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“工业4.0”:智能化制造新时代的到来

时间:2018-02-09来源:设备管理大视野

摘要:“工业4.0”被看成是互联网全面进入生产制造系统的重要切入点,其以智能互联系统为主,采集特色化、个性化需求的数据,然后利用智能制造系统加工出个性化的产品。中国制造业以“工业4.0”为愿景的转型升级可借鉴德国经验,大力推动数字化网络化智能化制造,重视核心技术创新、市场拓展、标准规划建设与实施、系统配套对产业转型升级的协同作用;发挥大型企业的带动效应,通过人才培育、资源利用、市场开放等产业政策安排,促进制造业转型升级。3yd设备管理大视野


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引言3yd设备管理大视野


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当前德国已经进入了“工业”时代。工业4.0(Industry4.0)是德国政府《高技术战略2020》确定的十大未来项目之一,这一概念是在德国学术界和产业界推动下形成的,它现已成为了德国的国家战略。德国政府制定“工业4.0”战略的目的是为了“确保德国制造的未来”,旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。当下,正值我国大力推动信息化与工业化的深度融合、促进制造业转型升级的关键时期,德国推行的“工业4.0”战略与我国提出的“两化”深度融合有若干相通之处,与我国制造强国战略不谋而合。3yd设备管理大视野


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1、工业4.03yd设备管理大视野


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工业革命是现代文明的起点,是人类生产方式的根本性变革。18世纪末的第一次工业革命创造了机器工厂的“蒸汽时代”,20世纪初的第二次工业革命将人类带入大量生产的“电气时代”,这两个时代的划分已经是大家公认的。20世纪中期计算机的发明、可编程控制器的应用使机器不仅延伸了人的体力,而且延伸了人的脑力,开创了数字控制机器的新时代,使人—机在空间和时间上可以分离,人不再是机器的附属品,而真正成为机器的主人。从制造业的角度,这是凭借电子和信息技术实现自动化的第三次工业革命。进入21世纪,互联网、新能源、新材料和生物技术正在以极快的速度形成巨大产业能力和市场,将使整个工业生产体系提升到一个新的水平,推动一场新的工业革命,德国技术科学院(ACDTECH)等机构联合提出“第四代工业-Industry4.0”战略规划,旨在确保德国制造业的未来竞争力和引领世界工业发展潮流。工业的概念描述了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变,目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化产品与服务的生产模式。这是继机械、电气和信息技术的前三次工业革命之后物联网和制造业服务所带来的第四次工业革命。在这种模式中传统的行业界限将消失,并会产生各种新的活动领域和合作形式,创造新价值的过程正在发生改变,产业链分工将被重组。3yd设备管理大视野


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2、工业4.0先进制造技术3yd设备管理大视野


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2.1柔性制造和精益生产技术3yd设备管理大视野


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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。3yd设备管理大视野


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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。3yd设备管理大视野


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2.2云计算和大数据3yd设备管理大视野


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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。3yd设备管理大视野


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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以及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。3yd设备管理大视野


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3、工业4.0先进制造装备3yd设备管理大视野


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3.1数控加工柔性智能制造系统3yd设备管理大视野


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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。3yd设备管理大视野


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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具有不确定性的、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。3yd设备管理大视野


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3.2工业机器人3yd设备管理大视野


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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的感觉,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。3yd设备管理大视野


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3.3高度集成智能传感与无线通信设备的信息物理3yd设备管理大视野


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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。3yd设备管理大视野


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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。3yd设备管理大视野


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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。3yd设备管理大视野


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4、结语3yd设备管理大视野


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德国工业战略为我们展现了一幅全新的工业蓝图,深入分析其内涵与本质、愿景与要点,我们就可以洞察德国提出工业的目的与战略意图。在新的发展背景下,学习借鉴“工业”将信息化的时代特征与我国工业化历史进程紧密结合起来,把“两化”深度融合作为主线,以“数字化智能化”作为传统制造业重构的核心技术,为推动传统制造业转型升级注入新的动力,同时,也为我国实现工业生产网络化、智能化、服务化等创造了有利条件。3yd设备管理大视野


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