工业4.0先进制造技术及装备

（广州工程技术职业学院，广东 广州 510925)

1 工业4.0：第四次工业革命

1.1 德国工业4.0计划

德国联邦教研部与联邦经济技术部在2013年汉诺威工业博览会上提出了“工业4.0（Industry 4.0）”的概念。该概念提出，在继蒸汽机的应用、规模化生产和电子信息技术等三次工业革命后，随着信息技术、互联网和物联网技术的工业应用，实体物理世界与虚拟网络世界走向融合，人类将以信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems，CPS)为基础，实现资源、信息、物品和人的互联，建立起高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式[1]。这种以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的渐进性进步被描述为工业化的第四个阶段。德国“工业4.0”战略旨在通过充分利用信息通讯技术和信息物理系统相结合的手段，推动制造业向智能化转型。

1.2 中国“两化”深度融合战略

2013年8月，工信部制定了《信息化和工业化深度融合专项行动计划（2013-2018年）》，涵盖管理体系与技术标准建设、示范建设、中小企业信息化能力提升、电商和物流业信息化集成创新、重点领域智能化水平提升、智能制造生产模式培育、互联网与工业融合创新、信息产业支撑服务能力建设等八大行动计划[2]。在2015年的十二届全国人大三次会议上，李克强总理提出“互联网+”行动计划，将互联网作为当前信息化的核心，进一步推进服务互联、大数据、云计算等信息技术和工业生产融合的过程。继而，5月8日国务院正式发布了我国实施制造强国战略的第一个十年行动纲领——《中国制造2025》，再次明确指出进一步推进信息化和工业化深度融合，把智能制造作为两化融合的主攻方向；着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平[3]。

以智能制造为主导的第四次工业革命，实质是在互联网时代下构建个性化定制、数字化集成、社会化协同的智能生产模式。基于此，德国工业4.0计划与中国“两化”深度融合战略异曲同工，殊途同归。不难预见，“互联网+”将推动“中国制造”走向“中国智造”，而《中国制造2025》无疑成为中国版的“工业4.0”规划。

2 工业4.0先进制造技术

2.1 柔性制造和精益生产技术

工业4.0首先是工业3.0的升级版，传统的“刚性”自动化生产线升级为柔性制造自动化系统。在工业4.0中，人工智能、专家系统及智能传感器技术将大规模地应用于柔性制造系统，借助模拟专家的智能活动，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，系统能自动监测其运行状态，在受到外界或内部激励（制造任务、生产品种或生产环境变化）时能自动调节其参数，以达到最佳工作状态，具备自组织能力。此外，供应链系统能根据单个需求做出生产配送的响应，传统的“以产定销”转变成“以销定产”，适应多品种、中小批量生产需求。

工业4.0还将引入精益生产（JIT）方式。企业基于精益制造系统，实时接受来自ERP系统的工单、BOM、制程、供货方、库存、制造指令等信息，同时把生产方法、人员指令、制造指令等下达给人员、设备等控制层，通过布置在生产现场的专用设备（PDA智能手机、LED生产看板、条码采集器、PLC、传感器、I/O、DCS、RFID、PC等硬件）对从原材料上线到成品入库的生产过程进行实时数据采集、控制和监控，再把生产结果、人员反馈、设备操作状态与结果、库存状况、质量状况等动态地反馈给决策层。决策层通过系统结构、人员组织、运行方式和市场供求等方面的变革，追求生产的合理性和高效性，使生产系统能很快适应用户需求不断变化，并能使生产过程中一切无用、多余的东西被精简，最终达到包括市场供销在内的生产各方面的最好结果。

2.2 云计算和大数据

随着互联网时代的进步，来自政府、企业、个人的各种信息汇成了数据的海洋，在充分利用的情况下，这种极富广度和深度的大数据可以赋予人们近乎超感官知觉的能力，让中小企业都能通过更加贴近客户的方式取得竞争优势。因此，大数据的应用将推动着商业智能的演进。然而，大数据的价值体现离不开云计算、分布式处理技术、存储技术和感知技术的发展。云计算可提供每秒10万亿次运算能力，用户通过电脑、手机等终端接入数据中心（计算资源共享池），可按自己的需求进行运算。

在工业4.0时代，数据中心将成为企业资源共享的大平台，与生产制造有关的数据源于企业、用于企业，包括文档、三维模型、工艺条件等数据都能够通过网络在任何地方和任何时间得以获取和搜集，并有助于实现生产设施网络化分布。这不仅拉近了企业与客户间的距离，也提供了企业与企业进行社会化协同制造的机会，实现产品价值链的横向集成。

2.3 以传感器和高速网为基础的物联网

构建信息物理系统网络是工业4.0的核心，其关键技术是物联网应用。物料和产品集成有动态数字存储器、在线条码、感知和通信能力，承载着其整个供应链和生命周期中所需的各种必需信息。物理设备通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器和激光扫描器等信息传感设备，根据约定的协议（Bluetooth、ZigBee、WiFi等）实现互联互通，甚至通过智能可穿戴设备，实现操作工与设备间的语音、手势、眼球等多模式交互，从而具有智能化识别、定位、跟踪、监控和管理功能。

3 工业4.0先进制造装备

3.1 数控加工柔性智能制造系统

数控机床的制造柔性化、自动化程度不断提高，从传统的单机加工、流水线生产逐渐向制造岛、自动车间和分布式网络集成制造系统的方向立体式发展。一方面，机床加工精度更高、速度更快、柔性更好；一方面，制造信息系统集成度更高，数控机床能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结。在生产制造过程中，数控加工系统通过在线监测过程参数，如切削力、主轴和进给电机的功率、电流等，实时调整主轴转速、进给速度等工艺参数以及加工指令，并可自动识别电机及负载的转动惯量，及时优化和调整控制系统参数，从而使设备处于最佳运行状态。

随着人工智能技术的发展，数控机床的智能化程度也在不断提高，通过集成专家系统，在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题，实现过程自适应、参数自优化、故障自诊断和自修复等功能。具体体现在：为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。

3.2 工业机器人

我国人力成本不断攀高，产品质量受人力因素干扰大幅上升。工业机器人之所以可取代体力劳动者完成一项或多项功能性操作，源于集成了先进的智能传感器和专家诊断系统，使机器具备各种类人感觉，如视觉、声觉、力觉、触觉等。目前工业应用的常见智能机器人有点焊机器人、激光加工机器人、弧焊机器人、喷漆机器人、装配机器人等，可有效避免人为因素可能导致的错误。

3.3 3D打印机

3D打印机作为一种增材制造技术，日益成为柔性制造系统的重要组成部分。3D打印实现了设计由“面向制造的设计”向“面向性能的设计”的转变，完全解放了产品设计的自由和消费者的个性化需求，将是工业4.0时代一种小批量定制化的重要生产方式——按需生产、分布式生产。目前，3D打印技术在生物医疗和个性定制商品等领域已有应用，如Align隐形牙套、欧洲钛合金骨骼和意造网、Quirky等，而在工业制造领域，可能还需要5-10年才能大规模应用，其中航空制造业、消费电子业、汽车制造业已经有了积极探索（如波音公司、GE通用公司）。制约3D打印在工业制造领域应用的主要问题：一是打印设备稳定性、打印精度不够；二是打印材料、尤其是金属材料的制备，有一定技术门槛，而且技术路径较多；三是设备和材料的成本高居不下。

3.4 高度集成智能传感与无线通信设备的信息物理系统

“智能”是工业4.0的核心，体现在生产数据信息的自识别、自协调和自管理。在这个过程中，及时、准确、可靠的在线传感与无线通信尤显重要。因此，传感测试和通信协议的准确性、一致性和可靠性是实现第四次工业革命的基础。

基于物联网的应用，生产物料和设施设备都承载了各种信息，通过信息物理系统上的传感装置对信息的读取和分析，实现物理对象的实时感知、识别、跟踪、监测和管理。涉及的传感装置有一般传感器也有智能传感器，如：二维码识读设备、射频识别(RFID)装置、红外感应器、激光扫描器、CCD影像识别装置、语音识别装置、身体语言（面部表情、肢体动作、手势）识别装置等。其中，二维码识读设备的技术参数主要有反射率和条/空宽度的示值误差、重复性、稳定性，译码率等。CCD影像识别装置的技术参数主要有尺寸测量精度、放大倍率、图像捕获率、图像抓拍有效率、识别正确率、识别时间等。

在工业4.0信息物理系统网络里，无线通信和无线移动通信技术被普遍应用，如无线RFid射频技术、蓝牙技术和WiFi技术，主要设备包括信号发生装置和接收装置，涉及参数有时间频率、频率响应、相位、功率、占空比、灵敏度、调制带宽、互调衰减?、辐射杂散、传导杂散、电磁兼容性和抗扰性等。

4 结束语

《中国制造2025》正式拉开了中国工业4.0时代的序幕，新一代信息技术与制造业深度融合成为中国制造文化的主潮流。文中对工业4.0智能工厂和智慧生产中最具代表性的柔性制造技术、网络互联技术以及数控加工装备和工业机器人等先进制造技术与装备进行了介绍，阐述了相关技术与装备的发展现状，对探讨中国制造实现第四次工业革命、促进中国制造业转型升级具有现实意义。

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

[2]信息化司.工业和信息化部关于印发信息化和工业化深度融合专项行动计划（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]国务院.国务院关于印发《中国制造2025》的通知[EB/OL]．http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.2015-05-19.