一、智能制造系統(tǒng)概述

智能制造系統(tǒng)的定義

智能制造系統(tǒng)是由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化系統(tǒng)。它以高度柔性與集成度高的方式，借助計算機模擬人類大腦活動，取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動。例如，在生產線上，智能傳感器可以實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，通過數據分析和算法處理，提前預測設備可能出現的故障，從而減少停機時間和維修成本。

智能制造系統(tǒng)的重要性

隨著科技的不斷發(fā)展，智能制造系統(tǒng)在現代制造業(yè)中的重要性日益凸顯。一方面，它可以提高生產效率。通過自動化和智能化的生產流程，減少了人工操作的時間和錯誤率，大大提高了產品的生產速度和質量。據統(tǒng)計，采用智能制造系統(tǒng)的企業(yè)，生產效率可以提高 20% 至 30%。另一方面，智能制造系統(tǒng)可以降低生產成本。智能設備的精準控制和優(yōu)化管理，可以減少原材料的浪費和能源的消耗，同時降低人力成本。此外，智能制造系統(tǒng)還可以提高企業(yè)的競爭力。在市場競爭日益激烈的今天，企業(yè)只有不斷提高自身的生產效率和產品質量，才能在市場中立于不敗之地。

二、智能制造系統(tǒng)的組成部分

（一）智能產品

智能產品是智能制造系統(tǒng)的重要組成部分。在制造過程中，智能產品能夠通過內置的傳感器和控制系統(tǒng)，實現自感知功能，實時監(jiān)測自身的生產狀態(tài)和質量參數。例如，智能汽車在生產線上可以自動檢測零部件的安裝情況和性能指標，確保產品質量。在使用過程中，智能產品能夠進行故障診斷，當出現問題時，及時向用戶發(fā)出警報并提供解決方案。比如，智能家電可以通過自我檢測發(fā)現故障，并通過網絡連接向售后服務中心發(fā)送故障信息，以便維修人員及時進行處理。此外，智能產品還具備網絡通信功能，能夠與其他設備和系統(tǒng)進行互聯(lián)互通，實現數據共享和協(xié)同工作。例如，智能家居產品可以通過無線網絡連接，實現家庭設備的集中控制和智能化管理。最后，智能產品還具有自適應功能，能夠根據用戶的需求和使用環(huán)境的變化，自動調整自身的性能和功能。

（二）智能生產

智能設計

智能設計在產品設計和工藝設計等方面發(fā)揮著重要作用。通過結合智能化技術，可以快速獲取設計需求，從大量的數據中進行概念抽取，為設計師提供創(chuàng)新的靈感和思路。同時，利用先進的模擬和測試技術，可以對設計方案進行優(yōu)化，提高產品的性能和質量。例如，在航空航天領域，通過智能設計軟件可以對飛機的結構進行優(yōu)化設計，降低重量、提高強度，從而提高飛行性能和安全性。

智能工藝與裝備

智能工藝與裝備能夠實現設備與人及工藝的高效協(xié)同。通過內置的傳感器和控制系統(tǒng)，設備可以自分析自身的運行狀態(tài)和加工參數，自決策調整加工策略，自執(zhí)行優(yōu)化后的加工任務。例如，智能機床可以根據工件的材料和加工要求，自動調整切削參數，提高加工效率和質量。同時，智能裝備還可以與人進行交互，根據操作人員的指令和反饋，進行智能化的調整和優(yōu)化。

智能制造過程

智能制造過程中引入了智能技術與管理手段，實現資源的優(yōu)化配置、任務的調度、精細化管理和智慧決策。通過大數據分析和人工智能算法，可以對生產過程中的各種數據進行實時監(jiān)測和分析，優(yōu)化生產流程，提高生產效率和質量。例如，在汽車制造企業(yè)中，通過智能制造系統(tǒng)可以實現對生產線上的設備、物料和人員的實時監(jiān)控和調度，確保生產任務的順利完成。同時，還可以對生產過程中的質量數據進行分析，及時發(fā)現問題并進行調整，提高產品的質量穩(wěn)定性。

（三）智能制造模式

智能制造模式催生了一系列新興的制造模式，如協(xié)同開發(fā)、云制造、遠程運維等。這些模式表現為制造服務的智能化，為企業(yè)創(chuàng)造了新的價值。協(xié)同開發(fā)模式通過互聯(lián)網平臺，將不同地區(qū)、不同企業(yè)的設計、研發(fā)和生產資源進行整合，實現協(xié)同創(chuàng)新和高效開發(fā)。云制造模式利用云計算技術，將制造資源進行虛擬化和服務化，為企業(yè)提供按需使用的制造服務。遠程運維模式通過網絡連接，實現對設備的遠程監(jiān)控和維護，提高設備的可靠性和可用性。例如，在工業(yè)互聯(lián)網平臺上，企業(yè)可以通過協(xié)同開發(fā)模式與合作伙伴共同開發(fā)新產品，利用云制造模式快速獲取制造資源，通過遠程運維模式對設備進行遠程維護和管理，提高企業(yè)的競爭力和創(chuàng)新能力。

三、智能制造系統(tǒng)的要素

（一）人工智能技術

人工智能技術在智能制造系統(tǒng)中扮演著關鍵角色。它能夠對大量的生產數據進行分析和處理，為生產決策提供精準的依據。例如，通過機器學習算法，智能系統(tǒng)可以預測設備的故障時間，提前進行維護，減少生產中斷的風險。據統(tǒng)計，采用人工智能技術的智能制造企業(yè)，設備故障率可降低 30% 以上。人工智能還可以優(yōu)化生產流程，提高生產效率和產品質量。在一些復雜的生產環(huán)境中，人工智能能夠自動調整生產參數，以適應不同的生產需求。

（二）并行工程

并行工程的應用可以極大地減少產品設計過程中的盲目性和重復性。在智能制造系統(tǒng)中，并行工程使得產品設計、工藝規(guī)劃、生產制造等環(huán)節(jié)能夠同時進行，大大縮短了產品的開發(fā)周期。通過信息共享和協(xié)同工作，不同部門的人員可以及時交流和反饋，避免了設計錯誤和重復勞動。例如，在汽車制造行業(yè)，采用并行工程可以將新車的開發(fā)時間縮短數月甚至一年以上。

（三）信息網絡技術

信息網絡技術是智能制造系統(tǒng)中各環(huán)節(jié) “智能集成” 的重要支撐，是信息流通的通道。它能夠將生產設備、傳感器、控制系統(tǒng)等連接起來，實現數據的實時傳輸和共享。通過信息網絡技術，企業(yè)可以對生產過程進行遠程監(jiān)控和管理，及時掌握生產動態(tài)。同時，信息網絡技術也為企業(yè)間的協(xié)同合作提供了便利，實現了供應鏈的高效協(xié)同。據研究，信息網絡技術的應用可以使企業(yè)的生產效率提高 20% 左右。

（四）虛擬制造技術

虛擬制造技術能夠保證產品開發(fā)周期短、成本低、質量優(yōu)、效率高，是并行工程的重要前提。通過虛擬仿真技術，企業(yè)可以在產品實際生產之前，對生產過程進行模擬和優(yōu)化。這樣可以提前發(fā)現設計中的問題，減少實際生產中的錯誤和浪費。例如，在航空航天領域，虛擬制造技術可以大大降低新產品的開發(fā)成本和風險。

（五）自律能力構筑

智能制造系統(tǒng)以知識庫和模型為基礎，具備自組織能力。它能夠根據生產環(huán)境的變化和生產任務的要求，自動調整生產策略和參數。例如，當生產設備出現故障時，系統(tǒng)可以自動調整生產計劃，將任務分配到其他設備上，保證生產的連續(xù)性。同時，自律能力還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（六）人機一體化

人機一體化在智能制造系統(tǒng)中突出了人的核心地位，人與智能機器協(xié)作共同完成生產任務。人具有創(chuàng)造力、判斷力和決策能力，而智能機器則具有高效、精準和重復性好的特點。兩者相互配合，可以發(fā)揮出最大的優(yōu)勢。例如，在一些復雜的生產環(huán)節(jié)中，操作人員可以通過人機界面與智能設備進行交互，實現對生產過程的精準控制。

（七）自組織和超柔性

智能制造系統(tǒng)的各組成單元能夠自行組成最佳結構，表現出超柔性。這種自組織和超柔性使得系統(tǒng)能夠快速適應不同的生產任務和生產環(huán)境的變化。例如，當市場需求發(fā)生變化時，系統(tǒng)可以自動調整生產線的布局和生產流程，以滿足新的生產需求。同時，自組織和超柔性也提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

四、智能制造系統(tǒng)的子系統(tǒng)

（一）設計子系統(tǒng)

設計子系統(tǒng)在智能制造系統(tǒng)中起著至關重要的作用。它利用先進的計算機輔助設計（CAD）軟件和三維建模技術，為產品設計和開發(fā)提供創(chuàng)新方案。設計師可以通過這些軟件快速繪制出產品的二維和三維模型，直觀地展示產品的外觀和結構。同時，設計子系統(tǒng)還能夠進行模擬測試，利用有限元分析等技術對產品的性能進行評估，提前發(fā)現潛在的問題并進行優(yōu)化。例如，在汽車設計中，通過模擬碰撞測試可以優(yōu)化車身結構，提高汽車的安全性。設計子系統(tǒng)還與其他子系統(tǒng)保持密切交流，將設計信息及時傳遞給生產子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)，確保生產過程的順利進行。

（二）生產子系統(tǒng)

生產子系統(tǒng)是智能制造系統(tǒng)的核心部分之一。它包括設備控制、工藝規(guī)劃和制造執(zhí)行等多個環(huán)節(jié)。在設備控制方面，通過先進的自動化控制系統(tǒng)，實現對生產設備的精準控制，提高生產效率和產品質量。例如，智能機床可以根據預設的程序自動進行加工，減少人工干預。工藝規(guī)劃環(huán)節(jié)負責制定合理的生產工藝計劃，根據產品的特點和生產要求，選擇最佳的加工方法和工藝流程。制造執(zhí)行環(huán)節(jié)則具體負責生產任務的執(zhí)行，對生產過程進行實時監(jiān)控，及時處理生產中的異常情況。例如，當設備出現故障時，系統(tǒng)能夠自動報警并采取相應的措施，確保生產的連續(xù)性。

（三）管理子系統(tǒng)

管理子系統(tǒng)處于智能制造系統(tǒng)的決策和管理層面。它負責制定生產計劃、進行資源調度和質量控制等重要任務。通過與企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)的集成，管理子系統(tǒng)可以獲取企業(yè)的整體運營信息，實現生產與管理的協(xié)同工作。在生產計劃方面，管理子系統(tǒng)根據市場需求和企業(yè)的生產能力，制定合理的生產計劃，確保產品按時交付。資源調度環(huán)節(jié)則根據生產計劃，合理分配人力、物力和財力等資源，提高資源利用率。質量控制方面，管理子系統(tǒng)通過對生產過程中的質量數據進行實時監(jiān)測和分析，及時發(fā)現質量問題并采取糾正措施，確保產品質量符合標準。

（四）控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)處于智能制造系統(tǒng)的實時控制層面。它對生產過程進行實時監(jiān)控和控制，確保生產過程的穩(wěn)定運行。控制子系統(tǒng)通過傳感器和數據采集設備，實時獲取生產過程中的各種數據，如溫度、壓力、流量等。然后，利用先進的控制算法對這些數據進行分析和處理，及時調整生產參數，保證生產過程處于最佳狀態(tài)。例如，在化工生產中，控制子系統(tǒng)可以根據反應釜內的溫度和壓力變化，自動調整加熱和冷卻系統(tǒng)的運行參數，確?；瘜W反應的安全和穩(wěn)定進行。同時，控制子系統(tǒng)還能夠對生產設備進行故障診斷和預測，提前發(fā)現潛在的故障隱患，采取相應的維護措施，提高設備的可靠性和可用性。