智能制造

智能制造

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思。和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。
谈起智能制造，首先应介绍日本在1990年4月所倡导的“智能制造系统IMS”国际合作研究计划。许多发达国家如美国、欧洲共同体、加拿大、澳大利亚等参加了该项计划。该计划共计划投资10亿美元，对100个项目实施前期科研计划。
毫无疑问，智能化是制造自动化的发展方向。在制造过程的各个环节几乎都广泛应用人工智能技术。专家系统技术可以用于工程设计，工艺过程设计，生产调度，故障诊断等。也可以将神经网络和模糊控制技术等先进的计算机智能方法应用于产品配方，生产调度等，实现制造过程智能化。而人工智能技术尤其适合于解决特别复杂和不确定的问题。但同样显然的是，要在企业制造的全过程中全部实现智能化，如果不是完全做不到的事情，至少也是在遥远的将来。有人甚至提出这样的问题，下个世纪会实现智能自动化吗？而如果只是在企业的某个局部缓解实现智能化，而又无法保证全局的优化，则这种智能化的意义是有限的。
从广义概念上来理解，CIMS（计算机集成制造系统），敏捷制造等都可以看作是智能自动化的例子。的确，除了制造过程本身可以实现智能化外，还可以逐步实现智能设计，智能管理等，再加上信息集成，全局优化，逐步提高系统的智能化水平，最终建立智能制造系统。这可能是实现智能制造的一种可行途径。
共有几种先进制造模式：

　　多智能体（Multi-Agent）系统

　　Agent原为代理商，是指在商品经济活动中被授权代表委托人的一方。后来被借用到人工智能和计算机科学等领域，以描述计算机软件的智能行为，称为智能体。1992年曾经有人预言：“基于Agent的计算将可能成为下一代软件开发的重大突破。"随着人工智能和计算机技术在制造业中的广泛应用，多智能体系统技术对解决产品设计、生产制造乃至产品的整个生命周期中的多领域间的协调合作提供了一种智能化的方法，也为系统集成、并行设计，并实现智能制造提供了更有效的手段。

　　整子系统（Holonic System）

　　整子系统的基本构件是整子（Holon）。Holon是从希腊语借过来的，人们用Holon表示系统的最小组成个体，整子系统就是由很多不同种类的整子构成。整子的最本质特征是：

●自治性，每个整子可以对其自身的操作行为作出规划，可以对意外事件（如制造资源变化、制造任务货物要求变化等）作出反应，并且其行为可控；
●合作性，每个整子可以请求其它整子执行某种操作行为，也可以对其他整子提出的操作申请提供服务；
●智能性，整子具有推理、判断等智力，这也是它具有自治性和合作性的内在原因。整子的上述特点表明，它与智能体的概念相似。由于整子的全能性，有人把它也译为全能系统。
整子系统的特点是：
●敏捷性，具有自组织能力，可快速、可靠地组建新系统。
●柔性，对于快速变化的市场、变化的制造要求有很强的适应性。

除此之外，还有生物制造、绿色制造、分形制造等模式。

制造模式主要反映了管理科学的发展，也是自动化、系统技术的研究成果，它将对各种单元自动化技术提出新的课题，从而在整体上影响到制造自动化的发展方向。

柔性制造技术

柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。柔性制造技术是技术密集型的技术群，凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小批量（包括单件产品）的加工技术都属于柔性制造技术。

那么什么是柔性呢？柔性可以表述为两个方面。第一方面是系统适应外部环境变化的能力，可用系统满足新产品要求的程度来衡量；第二方面是系统适应内部变化的能力，可用在有干扰（如机器出现故障）情况下，这时系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比可以用来衡量柔性。“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。但价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件。如果想要获得其他品种的产品，则必须对其结构进行大调整，重新配置系统内各要素，其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上下。刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品，难以应付多品种中小批量的生产。

随着社会进步和生活水平的提高，市场更加需要具有特色、符合顾客个人要求样式和功能千差万别的产品。激烈的市场竞争迫使传统的大规模生产方式发生改变，要求对传统的零部件生产工艺加以改进。传统的制造系统不能满足市场对多品种小批量产品的需求，这就使系统的柔性对系统的生存越来越重要。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。

柔性主要包括：

●机器柔性 当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。 
●工艺柔性 一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。
●产品柔性 一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。
●维护柔性 采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。
●生产能力柔性 当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。
●扩展柔性 当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个更大系统的能力。
●运行柔性 利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品，换用不同工序加工的能力。

　　柔性制造系统是有一个由计算机集成管理和控制的、用于高效率地制造中小批量多品种零部件的自动化制造系统。它具有：

●多个标准的制造单元，具有自动上下料功能的数控机床；
●一套物料存储运输系统，可以在机床的装夹工位之间运送工件和刀具；

FMS是一套可编程的制造系统，含有自动物料输送设备，能在计算机的支持下实现信息集成和物流集成，它
●可同时加工具有相似形体特征和加工工艺的多种零件；
●能自动更换刀具和工件；
●能方便地上网，容易于其它系统集成；
●能进行动态调度，局部故障时，可动态重组物流路径。

目前FMS规模趋于小型化、低成本，演变成柔性制造单元FMC，它可能只有一台加工中心，但具有独立自动加工能力。有的FMC具有自动传送和监控管理的功能，有的FMC还可以实现24小时无人运转。用于装备的FMS称为柔性装备系统（FAS）。　

虚拟制造

在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的形势下，制造业的经营战略发生了很大变化，在30～60年代企业追求的是规模效益，如：美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产；70年代更加重视降低生产成本，如：日本丰田公司采用准时化生产；80年代提高产品质量成为主要目标；进入90年代新产品开发及交货期成为竞争的焦点。由此产生了多种多样的制造哲理，如：精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等，它们各有侧重，从不同角度研究如何增强企业的竞争力。而虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物。

虚拟现实（Virtual Reality）技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造（Virtual Manufacturing）技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。

虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为：

●运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行全面仿真，使之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。
●可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。
●在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如：可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测，及时发现问题并改进现实制造过程。
●虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。例如：可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等。

虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的，除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有：

●虚拟制造的理论体系；
●设计信息和生产过程的三维可视化；
●虚拟环境下系统全局最优决策理论和技术；
●虚拟制造系统的开放式体系结构；
●虚拟产品的装配仿真；
●虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。

一般来说，虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，由于应用的不同要求而存在不同的侧重点，因此出现了三个流派，即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，对相关行业也将产生巨大影响，可以说虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。

 敏捷制造

1988，美国通用汽车公司（GM）与里海大学共同提出了一种新的制造企业战略――敏捷制造，并很快引起人们的注意。1991年美国Iacocca研究所主持召开了21世纪发展战略讨论会，历时半年形成了一份著名报告，提出了敏捷制造企业的基本概念。美国人希望敏捷制造会使美国的制造业于2006年以前重新恢复其在制造业中的领导地位。

目前，敏捷制造（AM）还没有公认的定义。美国敏捷制造概念的提出者将AM定义为能在不可预测的持续变化的竞争环境中使企业繁荣和成长，并具有面对由顾客需求的产品和服务驱动的市场作出迅速响应的能力。

21世纪即将来临，毫无疑问，技术的发展及市场的竞争，将沿着20世纪90年代展开的道路前进，危机与机遇并存。一方面随着技术发展速度的加快，生活水平的提高，人们对新产品不断增加的追求，将给企业提供空前的机遇；另一方面随着技术装备及工具软件的日新月异，开发周期越来越短，有同样加工能力的企业日益增多，竞争将更加激烈。竞争使得产品生产的批量越来越小，过去适宜大批量生产的刚性生产线，越来越不适应新的形势。一个企业将原有的刚性生产线改成柔性生产线，或能迅速将企业的组织及装备重组，以对市场机遇作出敏捷反应，源源不断地生产出用户所需求的“个性化”产品。而当一旦发现单独不能作出敏捷反应时，能够通过信息高速公路的工厂子网和其他企业进行合作，从组织跨专业的开发组到动态联合公司，来对机遇作出快速响应。这就是敏捷制造。

敏捷制造强调将柔性的、先进的、实用的制造技术，熟练掌握生产技能的、高素质的劳动者以及企业之间和企业内部灵活的管理三者有机地集成，实现总体最佳化，对千变万化的市场作出快速响应。

敏捷制造将是21世纪制造企业的新模式。敏捷制造提出的时间还很短，尚未形成一个公认的系统框架。

敏捷制造企业的特点：
●能抓住瞬息即逝的机遇，快速推出高性能、高可靠性及价格能被顾客接受的新产品；
●通过可重组的、模块化的加工单元，实现快速生产新产品及各种各样的变型产品，从而使生产小批量、高性能产品能达到与大批量生产同样的效益，达到同一产品的价格和生产批量无关；
●按订单组织生产，以合适的价格生产顾客的订制产品或顾客个性化产品；
●不强调全能，而强调企业间的动态合作；
●建立一种能充分调动员工积极性的环境，保持企业持续的创新能力；
●将具有创新能力和经验的员工看成是企业的主要财富，而把对员工的培养和再教育作为企业长期投资行为；
●与用户建立一种崭新的“战略依存关系”，强调用户参与制造的全过程。

敏捷制造企业较并行工程阶段的制造企业有了进一步的发展，更强调企业结盟。CIMS要有效地支持敏捷制造，从运行来说，必须发展一种高鲁棒性的集成技术，可以在不中断系统的情况下，修改软件系统。对企业外，发展建立在网络基础上的集成技术，包括异地组建动态联合公司、异地设计、异地制造等有关的集成技术，在信息高速公路中建立工厂子网，乃至全球企业网，作为系统集成的主要工具。