实现“中国制造2025”所需的关键技术

　　【中国智能制造网 技术前沿】在过去的10年里，数字计算和通信的发展从根本上改变了制造工厂的运营模式。智能制造通过工业自动化与信息技术（IT）的融合，将很快提升工厂的生产灵活性，并可节约能源、保护环境、降低成本、提高质量和人身安全，从而使工厂的生产效率和质量得到大幅度的优化提高。这种新兴的智能制造技术正在经历如下3个阶段。　　（1）阶段——车间、企业集成
　　
　　这是一种贯穿车间、跨越企业的全局制造业数据集成，将显著改善成本、安全和环境的影响，具有重大的意义。
　　
　　在这一阶段，智能制造将工厂企业互连，更好地协调制造生产的各个阶段，推进车间生产效率的提高。典型的制造车间使用信息技术、传感器、智能电动机、电脑控制、生产管理软件等来管理每个特定阶段或生产过程的操作。然而，这仅仅解决了一个局部制造岛的效率，并非全企业。
　　
　　智能制造将整合这些制造岛屿，使整个工厂共享数据。机器收集的数据和人类智慧相互融合，推进了车间级优化和企业范围管理目标，包括经济效益大幅增加、人身安全和环境可持续性的实现。这种“制造智能”的出现将开启智能制造的第二阶段。
　　
　　（2）第二阶段——从车间优化到制造智能
　　
　　这些数据配合先进计算机仿真和建模，将创建强大的“制造智能”，实现生产节拍的变化、柔性制造、佳生产速度和更快的产品定制。
　　
　　这一阶段应用高性能计算平台（云计算）连接各个工厂和企业，进行建模、仿真和数据集成，可以在整个工厂内建立更高水平的制造智能。为了节约能源、优化产品的制造交付，整条生产线和全车间将实时、灵活改变运行速度，当然现在是不可行的。企业可以开发先进的模型并模拟生产流程，改善当前和未来的业务流程。例如，制造商能使用纳米技术开发大量制造产品和设备的模型。纳米技术是小型化高度复杂设备、系统和材料的发展产物。人们普遍预言：一场行业技术和行业的革新，需要更小、更强、更轻材料和强大精密设备。
　　
　　（3）第三阶段——制造知识重整市场秩序
　　
　　随着制造智能技术的进步，将激励制造过程和产品创新，实现智能制造，颠覆主要市场秩序。
　　
　　这一阶段将广泛应用信息技术来改变商业模式，消费者习惯的100多年的大规模生产工业供应链将完全颠覆。灵活可重构工厂和IT优化供应链将改变生产过程，允许制造商按个人需求定制产品，如同生产药物特定剂量和配方一样，客户会“告诉”工厂生产什么样式的汽车，构建什么功能的个人电脑，如何定制一款的牛仔裤……这种极富戏剧性的竞争力至关重要,越来越多的生产知识创新奠定了智能制造的第三阶段。这些改变不会停留在量变层面上，它们将彻底改变游戏规则，使产品和工艺市场发生颠覆性变化。
　　
　　智能制造与装配的内涵
　　
　　智能制造是一种高度网络连接、知识驱动的制造模式，它优化了企业全部业务和作业流程，可实现可持续生产力增长、能源可持续利用、高经济效益目标。智能制造结合信息技术、工程技术和人类智慧，从根本上改变产品研发、制造、运输和销售过程，通过零排放、零事故制造提高人身安全、保护环境。
　　
　　2007年，美国国家标准和技术研究院（NIST）主办的装配技术研讨会次提出了智能装配的概念。它侧重于如何开发和集成智能工具，如传感器、无线网络、机器人、智能控制等，以便解决今天产品种类变化的强烈需求和后续生产制造的复杂性。智能装配是一个生产工艺、人、设备和信息集成的概念，它使用虚拟和现实的方法来实现生产效率、交货时间和制造敏捷性的显著改善。智能装配远远超出传统的自动化和机械化范围，它在工程和操作上挖掘人与机器有效协同作业潜力，集成了高技术、多学科团队，具有自我集成和自适应装配处理的能力。
　　
　　智能装配系统为工厂开创了一种分析、建议和应对生产环境的新模式。其中，传感器起着关键的作用。传感器将监控每一个重要的操作参数，所有参数设置了控制限制，系统时刻评估装配状态，关注任何偏差的发生。
　　
　　智能装配环境以类似于人体的免疫系统方式运行，以一种非常有效的方式来应对没有明显症状的异常反应。智能装配系统可以调整和适应生产环境的变化，如投入零部件的变化，大的好处就是系统健壮性，以确保系统质量和生产能力。智能装配基本单元虽然已经应用在一些生产制造系统之中，然而还需要进行更多的系统顶层研究，实现机器和子系统协同工作。在智能装配中，一是加强虚拟能力实时能力，二是整合集成产品流程、工艺流程、信息流程等3大流程，这些决定了智能装配的成败。
　　
　　波音公司目前正在基于智能装配理念来实施网络化制造和操作（NEMO）创新计划，它仿照了美国陆军未来战斗系统项目。该计划的目标是将战场上先进的技术，如“态势感知”技术引入到飞机装配生产线中。智能工具和传感器是NEMO的层。目前，多项技术已经应用在波音737和波音787的装配流程中，如密封胶固化监控。另外，制孔和安装工具也已配备了传感器，可以监测用户身份验证、设置信息、校准状态和互动进/退功能。
　　
　　此外，波音公司还将NEMO技术应用于一些军事项目，如检查F/A-18战斗机的线包。波音公司的工程师们还设想了一个广泛的系统，在不久的将来实现数字化设计工具和无线生产现场系统之间运动信息的自动化。智能装配应用于这些过程，公司将专注于开发智能工具，它不需要操作者为一个特定的操作设定界限或扭矩。未来，波音飞机的装配工作指令将直接投射到机翼或机身上，传感器嵌入在紧固件连接的工具中，将指导装配工人作业。与此同时，投射到飞机上的激光图像会自动告诉工人零件的准确定位点或边界，数字电子测量和检验系统将监测传播装配过程各个方面的在线信息。例如，传感器将不断监控紧固连接工具、点胶设备、工装、夹具和其他生产设备的性能状态。在未来10年内，波音公司计划扩大NEMO范围，将客户/供应商与工程师和装配工厂连接起来。