撑。工艺知识自学习通过将工艺知识融人装备控制系统决策单元，根据在线检测识别加工状态，由工艺知识对参数进行在线优化并驱动生成过程控制决策指令，对主轴转速及进给速度等工艺参数进行实时调控，使装备工作在最佳状态。制造过程自主决策和装备自律执行智能生产1.3智能制造技术体系-《中国制造2025》之智能制造智能生产：制造工厂或车间的智能特征体现1.3智能制造技术体系-《中国制造2025》之智能制造01智能工厂必须具备通过快速的结构调整和资源重组，以及柔性工艺、混流生产规划与控制、动态计划与调度等途径来主动适应这种变化的能力。制造系统的适应性技术02基于实时反馈信息的智能动态调度中机器智能和人的智能将真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。基于实时反馈信息的智能动态调度技术03通过工厂物联网或工业互联网实时获取生产过程中的各种状态数据，然后通过分析和训练建立相应的预测模型，并实现对未来状态的预测。预测性制造技术智能制造系统将演变为复杂的“大系统”，其结构更加动态，企业间的协同关系也更分散化，制造过程由集中生产向网络化异地协同生产转变，企业之间的边界逐渐变得模糊，而制造生态系统（manufacturingecosystem）则显得更加清晰和重要，企业必须融入智能制造生态系统，才能得以生存和发展。1.3智能制造技术体系-智能制造模式1.3智能制造技术体系-智能制造基础关键技术包括高效精密加工、增材制造等技术，使制造过程更灵活高效。先进制造工艺技术物联网、云计算、工业互联网等信息技术，为人机物互联互通提供基础。新一代信息技术让机器具备智能，应用于产品设计、工艺设计、智能控制等环节。人工智能技术1.3智能制造技术体系-《中国机械工程技术路线图》之智能制造《中国机械工程技术路线图》智能制造的技术体系主要包括制造智能技术、智能制造装备技术、智能制造系统技术、智能制造服务技术、智能工厂技术。——建设方案

本章结束！《智能制造应用基础》课程组——建设方案《智能制造应用基础》高等教育出版社第2章智能制造引发的工业生产新模式

2.12.22.3制造业与技术的融合发展柔性智能制造系统方案合作共享云平台在智能制造中的应用2.1节制造业与技术的融合发展第2章

智能制造引发的工业生产新模式2.1制造业与技术的融合发展智能制造的定义智能制造是将人、设备、系统三要素连接起来，形成新的系统价值链，从经验模式转变为事实模式，并不断优化。智能制造的关键要素工业智能制造可以用三物（人、物、系统）、三网（互联网、物联网、工业互联网）、四种手段（人工智能、数据通信技术、CPS、工业大数据）来描述。智能制造的未来趋势未来商业模式将发生巨大变化，制造业服务成为价值动力，制造业与技术融合创造高价值产品。2.1制造业与技术的融合发展-产品信息的交流平台二十一世纪是中国制造业的转型升级黄金时代，供给侧结构性改革推动行业资源整合与战略整合。中国制造业的转型升级未来中国企业将分为三个层次，一等企业做平台与理念，建标准，赢未来。未来中国企业的层次划分产业互联网推动不同行业互相渗透、联合、兼并整合，形成新的平台型商业生态系统。平台型商业生态系统的形成2.1制造业与技术的融合发展-产品信息的交流平台数字化转型的必要性数字化转型是企业将传统生产、管理和销售等环节与互联网、云计算和大数据结合，实现数字化管理，适应市场变革。我国制造业企业数字化转型现状我国制造业企业数字化转型起步较晚，深度有待提高，不同行业侧重点不同，云平台和工业互联网平台是关键。推进制造业数字化转型发展的途径政府注重顶层设计和政策支持，产业注重全链条改造和网络化协同，企业注重理念革新和能力建设。2.1制造业与技术的融合发展-产品信息的交流平台数字经济在二十一世纪成为各国竞争关键。新冠疫情与地缘政治冲突使全球经济发展复杂严峻，各国加快政策调整，加大科技创新与数字基础设施投入，数字经济成国家间经济竞争战略高地，如美国、德国、英国等多国纷纷出台相关战略。数字经济成竞争焦点制造业是数字经济发展的重中之重，是中国经济命脉与强国基石。制造业企业数字化转型升级是“中国制造”走向“中国智造”的关键，也是数字经济与实体经济融合的突破口，推动两者创新融合发展。制造业数字化转型我国制造业企业数字化转型的必要性2.1制造业与技术的融合发展-产品信息的交流平台我国制造业企业数字化转型现状众多民营中小型企业缺乏足够的数字化转型动力，因此我国制造业全行业数字化转型程度仍有待提高。据不完全统计，我国超过一半的制造业企业数字化转型尚处于初级基础阶段。转型起步较晚，深度有待提高不同行业在数字化转型的过程中，根据行业本身的特点，侧重点和实施路径也有所不同。如钢铁工业为代表的装备制造业重点是智能生产系统；机械行业为代表的装备制造业，重点是实现产品智能化、服务智能化的转型。不同行业转型的侧重点不同2.1制造业与技术的融合发展-产品信息的交流平台我国制造业企业数字化转型现状云平台使企业及行业资源合理利用，加快企业内部业务整合，促进企业间数据协同共享，优化资源配置，为信息化奠定基础。企业对云服务需求因特点多样化，公有云、私有云、混合云发挥关键作用，行业云呼声增大，云平台成行业新模式、新业态技术支撑。转型关键技术契合点——云平台工业互联网平台以网络智能技术为支撑，连接企业各关键环节，构建云平台服务系统，实现资源有效利用、灵活供给与高效配置。工业互联网平台是全球产业变革风向标，我国制造业应加快其发展，促进与各行业融合，使其成为转型升级驱动力。转型利器——工业互联网平台2.1制造业与技术的融合发展-产品信息的交流平台我国制造业企业数字化转型的途径政府针对性地制定出台推进措施，科学精准施策，协同推动转型发展，加强整体布局和规划，推动政策落地与实施，提升工业互联网基础设施和数据资源管理能力，优化数字化转型的发展环境。政府层面，注重顶层设计和政策支持01加快生产线、车间和工厂层面的数字化和智能化改造，以生产全过程数字化改造提升智能制造能力。推动产业链上下游企业加快数字化转型。构建协同、高效、创新的产业空间网络体系，打造产业行业生态圈。产业层面，注重全链条改造和网络化协同02以企业发展战略为根本，以企业痛点为突破点，以数据要素为核心，以数字管理为保障，将数字化转型融入到发展理念、组织方式等全方位的变革，是与时俱进、变革创新、持续推进的动态过程。企业层面，注重理念革新和能力建设032.1制造业与技术的融合发展-产品知识的管理平台产品平台及其知识管理

产品平台的本质是产品设计中可重用资源的集合，对这些资源按照设计的逻辑进行组织，即可形成设计知识，但这些知识需要有效的管理方法才能得到有效的利用。基于产品平台的知识管理系统构建过程2.2节柔性智能制造系统方案第2章

智能制造引发的工业生产新模式2.2柔性智能制造系统方案-基于5G边云协同的柔性智能制造技术方案工业PON融合无源光纤通信技术与工厂自动化生产系统，构建新型网络平台，解决异构网络互连问题。5G/F5G工业PON固移融合网络按协同层级分为端边协同、边云协同、云上协同，分别提升生产效能、优化模型、提升整体产能。工业端边云协同架构5G赋能柔性智能制造5G技术具备eMBB、URLLC、mMTC三大典型场景特征，填补生产系统对移动网络需求的空白。2.2柔性智能制造系统方案-基于5G和IMS技术的智能制造系统解决方案

基于5G和IMS技术的智能制造系统，是一套基于5G传输技术的智能制造系统，以智能制造单元为载体，加入5G技术，用于设备间的数据传输，有效解决了数据传输和实际布线的问题；通过IMS技术，有效解决了销售、设计、生产、组装等生产链的有效衔接。智能制造系统加工运行流程图2.2柔性智能制造系统方案-基于5G和IMS技术的智能制造系统解决方案“IMS系统”通过智能控制器控制运动过程，具有一定的自诊断能力，提高可靠性和安全性，支持系统集成和扩展。采用C语言对生产控制系统进行编程、开发和使用，对所需要的数据进行数据库管理，实现了生产制造过程智能化控制。智能制造系统技术路线图2.2柔性智能制造系统方案-数字孪生与人工智能在智能制造中的应用数字孪生技术的核心价值数字孪生连接物理世界与数字世界，实现产品全生命周期闭环管理和智能仿真决策。数字孪生与人工智能的融合汇聚多维异构数据，通过大数据与人工智能技术提取规律知识，支撑智能决策和精准执行。融合应用的智能制造系统特点具有全域感知、数据驱动智能决策、智能操控等特点，实现制造系统透明化和智能化。0102032.3节合作共享云平台在智能制造中的应用第2章

智能制造引发的工业生产新模式2.3合作共享云平台在智能制造中的应用-合作共享云平台的结构组成与主流程010203云平台的结构组成云平台主流程制造共享的实现多中心智能制造共享云平台由智能制造云平台和供应链云平台组成，分别实现智能制造和供应链管理功能。主流程包括云商户采购下单、智能制造云平台支持生产、云制造企业采购下单等步骤。若存在其他云制造企业销售接单，实现制造外包，返回智能制造云平台支持生产步骤。2.3合作共享云平台在智能制造中的应用-合作共享云平台的结构组成与主流程多中心智能制造共享云平台结构

为了最大化地提高云平台的使用效率、降低使用成本，多中心智能制造共享云平台由智能制造云平台和供应链云平台组成，且独立运行。