先进制造技术作业——邓竹君(SQ09058253057)

课程报告

先进制造技术

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智能制造

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邓竹君

SQ09058253057

南京航空航天大学

《先进制造技术》课程报告

1、研究目的、必要性和重要性、意义

自20世纪80年代以来，随着产品性能的完善化及其结构的复杂化、精密化，以及功能的多样化，促使产品所包含的设计信息量和工艺信息量猛增，随之而来的是生产线及生产设备内部的信息量增加，制造过程和管理工作的信息量也必然剧增，因而推动制造技术发展的热点与前沿转向了提高制造系统对于爆炸性增长的制造信息处理的能力、效率及规模上。目前，先进的制造设备离开了信息的输入就无法运转，柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)的信息来源一旦被切断就会立刻瘫痪。专家认为，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要具有智能，否则是难以处理如此大量、多样化及复杂化(残余和冗余信息)的信息工作量的。

当前和未来企业面临的是一个瞬息多变的市场需求和激烈的国际化竞争环境。社会的需求使产品生产正从大批量产品生产转向小批量、客户化单件产品的生产。企业欲在这样的市场环境中立于不败之地，必须从产品的时间、质量、成本、服务和环保(T、Q、C、S、E)等方面提高自身的竞争力，以快速响应市场频繁的变化。为此，企业的制造系统应表现出更高的灵活性和智能性。

过去由于人们对制造技术的注意力偏重于制造过程的自动化，从而导致在自动化水平不断提高的同时，产品设计及生产管理效率提高缓慢。生产过程中人们的体力劳动虽然获得了极大解放，但脑力劳动的自动化程度(即决策自动化程度)却很低，各种问题的最终决策或解决在很大程度上仍依赖于人的智慧；并且随着市场竞争的加剧和信息量的增加，这种依赖程度将越来越大。为此，要求未来制造系统具有信息加工能力，特别是信息的智能加工能力。

从20世纪70年代开始，发达国家为了追求廉价的劳动力，逐渐将制造业移向了发展中国家，从而引起本国技术力量向其他行业的转移，同时发展中国家专业人才又严重短缺，其结果制约了制造业的发展。因此，制造业希望减少对人类智慧的依赖，以解决人才供应的矛盾。智能制造正是适应这种情况而得以发展的。

当今世界各国的制造业活动趋向于全球化，制造、经营活动、开发研究等都在向多国化发展。为了有效地进行国际间信息交换及世界先进制造技术共享，各国的企业都希望以统一的方式来交换信息和数据。因此，必须开发出一个快速有效的信息交换工具，创建并促进一个全球化的公共标准来实现这一目标。

先进的计算机技术和制造技术向产品、工艺及系统的设计和管理人员提出了新的挑战，传统的设计和管理方法不能有效地解决现代制造系统中所出现的问题，这就促使我们通过集成传统制造技术、计算机技术与人工智能等技术，发展一种新型的制造模式——智能制造。

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智能制造

智能制造正是在上述背景下孕育而产生的。

智能制造的形成是制造业发展的历史必然。工业革命实现了人的体力劳动的解放；信息革命借助机器来实现人的部分脑力劳动机械化和自动化；旨在提高机器的智能化合信息处理自动化的现代信息技术革命，必将彻底解放人的脑力劳动。

在信息科学技术发展的推动下，制造业的资源配置已向信息（知识）密集化的方向发展；在多变的市场需求驱动下，制造业的生产规模已向多品种、变批量及柔性化的方向发展。

智能制造应当包含智能制造技术(IMT)和智能制造系统(IMS)，因本文不涉及智能制造技术本身，只侧重于论述制造模式，故重点讨论智能制造系统。

智能制造技术是指利用计算机模拟制造专家的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动，并将这些智能活动与智能机器有机地融合起来，将其贯穿应用于整个制造企业的各个子系统(如经营决策、采购、产品设计、生产计划、制造、装配、质量保证和市场销售等)，以实现整个制造企业经营运作的高度柔性化和集成化，从而取代或延伸制造环境中专家的部分脑力劳动，并对制造业专家的智能信息进行收集、存储、完善、共享、继承和发展的一种极大地提高生产效率的先进制造技术。

智能制造系统是指基于IMT，利用计算机综合应用人工智能技术(如人工神经网络、遗传算法等)、智能制造机器、代理(agent)技术、材料技术、现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、并行工程、生命科学和系统工程理论与方法，在国际标准化和互换性的基础上，使整个企业制造系统中的各个子系统分别智能化，并使制造系统形成由网络集成的、高度自动化的一种制造系统。

IMS是智能技术集成应用的环境，也是智能制造模式展现的载体。IMS理念建立在自组织、分布自治和社会生态学机制上，目的是通过设备柔性和计算机人工智能控制，自动地完成设计、加工、控制管理过程，旨在解决适应高度变化的环境制造的有效性。

由于智能制造模式突出了知识在制造活动中的价值地位，而知识经济又是继工业经济后的主体经济形式，所以智能制造就成为影响未来经济发展过程的制造业的重要生产模式。

2、国内外研究的技术现状分析

自20世纪80年代美国提出IM概念以来，IMS一直受到众多国家的重视和关注。在IM领域中，最具有影响和代表性的当属日本的IMS国际合作计划，它是迄今为止已启动的制造领域内最大的一项国际合作计划。

日本、美国、加拿大、澳大利亚、瑞士和欧洲自由贸易协定国(韩国正在申请加入)在1991年1月联合开展了由日本首先于1990年4月提出的为期10年的IMS国际合作计划。这是

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为了克服FMS(柔性制造系统)、CIMS的局限性，把日本工厂和车间的专业技术与欧盟的精密工程技术、美国的系统技术充分地结合起来，开发出能使人和智能设备都不受生产操作和国界限制、彼此合作的高技术生产系统。该计划鼓励工业界、学术界和政府在现代制造技术领域里进行广泛的研究与合作。该计划的目标是全面展望21世纪现代制造技术的发展趋势，先行开发下一代的制造技术，以解决全球制造业面临的共同问题，改善地球环境(包括生产环境)，提高资源有效利用率，提高产品质量和性能，促进现代制造技术成果向生产力的转化，积极推动全球制造信息、制造技术的体系化和标准化，快速响应制造业全球化的发展趋势。

从1995年开始，IMS计划进入全面实施阶段，总投资达40亿美元，至今共批准了12个项目：

(1)面向21世纪的全球制造业的企业集成；

(2)具有分布、自律、敏捷、仿生、分形等特点的下一代制造系统(NGMS)；

(3)全能制造系统(HMS)；

(4)知识系统化；

(5)变结构物料储运系统；

(6)快速产品开发(RPD)；

(7)人机共存系统的组织问题；

(8)创新型和智能型现场工厂建设研究；

(9)数字化模具设计系统；

(10)智能复合产品；

(11)人的感觉因素对产品生命周期的影响；

(12)适用于全球分布式企业设计、规划、运行的建模与仿真环境。

IMS的国际合作研究开发一般分为3个层次：

(1)将各国独自开发的制造技术(主要是产品设计和加工装配技术)体系化及完整化；

(2)将现有技术及未来要开发的技术(主要是物流管理技术和制造信息数据的压缩、传送和存储技术)标准化；

(3)面向21世纪的新型、高性能制造系统技术(主要包括系统管理技术与机械加工、设计、装备及制造过程相关技术)的研究和开发。

这3个层次的内容在每一层内又分为5个研究内容：

(1)系统构筑技术；

(2)生产、控制和加工技术；

(3)与生产相关的信息、通信技术；

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智能制造

(4)新材料应用技术；

(5)制造系统中人的因素。纵览全球，虽然总体而言IM尚处于概念和实验阶段，但各国政府均将其列入国家发展计划，大力推动实施。

1992年美国执行被总统称之为“关键重大技术”(criticaltechnology)的新技术政策，其中包括信息技术和新的制造工艺，IM技术也在其中。美国政府希望借此改造传统工业并启动新产业。

加拿大制定的1994-1998年战略发展规划中，认为未来知识密集型产业是驱动全球经济和加拿大经济发展的基础，发展和应用智能系统至关重要，并将具体研究项目定为智能机器人、人机界面、机器人控制、新装置、动态环境下系统集成。

欧盟的信息技术相关研究有ESPRIT项目，该项目大力资助有市场潜力的信息技术。1994年又启动了新的R&D项目，选择了39项核心技术，其中3项(信息技术、分子生物学和先进制造技术)突出了智能制造的位置。

我国20世纪80年代末也将“智能模拟”列入国家科技发展规划的主要课题，已在专家系统、模式识别、机器人方面取得了一批成果。此后，国家科技部正式提出了“工业智能工程”，IM是该项工程中的重要内容。

1993年，中国国家自然科学基金会重点项目“智能制造技术基础的研究”获准设立。1994年开始实施。由华中理工大学、南京航空航天大学、西安交通大学和清华大学联合承担。研究内容为IM基础理论、智能化单元技术(智能设计、智能工艺规划、智能制造、智能数控技术、智能质量保证等)、智能机器(智能机器人、智能加工中心)等。至今，已取得了不少可喜的研究成果。

作为一个有机整体的现代工业生产系统，日益受到技术、经济和人等三方面因素的制约。从技术角度看，市场预测、生产决策、产品设计、原料订购与处理、制造加工、生产管理、原料产品的储运、产品销售、研究与发展等环节彼此相互影响，构成生产的全过程，各环节的集成自动化水平决定该过程的自动化程度，各环节的集成智能水平影响该系统的自组织能力，这种“集成”制造智能的技术现在为数还甚少。目前在工业发达国家普遍存在劳动力匮乏、昂贵，所占生产成本的比例越来越高的问题，制造企业移至发展中国家，致使生产技术和劳动者因素等方面受到限制，存在产品市场竞争力丧失的危险；发展中国家企业生产的规范化及自动化程度低下，专业人员与技术力量十分缺乏。

日、美、欧都将智能制造视为21世纪的制造技术和极端科学，并认为是国际制造业科技竞争的制高点，且有着巨大的立业，所以他们在该另约的科技协作频繁，参与研究计划的各国制造业力量庞大，主宰未来智能制造的发展趋势。

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《先进制造技术》课程报告

智能制造技术着重研究制造过程中的只能决策、基于多施主（multi-agent）的智能协作求解、智能并行设计、物流传输的智能自动化、智能加工系统和智能机器等问题。

智能制造系统主要研究部分代替人的智能活动和技能；使用智能计算机技术集成设计制造过程，以虚拟现实技术实现虚拟制造；通过卫星、Internet和数字电话网络实现全球制造；进行智能化合自律化的智能技工系统以及智能化CNC、智能机器人的研究；应用分布式人工智能技术，实现自律协作控制等难题。

智能化发展的核心是“智能化”和“集成化”。集成是智能的基础，智能促使进一步集成。增强专家系统、模糊技术、神经网络技术、基因算法优化控制及其它优化技术等智能技术自身优势的发挥，实施智能技术的集成，实现智能技术的协作与融合，必将成为今后智能机器提高智能化深度的有效途径。通过网络计算机将人的智能活动与智能机器有机融合，进而实现整个制造过程的最优化、智能化合自动化，达到智能制造的研究目标。

智能制造将是21实际的制造模式，作为其特征的I2（Integration and Intelligence），将是21世纪制造业赖以行进的基本轨道。从更深层的意义上讲，智能制造时从现今信息化时代走向未来智能化时代面临的第一个亟待解决的课题。

3、具体的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题；

人工智能的目的是为了用技术系统来突破人的自然智力的局限性，达到对人脑的部分代替、延伸和加强的目的，使那些单靠人的天然智能无法进行或带有危险性的工作得以完成，从而使人类的智慧能集中到那些更富于创造性的工作中去。人是制造智能的重要来源，在制造业走向智能化过程中起着决定性作用。目前在整体智能水平上，与人工系统相比，人的智能仍然是遥遥领先的。人工智能模拟的蓝本主要是人类的智能，但人类的智能是随时间不断变化的，而这种变化又是无止境的，只有人与机器的有机高度结合，才能实现制造过程的真正智能化。智能制造被称为21世纪的制造技术，目前之所以还不能实现，是由于受到目前科学技术、人和经济等诸多方面的制约。

智能，就是在各种环境和目的的条件下正确制定决策和实现目的的能力。在这里，给定的环境和目的是问题的约束条件，制定正确的决策是智能的中心环节，而有效地实现目的，则是智能的评判准则。从信息处理的角度讲，智能可以看成是获取、传递、处理、再生和利用信息的能力。而思维能力是整个智能活动中最复杂、最核心的部分，主要指处理和再生信息的能力。这种信息处理的过程是十分复杂和多样化的，归纳起来，大体可分为&种基本的类型，即：经验思维、逻辑思维和创造性思维。在工艺设计过程中，这三种类型的思维都存在，在不同层次的决策中起着重要作用。

3.1 智能制造主要研究目标

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智能制造

(1)整个制造过程的全面智能化，在实际制造系统中，以机器智能取代人的部分脑力劳动作为主要目标，强调整个企业生产经营过程大范围的自组织能力。

(2)信息和制造智能的集成与共享，强调智能型的集成自动化。

总之，IM的研究与开发目标是要实现将市场适应性、经济性、人的重要性、适应自然和社会环境的能力、开放性和兼容能力等融合在一起的生产系统。

3.2 智能制造主要研究内容

(1)智能制造理论和系统设计技术

IM概念的正式提出至今时间还不长，其理论基础与技术体系仍在形成过程中，它的精确内涵和支撑设计技术仍需进一步研究。其研究内容包括：IM的概念体系，IMS的开发环境与设计方法，以及制造过程中的各种评价技术等。

(2)智能制造单元技术的集成

在以往的工作中，人们以研究人工智能在制造领域中的应用为出发点，开发出了许多面向制造过程中特定环节、特定问题的智能单元，形成了一个个“智能化孤岛”。它们是智能制造研究的基础。为使这些“智能化孤岛”面向智能制造，使其成为IM的单元技术，必须研究它们在IMS中的集成，并进一步完善和发展这些智能单元，从而形成智能型的集成自动化。它们包括：

·智能设计应用并行工程和虚拟制造技术，实现产品的并行智能设计；

·智能工艺过程编制在现有的检索式、半创成式CAPP系统的基础上，研究、开发创成式CAPP系统，使之面向IMS；

·生产过程的智能调度；

·智能监测、诊断及补偿；

·加工过程的智能控制；

·智能质量控制；

·生产与经营的智能决策。

(3)智能机器的设计

智能机器是IMS中模拟人类专家智能活动的工具之一，因此．对智能机器的研究在IMS 研究中占有重要的地位。IMS常用的智能机器包括智能机器人、智能加工中心、智能数控机床和自动引导小车(AGV)等。

4、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

4.1 在智能设计方面

利用各种计算智能技术进行产品的可靠性分析、优化设计及设计效果的综合评判；利

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用图像分析与处理以及智能模式识别技术实现工程图由光栅图到矢量图以及由零件的三面投影图到三维立体图的只能转化；对产品进行基于专家系统与计算智能技术结合的智能CAD造型、有限元分析与虚拟制造。

4.2 在加工过程的智能监控方面

①利用各种计算智能技术对加工状态（如刀具磨/破损状态）进行实时识别，并对非正常状态进行自适应控制与决策，实现加工状态智能检测、预测与监控；在优化（或约束）目标下，对切削参数进行自学习、自组织或自适应控制，实现加工过程智能控制与优化；

②利用智能工业机器人实现产品的装配与包装、材料搬运、表面喷涂、焊接、高压水切割等。

4.3 在产品的在线智能测量方面

利用机器模拟人的视觉功能，采用CCD照相机摄取检测图像并转化为数字信号，再采用先进的计算机硬件与软件技术对图像数字信号进行处理，得到所需要的各种目标图像的特征值，并由此实现模式识别、坐标计算、灰度分布图等多种功能，非接触、快速、高精度地测量产品的几何参数如尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等，实现大批量生产过程中的产品在线测量、抽样检查、工况辨识和质量控制。

4.4 在机器故障的智能诊断方面

利用AI的不确定推理、非单调推理和非经典推理、专家系统、各种计算智能技术、Petri王、模式识别、信息融合、多Agent系统以及基于模型的故障诊断技术等对机械设备故障进行智能诊断。

4.5 在制造系统的知识处理与信息处理方面

利用各种计算智能技术进行多传感器的融合与信号处理；利用基于实例的机器学习获取制造系统工艺知识；利用小波分析和计算智能技术进行数据压缩、数据挖掘和图像处理；利用AI的大规模知识获取和自然语言理解等技术进行互联网环境下的制造知识获取、知识组织、智能检索和知识应用。

4.6 在制造的智能运筹管理与决策方面

利用专家系统、知识获取、机器学习、各种计算智能技术等在优质、高校、低成本或在恒力切削等优化目标下对切削用量进行优化选择，实现切削参数智能工艺规划与优化、

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智能制造

制造资源的智能规划；利用遗传算法对多资源作业车间进行智能动态优化调度；利用知识获取、MAS实现分布式网络化智能制造，使制造系统的活动并行进行，解决系统集成问题，实现敏捷制造。

4.7 人工智能的研究途径

对人工智能的不同研究途径来源于对人类智能的不同认识，并由此产生出两大学派：符号主义（symbolicism）与连接主义（connectionism）。

符号主义认为人类认识的基本元素是符号，认识过程就是一种符号处理过程。事实上，人类的语言本身就是用符号表示的，人类的很多思维活动如决策、计划、设计、诊断等在一定程度上都可以用语言来描述，因此也就可以用符号来表示。符号主义在应用智能技术方面最主要的形式是专家系统。而连接主义则根据对人脑的研究，认为认识的基本元素是神经元本身，人类的认识过程就是大量神经元的整体活动，从本质上讲是一种并行的分布式的处理模式。连接主义在应用智能技术方面最主要的形式是人工神经网络(ANN)。

符号主义与连接主义在智能技术的发展史上曾经历了两次此起彼伏的过程。近年来，人们逐渐认识到人类的思维过程是非常复杂的，符号主义与连接主义两种研究途径反映了人类思维的两个层次，彼此不能相互代替，而应当相互结合。

4.8 对智能制造技术的几点建议：

改革开放20年，通过技术改造和引进国外先进的制造技术，使我国的制造工业有了长足的进步，但和先进国家相比还存在很大差距，表现在技改投人相对不足，原有技术基础和研究开发能力薄弱，制造业产品落后，技术水平低，信息含量少，更新换代慢，以及市场营销、经营管理、人才素质相对落后，缺乏国际竞争能力。面对这样形势，为了使我国的制造业站在世界先进行列必须采取相适应的措施和策略。

①开拓智能制造研究领域，加强综合、集成。重点开展以机器人、全能体和多智能体为核心的智能制造系统(如快速重构制造系统、全能制造系统等)研究，为21世纪我国机械、汽车两大支柱产业的振兴和制造技术创新做出突出的贡献。

②解决智能制造技术和重大问题需要的不再只是个人或一个单位的贡献，而是需要团队的整体性贡献。

③目前国内IMT研究单位较多，并在先进制造理论、技术等方面已经取得多项研究成果，但由于一个单位经费和力量有限，许多成果难于实际应用，没有成气候，建议联合具

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有优势和特色的产、学、研单位，共同投资、共享成果、共担风险，进行智能制造系统集成和应用工程研究。创建具有我国特色的智能制造示范单元或示范工程。

④ IMT研究开发的全球化趋势日益明显，为了提高IMT研究的起点，与国际接轨，在IMT领域做出有影响的重大贡献，建议加强IMT的国际合作研究，密切与国外知名机构的联系与合作。提高我们研究起点和工作水平。

⑤人才是关键。发展和推广先进的制造技术、实施先进的制造模式人才是关键。要大力培养优秀的人材，人才的培养要注意市场导向。要有产业观念、企业观念、信息观念、竞争观念和效益观念。要拓宽学科领域，更新教育内容与方法，培养一支了解和掌握机械工程科学的前沿技术人才加速智能制造技术的推广和实施.为市场经济服务。

⑥加强政策与法规建设，建立强有力的宏观调控机制。在市场经济环境下.国家仍应制订科学的制造产业规划和制造技术进步的总体规划，以及相应的法规政策。避免重复建设、重复生产和重复引进的事情发生，要尽可能减少和避免市场盲目竞争造成的损失。

⑦提高制造业现代化管理水平。现代管理核心是信息管理、物质管理、质量管理、生产过程管理和市场信息管理、要与国际接轨.开展IS0900系列管理体系认证，加快现代企业制度改革，为制造技术的发展奠定良好的基础。

结束语

智能制造技术是在市场需求及科学技术带动下逐步发展形成的。在市场需求不断变化的驱动下，制造业的生产规模已向多品种变批量柔性的方向发展；在信息科学技术发展的推动下，制造业的资源配置已向信息（知识）密集的方向发展。

制造技术已经不是单纯的制造工艺方法和产品设计，它是一种从产品概念体系到最终产品的集成活动和系统，是一个功能体系和信息处理系统。具有制造目标的制造系统是个有序组织，制造目标的变动就要对制造系统进行重组织，而重组织又需要信息。因此智能制造系统是与环境有物质、能量和信息交换的，依赖于“强制”的损耗（磨损、耗散）的开放式自组织系统，是远离平衡态的耗散结构。

制造业朝着智能制造方向发展,是信息时代新技术革命所决定的,有内在必然性。

现今，国内外的IMT和IMS研究尚处于概念形成与实验探索阶段。近年来，开发了面向制造过程中的特定环节、特定问题的“智能化孤岛”，而对制造环境全机“智能化”的研

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智能制造

究还处于刚刚起步的阶段。IM是一个内容丰富、前景广阔的领域。在当今社会信息化、知识经济化的新世纪时代，大力开展IMT与IMS的开发研究,是提高我国制造业整体水平的必经之路。

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