第1章
绪论

1.1　智能制造装备的基本概念

1.1.1　智能制造装备的定义

18世纪60年代至19世纪中期，随着蒸汽机的出现，手工劳动开始被机器生产逐步替代，世界工业经历了第一次革命，人类发展进入“蒸汽机时代”；19世纪70年代至20世纪初期，伴随电磁学理论的发展，电力技术得到广泛应用，机器的功能开始变得多样化，世界工业经历了第二次革命，人类发展进入“电气化时代”；自20世纪50年代开始，随着信息技术的不断发展，社会生产不再局限于单台机器，互联网的出现使得机器间可以互联互通，计算机、机器人、航天、生物工程等高新技术得到了快速发展，世界工业经历了第三次革命，人类发展进入“信息化时代”。回顾每一次工业革命，人类社会的发展都离不开科学技术的进步，而在智能制造技术不断发展的今天，世界工业正面临着一场新的产业升级与变革，智能制造技术也将成为第四次工业革命的核心推动力量。

智能制造将人工智能技术、网络技术、检测传感技术和制造技术在产品生产、管理和服务过程中进行融合与交叉，使制造过程具备分析、推理、感知等功能。美国纽约大学的赖特教授和卡内基梅隆大学的布恩教授（D. A. Bourne）在1988年出版了Manufacturing Intelligence（《制造智能》）一书，首次提出了智能制造的概念，认为智能制造通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和控制系统，实现对制造技能和专家知识的建模，使机器在没有人工干预的情况下可以进行小批量自动化生产。进入20世纪90年代后，随着信息化技术和人工智能技术的不断发展，智能制造开始引起发达国家的关注，美国、日本等国纷纷启动了智能制造研究专项并建立了实验基地，使智能制造的研究和实践取得了长足进步。在2008年全球金融危机之后，发达国家认识到“去工业化”发展的弊端，制定了“重返制造业”的发展战略[1]，同时深度学习、大数据、云计算、物联网等前沿技术引领制造业加速向智能化转型，智能制造已成为未来制造业的主要发展方向，各国政府均给予了有力的支持，以抢占竞争的制高点。

智能制造的产业链十分广泛，包括智能制造装备、工业互联网、物联网、工业软件等，其中智能制造装备是实现智能制造的核心载体。智能制造装备是指具有感知、分析、推理、决策、执行功能的制造装备（主要是指数控机床）的总称，是先进制造技术、信息技术和人工智能技术的高度集成，在航空、航天、汽车、能源、海洋等国民经济重点制造领域占据着重要地位并发挥着关键作用。大力发展智能制造装备能够加快制造业的转型升级，提升制造装备的研发水平和产品质量，还能降低能源与资源的消耗，同时智能制造装备的发展水平也是衡量一个国家工业现代化程度的重要标志。[2]

1.1.2　智能制造装备的特征

智能制造装备是机电系统与人工智能系统的高度融合，充分体现了制造业向智能化、数字化和网络化发展的需求。与传统的制造装备相比，智能制造装备的主要特征包括以下几个方面。

1．自我感知能力

自我感知能力是指智能制造装备通过传感器获取所需信息，并对自身状态与环境变化进行感知，而自动识别与数据通信是实现自我感知的重要基础。与传统的制造装备相比，智能制造装备需要获取数据量庞大的信息，且信息种类繁多，获取环境复杂，因此，研发新型高性能传感器成为智能制造装备实现自我感知的关键。目前，常见的传感器类型包括视觉传感器、位置传感器、射频识别传感器、音频传感器与力／触觉传感器等。

2．自适应和优化能力

自适应和优化能力是指智能制造装备根据感知的信息对自身运行模式进行调节，使系统处于最优或较优的状态，实现对复杂任务不同工况的智能适应。智能制造装备在运行过程中不断采集过程信息，以确定加工制造对象与环境的实际状态，当加工制造对象或环境发生动态变化后，基于系统性能优化准则，产生相应的调控指令，及时地对系统结构或参数进行调整，保证智能制造装备始终工作在最优或较优的运行状态。

3．自我诊断和维护能力

自我诊断和维护能力是指智能制造装备在运行过程中，对自身故障和失效问题能够做出自我诊断，并通过优化调整保证系统可以正常运行。智能制造装备通常是高度集成的复杂机电一体化设备，当外部环境发生变化后，会引起系统发生故障甚至是失效，因此，自我诊断与维护能力对于智能制造装备十分重要。此外，通过自我诊断和维护，还能建立准确的智能制造装备故障与失效数据库，这对于进一步提高装备的性能与寿命具有重要的意义。

4．自主规划和决策能力

自主规划和决策能力是指智能制造装备在无人干预的条件下，基于所感知的信息，进行自主的规划计算，给出合理的决策指令，并控制执行机构完成相应的动作，实现复杂的智能行为。自主规划和决策能力以人工智能技术为基础，结合系统科学、管理科学和信息科学等其他先进技术，是智能制造装备的核心功能。通过对有限资源的优化配置及对工艺过程的智能决策，智能制造装备可以满足实际生产中不同的需求。

1.1.3　制造装备智能化的意义

1．智能制造装备是未来制造装备发展的必然趋势

制造装备经历了机械装备到数控装备的转变，而智能制造装备是制造装备未来发展的必然趋势。智能制造装备自感知、自适应、自诊断、自决策的特点与优势，将在航空、航天、汽车、能源等重点制造领域得到充分体现，例如传统面向航空大型结构件加工的制造装备[3]，当加工环境（如温度）发生变化后，无法自动感知并进行相应调整，影响加工精度，而发展相应的智能制造装备，通过实时感知工况并进行状态检测，给出合理的决策指令，调整系统运行状态，可以有效降低加工过程中的静／动态误差，并提高对切削力干扰的抵抗能力，使得加工精度与稳定性得到大幅度提升，满足现代航空制造的需求。此外，相比传统制造装备，智能制造装备可以实现低污染、节能加工，对推动可持续性发展具有重要的战略意义。

2．智能制造装备是全面发展社会生产力的重要基础

通过三次工业革命可以看到，只有当制造装备的自动化程度得到大幅度提升，脑力劳动逐步替代体力劳动后，社会生产力才能得到快速发展。但现有制造装备在面临各种复杂场景与问题时，加工制造的结果很大程度上仍然依赖于决策者的水平，随着信息量与复杂程度的增加，决策难度不断上升，通过人进行决策的生产模式难以满足制造领域的新需求。通过发展具有自决策能力的智能制造装备，可以有效弥补“人主观决策”的缺点，在产业发展的过程中释放出巨大的能量，满足各个领域对智能化发展的需求，在生产、分配、交换、消费等各个环节建立起新的模式，成为推动社会生产力全面发展的重要基础。

3．智能制造装备是推动我国制造业转型升级的核心力量

智能制造装备是智能化、信息化与自动化深度融合的体现，大力发展智能制造装备对加快我国制造业向“高端智造”转型升级，提升制造效率、技术水平与产品质量，降低能源与资源消耗，推动制造过程智能化和可持续发展具有十分重要的战略意义。在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要（2011—2015年）》（简称“十二五”规划）中，国家已将“高端装备制造”确定为战略性新兴产业重点发展方向，并指出需要在航空航天装备、轨道交通装备、海洋工程装备与智能装备等领域实现突破[4]，而智能制造装备是实现高端装备的主要技术手段，涉及智能仪器仪表、智能数控系统、智能机床与成套装备等方面。因此，加强智能制造装备的发展，能够满足关键领域向高端制造转型的需求。此外，在2016年12月，工业和信息化部与财政部联合发布了《智能制造发展规划（2016—2020年）》[5]，明确指出要将“加快智能装备发展”作为“十三五”时期我国智能制造发展的首要任务，明确了智能制造装备的重要地位，同时也对智能制造装备的发展提出了更高的要求。我国目前正处于制造业转型升级的关键时期，站在新的历史节点，我们必须大力培育和发展智能制造装备，形成相应的产业，提高国家制造业核心竞争力，带动产业升级和其他新兴领域的发展，推动“中国制造”向“中国智造”转变。