智能制造与数字化工厂
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广西自治区2014年两化融合干部高级培训班
智能制造与数字化工厂
张国军 博士、长江学者特聘教授
2014年9月
提
纲
一、智能制造的背景、特征与关键技术 二、RFID在智能制造中的应用模式 三、智能制造解决方案及应用案例 四、数字化工厂及应用案例 五、相关工作基础
制造技术的发展需求和趋势
满足客户个性化需求 全价值链端到端系统工程
RFID在智能制造中的应用模式
夹具 ID
RFID标签
工装板 加工零件
刀具 TAG 容器 托盘
智能制造在AGV搬运机器人上的应用
应用说明： 在AGV小车需要判别转向信息的 部分设置RFID感应标签。 AGV搬运机器人底部安装RFID读 写设备，通过识别AGV车路径上 的RFID标签，获取不同路径转向点 的转向和报站信息 通过RFID系统和AGV车载控制系 统以及驱动系统实现AGV小车更 加智能化的运行
操作权限 指纹确认
Prof. Shu Zhang
加工任务完成情况和 机床状态可用手机查询
Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
智能化制造装备—国内外进展
智能化与自主管理
知道本系统的加工能 力和状态
智能通讯 单元
3 提高柔性
• • 个性化大规模生产 快速变化的市场
能源和资源利用效率 是竞争力的决定性因素
•
更大的数据量
•
更高的生产效率
制造业变化的速度比以往更快
4
制造业成为全球经济发展的发动机
美国
“再工业化” • 国家制造技术创新联盟 • 使用本国页岩气和石油
德国
保持工业领先地位 • 持续创新机制 • 高出口量 • 工业4.0为新的指导原则
应用效果：实现自动化立库的自识别功能，能够实现随机快速分配仓位，实现自 由调仓等功能，提高自动化立库的运转效率，降低出错率
智能制造在烟草业中的应用
作为烟草生产管理信息系统的一部分，SYGOLE-RFID用于在自动化仓库 和管理系统中追踪和管理生产，质量信息。目标是实现质量和物料的 控制。
烟棒过滤嘴自动仓库的RFID 仓库容器传送机
能够监控和自主优化 加工过程
能够自行度量工作 （输出）的质量
能够不断持续学习和 提高自己的能力
提
纲
一、智能制造的背景、特征与关键技术
二、RFID在智能制造中的应用模式
三、智能制造解决方案及应用案例
四、数字化工厂及应用案例
五、相关工作基础
RFID在智能制造中的应用模式
RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触式的自动识别技术，它通过 射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。
策和优化等。
2) 自治能力
采用分层或分级的自治单元，通过协调机制对其自身的操作
行为做出规划，对意外事件（如制造资源变化、制造任务货
物要求变化等）做出反应，实现行为可控。
13 13
智能制造的基本特征
3)人机协同
实现人和系统的协同交互，辅助人类进行分析、判断、决策；
人机之间平等共事、相互“理解”、相互协作。
电子标签
读写器天线
读写器天线射频信号
读写器
RFID中间件 企业业务应用
扩展企业 网络
RFID系统组成
RFID工作原理
适应复杂工况：防雨水、抗污渍、抗油污、可喷涂 读写方便快捷：可读可写， “盲视”“透视”扫描 批量操作：批量读/写、远距离读写 读识性能可靠：一次性“盲扫”，识别可靠性达99.8%以上
CAD/CAE/CAM
PDM/ERP/SCM
制造智能
制造装备智能化的基础
数控技术的应用引起机械产品本身内涵发生根本性变化
伺 服 驱 动 系 统
齿轮箱 传统机械产品
动力源
数控机械产品
传动机构
工作装置
简化机械结构
缩短制造周期
伺服驱动系统 工作装置
信息反馈
提高制造精度 提升装备性能
输入 信息
控制系统
制造装备智能化的内涵
7
制造业发展的几个主要阶段
蒸汽机、电动机曾给机械产品的发展带来革命 数字化：信息化与工业化融合的重要手段 智能化：装备和机械产品的发展趋势
机械化
电气化 数字化
智能化
蒸汽机 机械一代 蒸汽机的发明， 机器动力的应用
普通机床
电气一代 电动机的发明， 电能的应用
•
数控机床
数控一代
智能机床 智能一代
国家中长期科学和技术发展 规划纲要(2006-2020)
★
重点研究数字化设计制造集成技术
“十二五”国家战略性新兴产业 发展规划
★
的高端装备
国家工信部发布了《智能制造装备产业 “十二五”发展规划》，并启动了智能制 造装备重大专项 大飞机、发动机等重大科技专项中，2/3 的重大专项急需智能制造装备与技术
中国
发展高端技术实现产品升级 • 工资上涨 • 质量驱动的自动化需求 • 节能立法
5
中国的制造业在发生巨大变革
2015年中国长三角地区的制造成本仅比美国低5%
6
中国的挑战和机遇
低附加值 高附加值
哥本哈根中国减排目标
产业升级压力 劳动力成本上升 能耗排放压力
中国制造业机遇：发展先进制造技术，实现产业升级
6) 自维护能力
对系统的故障进行诊断、预测和自修复，自动更新系统知识
库、维护单元设备；对系统的整体运行状况进行评估，及时
发现并解决问题。
15 15
智能制造关键技术
综合利用智能传感技术、计算机网络技术、自动控 制技术、人工智能技术、现代管理技术，实现工厂生产 自动化、网络化、数字化和智能化，其关键技术有： 智能传感与智能制造网络技术 分布制造智能与系统建模技术 信息管理、集成与数据挖掘技术
个性化
实现多品种产品生产的动态 配置资源
制造技术 发展趋势
绿色化
提高能源利用效率，实现 工业生产“绿色环保” 绿色制造
定制化
制造需求： 多品种多批量、高质量低成本、柔性制造快速
响应、节能减排环境友好等
3
制造业核心竞争力正在发生深刻变化
提升竞争力
1
提升效率
2 缩短生产周期
• • 更短的创新周期 更为复杂的产品
应用效果： 通过对机器人识别技术的改造，使得汽车喷涂具备混流自动化的特征，提高了喷涂效 率，提高了整车生产效率。
发动机装配混流中智能制造
应用说明 发动机组装过程在主体盘上装
RFID电子标签，并将发动机型号
信息写入标签 在发动机组装过程中，在发动机 组装流水线线边装读写装置，识
别发动机信息
堆垛机
Sygole
智能制造在数控加工中心辅助机器人应用
wk.baidu.com应用说明：
给每一个工件安装一个RFID标签， 需具备抗金属、抗油污、高防护等 级性能； 通过机器人自动抓取，实现在工件 仓库、机床环节之间的自动加工和 流转； 机器人安装RFID读写设备，通过读 取工件的RFID标签，识别不同工件 的加工工艺和位置参数等信息。
力，是高品质复杂零件制造的必然选择。
高品质制造
智能制造
几何精度 微观组织性能 表面完整性 残余应力分布 品质一致性 ……
国家对智能制造的重视
国家中长期科技术发展规划纲要对“数字化 智能化制造技术”提出了迫切需求： 国家科技部发布《智能制造科技发展“十 二五”重点专项规划》，重点突破智能化
应用效果： 实现AGV小车路径柔性化，提高运转效率，更具备路径适应性和制 造流程适应性，能与MES、ERP系统无缝对接。
智能制造在码垛机器人上的应用
应用说明：
在自动立库的出入口、码垛机器人 、转向机构等位置部署RFID读写器 在自动立库中的托盘（载具）上固 定RFID电子标签 在运转过程中通过识别RFID标签的 信息，加载产品或物料信息 将RFID信息传递给码垛机器人实现 全自动出库、入库、分配位置等动 作
信息技术特别是
数控技术的应用
智能技术的应用， 自适应、自我决策
第四次工业革命：智能制造
第二次工业革命
电机发明和电能 使用，大规模流 水线生产
第三次工业革命
第四次工业革命
第一次工业革命
蒸汽动力机械 设备应用于生产
应用IT技术实现自 动化生产
实现智能制造
什么叫智能制造
智能制造通过工况在线感知（看）、智能决策与控制（想） 、装 备自律执行（做）大闭环过程，不断提升装备性能、增强自适应能
In its report Ensuring American Leadership in Advanced Manufacturing, in June 2011
智能制造的基本特征
1) 信息驱动
采集产品制造的各类数据、知识、图形、图像等信息，实现 生产过程系统的预报、评价、调度、控制、监控、诊断、决
1、平台全数字化
现场总线、码盘到伺服的连接、驱动单元等全数字化 高档系统普遍采用现场总线方式
现场总线
2、高速、高精、高可靠
先进数控机床加速度可达10g，快移速度达720m/min 普通数控加工精度5μm，精密级1μm，超精密0.01μm 数控装置MTBF值达60000h以上，伺服系统达30000h
RFID设备读取到信息后，将信息 传递给PLC以及现场机器人，通 过机器人的不同动作实现混流装 配。
高速纳米插补
3、智能化、网络化、复合化
加工参数自调整、防碰撞、误差补偿、颤振预测抑制等
从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发展
同时完成复杂零件的主要乃至全部加工工序
加工参数自动调整
智能化制造装备—国内外进展
智能化与自主管理
信息塔(e-Tower) 机床信息化，具有语音 、文本和视像等通讯功能 。与生产计划调度系统联 网，实时反映机床工作状 态和加工进度 操作权限指纹确认。工 件试切时，可在屏幕上观 察加工过程。故障报警显 示、在线帮助排除。 数码相机
应用效果： 通过七轴关节机器人，配备一个拥有数百个托盘位的自动化电极仓 库，将放电加工、高速铣削等多个加工流程可靠连接起来，提高数控设备稼动率
30%以上
智能制造在线测量机器人的应用
应用说明： 在电极夹具上装载RFID标签，让
QC 测 量 电 极 偏 移 量 X、Y值传递至上位机软件 向数据库写入 X、Y偏移量值
4) 自组织与柔性
根据获取的市场、设计和过程信息，制造单元和系统自行组 成一种最佳结构的智能制造系统，以高效可靠的方式运行， 完成给定的制造任务。
14 14
智能制造的基本特征
5) 自学习能力
以专家知识为基础，不断完善、优化、更新系统的知识库； 通过感知环境状态来学习动态系统的最优行为策略，实现环
境自适应、在线学习等能力。
智能决策、规划、调度与企业管理技术
现代制造服务技术
16 16
智能制造体系结构
企业制造
系统结构可重构 系统运行自组织、 自适应、自协作
智能制造系统 制造系统
客户信息感知与管理 客户需求智能分析与 个性化服务
装备/工艺 智能装备
生产管理
智能制造服务 服务
销售/维护/报废
感知 自主/半自主 决策规划 智能控制
数 据 库
每一个夹具都有唯一标识
在测量设备上安装读写装置，让 每台设备具有智能感知功能 设备读取标签信息后，能够自动
向标签内写入 X、 Y偏 移量值
电 极
读写器读取电极标签编码
标签 编码 传递 至上 位机 软件
进行误差测量、型面测量并形成
检测报告
应用效果： （1）提高了测量的效率20% （2）实现了测量目标体和测量指标 的自识别，提高设备利用率18%
智能制造作为先进的制造科学与技术手段，已成为各国抢占制造 科技制高点的重点研究领域： 奥巴马总统2011年启动“高端制造合作伙伴（AMP）计划”， 企业/高校共同实施，将智能制造确定为美国夺回制造业霸主 的三大重点领域之一 (美国科技委员会制造研发报告) 美欧日等发达国家：将智能制造列为支撑未来可持续制造的重 要科学技术 (IMS2020 Roadmap)
做大做强数字制造装备，促进制造业 智能化、精密化、绿色化发展
☆国家科技重大专项（02专项）
极大规模集成电路制造装备 及成套工艺
☆国家科技重大专项（04专项） ☆国家智能制造装备重大专项
高档数控机床数字化设计关键技术 与工具集研发及典型产品应用 智能制造关键技术、数字化车间示 范应用、智能制造系统等
国际对智能制造的重视
（3）减少人工错误，提高准确率10%
29
汽车喷涂中的智能制造技术
在汽车车身装RFID远距离电子 标签
在汽车车身侧边或顶部部署
RFID读写器，同时将读写器和 喷涂机器人实现联动通讯
SYGOLE
汽车通过时，RFID将识别的信
息传输给机器人，机器人通过
对信息的识别加载不同的喷涂 参数，实现自动化混流喷涂
智能制造与数字化工厂
张国军 博士、长江学者特聘教授
2014年9月
提
纲
一、智能制造的背景、特征与关键技术 二、RFID在智能制造中的应用模式 三、智能制造解决方案及应用案例 四、数字化工厂及应用案例 五、相关工作基础
制造技术的发展需求和趋势
满足客户个性化需求 全价值链端到端系统工程
RFID在智能制造中的应用模式
夹具 ID
RFID标签
工装板 加工零件
刀具 TAG 容器 托盘
智能制造在AGV搬运机器人上的应用
应用说明： 在AGV小车需要判别转向信息的 部分设置RFID感应标签。 AGV搬运机器人底部安装RFID读 写设备，通过识别AGV车路径上 的RFID标签，获取不同路径转向点 的转向和报站信息 通过RFID系统和AGV车载控制系 统以及驱动系统实现AGV小车更 加智能化的运行
操作权限 指纹确认
Prof. Shu Zhang
加工任务完成情况和 机床状态可用手机查询
Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
智能化制造装备—国内外进展
智能化与自主管理
知道本系统的加工能 力和状态
智能通讯 单元
3 提高柔性
• • 个性化大规模生产 快速变化的市场
能源和资源利用效率 是竞争力的决定性因素
•
更大的数据量
•
更高的生产效率
制造业变化的速度比以往更快
4
制造业成为全球经济发展的发动机
美国
“再工业化” • 国家制造技术创新联盟 • 使用本国页岩气和石油
德国
保持工业领先地位 • 持续创新机制 • 高出口量 • 工业4.0为新的指导原则
应用效果：实现自动化立库的自识别功能，能够实现随机快速分配仓位，实现自 由调仓等功能，提高自动化立库的运转效率，降低出错率
智能制造在烟草业中的应用
作为烟草生产管理信息系统的一部分，SYGOLE-RFID用于在自动化仓库 和管理系统中追踪和管理生产，质量信息。目标是实现质量和物料的 控制。
烟棒过滤嘴自动仓库的RFID 仓库容器传送机
能够监控和自主优化 加工过程
能够自行度量工作 （输出）的质量
能够不断持续学习和 提高自己的能力
提
纲
一、智能制造的背景、特征与关键技术
二、RFID在智能制造中的应用模式
三、智能制造解决方案及应用案例
四、数字化工厂及应用案例
五、相关工作基础
RFID在智能制造中的应用模式
RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触式的自动识别技术，它通过 射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。
策和优化等。
2) 自治能力
采用分层或分级的自治单元，通过协调机制对其自身的操作
行为做出规划，对意外事件（如制造资源变化、制造任务货
物要求变化等）做出反应，实现行为可控。
13 13
智能制造的基本特征
3)人机协同
实现人和系统的协同交互，辅助人类进行分析、判断、决策；
人机之间平等共事、相互“理解”、相互协作。
电子标签
读写器天线
读写器天线射频信号
读写器
RFID中间件 企业业务应用
扩展企业 网络
RFID系统组成
RFID工作原理
适应复杂工况：防雨水、抗污渍、抗油污、可喷涂 读写方便快捷：可读可写， “盲视”“透视”扫描 批量操作：批量读/写、远距离读写 读识性能可靠：一次性“盲扫”，识别可靠性达99.8%以上
CAD/CAE/CAM
PDM/ERP/SCM
制造智能
制造装备智能化的基础
数控技术的应用引起机械产品本身内涵发生根本性变化
伺 服 驱 动 系 统
齿轮箱 传统机械产品
动力源
数控机械产品
传动机构
工作装置
简化机械结构
缩短制造周期
伺服驱动系统 工作装置
信息反馈
提高制造精度 提升装备性能
输入 信息
控制系统
制造装备智能化的内涵
7
制造业发展的几个主要阶段
蒸汽机、电动机曾给机械产品的发展带来革命 数字化：信息化与工业化融合的重要手段 智能化：装备和机械产品的发展趋势
机械化
电气化 数字化
智能化
蒸汽机 机械一代 蒸汽机的发明， 机器动力的应用
普通机床
电气一代 电动机的发明， 电能的应用
•
数控机床
数控一代
智能机床 智能一代
国家中长期科学和技术发展 规划纲要(2006-2020)
★
重点研究数字化设计制造集成技术
“十二五”国家战略性新兴产业 发展规划
★
的高端装备
国家工信部发布了《智能制造装备产业 “十二五”发展规划》，并启动了智能制 造装备重大专项 大飞机、发动机等重大科技专项中，2/3 的重大专项急需智能制造装备与技术
中国
发展高端技术实现产品升级 • 工资上涨 • 质量驱动的自动化需求 • 节能立法
5
中国的制造业在发生巨大变革
2015年中国长三角地区的制造成本仅比美国低5%
6
中国的挑战和机遇
低附加值 高附加值
哥本哈根中国减排目标
产业升级压力 劳动力成本上升 能耗排放压力
中国制造业机遇：发展先进制造技术，实现产业升级
6) 自维护能力
对系统的故障进行诊断、预测和自修复，自动更新系统知识
库、维护单元设备；对系统的整体运行状况进行评估，及时
发现并解决问题。
15 15
智能制造关键技术
综合利用智能传感技术、计算机网络技术、自动控 制技术、人工智能技术、现代管理技术，实现工厂生产 自动化、网络化、数字化和智能化，其关键技术有： 智能传感与智能制造网络技术 分布制造智能与系统建模技术 信息管理、集成与数据挖掘技术
个性化
实现多品种产品生产的动态 配置资源
制造技术 发展趋势
绿色化
提高能源利用效率，实现 工业生产“绿色环保” 绿色制造
定制化
制造需求： 多品种多批量、高质量低成本、柔性制造快速
响应、节能减排环境友好等
3
制造业核心竞争力正在发生深刻变化
提升竞争力
1
提升效率
2 缩短生产周期
• • 更短的创新周期 更为复杂的产品
应用效果： 通过对机器人识别技术的改造，使得汽车喷涂具备混流自动化的特征，提高了喷涂效 率，提高了整车生产效率。
发动机装配混流中智能制造
应用说明 发动机组装过程在主体盘上装
RFID电子标签，并将发动机型号
信息写入标签 在发动机组装过程中，在发动机 组装流水线线边装读写装置，识
别发动机信息
堆垛机
Sygole
智能制造在数控加工中心辅助机器人应用
wk.baidu.com应用说明：
给每一个工件安装一个RFID标签， 需具备抗金属、抗油污、高防护等 级性能； 通过机器人自动抓取，实现在工件 仓库、机床环节之间的自动加工和 流转； 机器人安装RFID读写设备，通过读 取工件的RFID标签，识别不同工件 的加工工艺和位置参数等信息。
力，是高品质复杂零件制造的必然选择。
高品质制造
智能制造
几何精度 微观组织性能 表面完整性 残余应力分布 品质一致性 ……
国家对智能制造的重视
国家中长期科技术发展规划纲要对“数字化 智能化制造技术”提出了迫切需求： 国家科技部发布《智能制造科技发展“十 二五”重点专项规划》，重点突破智能化
应用效果： 实现AGV小车路径柔性化，提高运转效率，更具备路径适应性和制 造流程适应性，能与MES、ERP系统无缝对接。
智能制造在码垛机器人上的应用
应用说明：
在自动立库的出入口、码垛机器人 、转向机构等位置部署RFID读写器 在自动立库中的托盘（载具）上固 定RFID电子标签 在运转过程中通过识别RFID标签的 信息，加载产品或物料信息 将RFID信息传递给码垛机器人实现 全自动出库、入库、分配位置等动 作
信息技术特别是
数控技术的应用
智能技术的应用， 自适应、自我决策
第四次工业革命：智能制造
第二次工业革命
电机发明和电能 使用，大规模流 水线生产
第三次工业革命
第四次工业革命
第一次工业革命
蒸汽动力机械 设备应用于生产
应用IT技术实现自 动化生产
实现智能制造
什么叫智能制造
智能制造通过工况在线感知（看）、智能决策与控制（想） 、装 备自律执行（做）大闭环过程，不断提升装备性能、增强自适应能
In its report Ensuring American Leadership in Advanced Manufacturing, in June 2011
智能制造的基本特征
1) 信息驱动
采集产品制造的各类数据、知识、图形、图像等信息，实现 生产过程系统的预报、评价、调度、控制、监控、诊断、决
1、平台全数字化
现场总线、码盘到伺服的连接、驱动单元等全数字化 高档系统普遍采用现场总线方式
现场总线
2、高速、高精、高可靠
先进数控机床加速度可达10g，快移速度达720m/min 普通数控加工精度5μm，精密级1μm，超精密0.01μm 数控装置MTBF值达60000h以上，伺服系统达30000h
RFID设备读取到信息后，将信息 传递给PLC以及现场机器人，通 过机器人的不同动作实现混流装 配。
高速纳米插补
3、智能化、网络化、复合化
加工参数自调整、防碰撞、误差补偿、颤振预测抑制等
从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发展
同时完成复杂零件的主要乃至全部加工工序
加工参数自动调整
智能化制造装备—国内外进展
智能化与自主管理
信息塔(e-Tower) 机床信息化，具有语音 、文本和视像等通讯功能 。与生产计划调度系统联 网，实时反映机床工作状 态和加工进度 操作权限指纹确认。工 件试切时，可在屏幕上观 察加工过程。故障报警显 示、在线帮助排除。 数码相机
应用效果： 通过七轴关节机器人，配备一个拥有数百个托盘位的自动化电极仓 库，将放电加工、高速铣削等多个加工流程可靠连接起来，提高数控设备稼动率
30%以上
智能制造在线测量机器人的应用
应用说明： 在电极夹具上装载RFID标签，让
QC 测 量 电 极 偏 移 量 X、Y值传递至上位机软件 向数据库写入 X、Y偏移量值
4) 自组织与柔性
根据获取的市场、设计和过程信息，制造单元和系统自行组 成一种最佳结构的智能制造系统，以高效可靠的方式运行， 完成给定的制造任务。
14 14
智能制造的基本特征
5) 自学习能力
以专家知识为基础，不断完善、优化、更新系统的知识库； 通过感知环境状态来学习动态系统的最优行为策略，实现环
境自适应、在线学习等能力。
智能决策、规划、调度与企业管理技术
现代制造服务技术
16 16
智能制造体系结构
企业制造
系统结构可重构 系统运行自组织、 自适应、自协作
智能制造系统 制造系统
客户信息感知与管理 客户需求智能分析与 个性化服务
装备/工艺 智能装备
生产管理
智能制造服务 服务
销售/维护/报废
感知 自主/半自主 决策规划 智能控制
数 据 库
每一个夹具都有唯一标识
在测量设备上安装读写装置，让 每台设备具有智能感知功能 设备读取标签信息后，能够自动
向标签内写入 X、 Y偏 移量值
电 极
读写器读取电极标签编码
标签 编码 传递 至上 位机 软件
进行误差测量、型面测量并形成
检测报告
应用效果： （1）提高了测量的效率20% （2）实现了测量目标体和测量指标 的自识别，提高设备利用率18%
智能制造作为先进的制造科学与技术手段，已成为各国抢占制造 科技制高点的重点研究领域： 奥巴马总统2011年启动“高端制造合作伙伴（AMP）计划”， 企业/高校共同实施，将智能制造确定为美国夺回制造业霸主 的三大重点领域之一 (美国科技委员会制造研发报告) 美欧日等发达国家：将智能制造列为支撑未来可持续制造的重 要科学技术 (IMS2020 Roadmap)
做大做强数字制造装备，促进制造业 智能化、精密化、绿色化发展
☆国家科技重大专项（02专项）
极大规模集成电路制造装备 及成套工艺
☆国家科技重大专项（04专项） ☆国家智能制造装备重大专项
高档数控机床数字化设计关键技术 与工具集研发及典型产品应用 智能制造关键技术、数字化车间示 范应用、智能制造系统等
国际对智能制造的重视
（3）减少人工错误，提高准确率10%
29
汽车喷涂中的智能制造技术
在汽车车身装RFID远距离电子 标签
在汽车车身侧边或顶部部署
RFID读写器，同时将读写器和 喷涂机器人实现联动通讯
SYGOLE
汽车通过时，RFID将识别的信
息传输给机器人，机器人通过
对信息的识别加载不同的喷涂 参数，实现自动化混流喷涂