智能化工厂
敏
智能装备及信息通信 捷
制
第三次工业革命
造
高自动化柔性生产 计算机信息技术驱动
智 能
制
第二次工业革命
造
批量流水线生产
电力驱动
第一次工业革命 机械化生产 蒸汽驱动
18世纪末
20世纪初
70年代初
智能制造与至数今字化工厂62
我国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
张力变化
智能制造与数字化工厂62
案例2： 印刷机械
机
械
长
最高速度：
轴 传
160米/分
动
以电子虚拟轴作
为主导轴，机器
电
各单元分散驱动；
子
传动由智能化驱
长
动器高精度控制
轴 传 动
的电子长轴； 最高印刷速度：
350米/分
智能制造与数字化工厂62
案例3： 玻璃加工机械
异 型
手工靠 模加工
全数字控制加工 适用于不同厚度和尺寸的平板玻璃
玻
平板玻
钻孔、铣形、写字、磨边及抛光
璃 磨
璃的周 边与斜
具有砂轮磨损智能补偿功能
边
边的磨
机
削抛光
异 型
内
孔
加
数
工
控
玻
刀
璃
库
加
智
工
能
中
管
心
理
智能制造与数字化工厂62
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
齿轮箱
统
传统机械产品
动力源
传动机构 工作装置
数控机械产品
224个PP100 （每百辆新车问题数）
4000多种变型共线 （2000年丰田Coronas装配线）
48秒/辆 （日本本田轿车、商务车共线）
135个PP100 （每百辆新车问题数）
——2010年J.D. Power亚太公司中国新车质量研究报告
智能制造与数字化工厂62
数字化工厂的作用：以汽车工业为例
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
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
智能通讯 单元
智能制造与数字化工厂62
制造业的服务化趋势
u 领先的制造企业不再只关注产品的生产加工，而是将市场 拓展至产品的整个生命周期，包括产品开发或改进、生产 加工、销售、售后服务、产品报废、产品解体或回收
及时响应现场异常：通过对生产状 态的实时掌控，快速处理车间制造 过程中的生产过程中常见的延期交 货、物料短缺、设备故障、人员缺 勤等各种异常情形
智能制造与数字化工厂62
数字化工厂的分层管理
u 数字化制造装备层（工位层）
l 实时硬件装备集成：通过对数控设备、工业机器人和现场检测设备的集 成，实时获取制造装备状态、生产过程进度以及质量参数控制的第一手 信息，并传递给执行层与管控层，实现车间制造透明化，为敏捷决策提 供依据
工厂环保与节能 设备技术与维修 检测技术与服务
以汽车行业 为例：
整紧售 汽 车急后 车 租救维 美 赁援修 容
设 计 、 研 发
整 车 及 零 部 件
整车装配
零 部 物件 流及 整 车
化 学 品 管 理
旅 行 服 务
工
具
理
、 设
备
管
供 应 链 管 理
第三方采购 交钥匙工程 产品回收处理
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伺服驱动系统
工作装置
输入 信息
控制系统
信息反馈
简化机械结构 缩短制造周期 提高制造精度 提升装备性能
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制造装备智能化的内涵
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
2、高速、高精、高可靠
现场总线
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
数字化工厂的分层管理
u 数字化制造执行层
l 先进排程与任务分派：通过对车间生产的先进排程和对工作任务的合理 分派，使制造资源利用率和人均产能更高，有效降低生产成本
l 质量控制：通过对质量信息的采集、检测和响应，及时发现并处理质量 问题，杜绝因质量缺陷流入下道工序所带来的风险
l 准时化物料配送：通过对生产计划和物料需求的提前预估，确保在正确 的时间将正确的物料送达正确的地点，在降低库存的同时减少生产中的 物料短缺问题
智能制造与数字化工厂62
提纲
一、两化融合下的数字化与智能化制造 二、数字化工厂概述 三、相关研究与案例
智能制造与数字化工厂62
什么是数字化工厂
数 字 化 工 厂 以 MES 为 核 心，对工厂内的制造资源、 计划、流程等进行管控
数字化工厂与产品设计层 有紧密关联，是设计意图 的物化环节
通过系统集成，数字化工 厂还与企业层和设备控制 层实时交换数据，形成制 造决策、执行和控制等信 息流的闭环
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
数控机床 数控一代
智能机床 智能一代
电动机的发明， • 电能的应用
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
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案例1： 纺织机械
手动式
全数控
半自动
使用数控织机，由原来3-4小时/毛衣，变为40 分钟/毛衣，同时1个工人操作5-10台机智器能制。造与数字化工厂62
案例1： 纺织机械
细纱机——纺纱过程中把半制品粗纱或条子经牵伸、加拈、卷绕成精度油
械
字
浴齿轮箱
式
式
车尾配备
细
细
同步牵伸
纱
纱
传动机构
机
机
带断线图
像检测
采用单锭单电机，
智
20000rpm
能
配备细沙断头粗
化
纱停喂装置，并
细
与电锭运转联动
纱
整机数字化控制
机
系统，监测纺纱
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数字化工厂的工作范围
智能制造与数字化工厂62
数字化工厂的核心内容
制造资源数字化
−设备运行状态和运行参数 −刀具/量具/模具在库/在工位 −装运车辆的定位/跟踪/调度 −关键岗位人员的定位/呼叫 −资源的能力/效率跟踪分析
现场运行数字化
−安灯内容信息采集与发布 −设备运行状态和运行参数 −线边物料的消耗与配送 −现场视频采集与近景分析 −现场环境(光/温/湿/尘/气)
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。
智能化与自主管理
数码相机
操作权限 指纹确认
加工任务完成情况和
Prof. Shu Zhang
机床状态可用手机查询
Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji Unive智rs能ity制造与数字化工厂62
应用车型
瑞风商务车 宾悦轿车 重汽卡车
实施前 生产节拍
3.5分钟/辆 120秒/辆 7.8分钟/辆
实施后 生产节拍
2.5分钟/辆 88秒/辆
质量管控数字化
−质量统计分析报表及异常报告 −质检现场数据/质检设施数据 −主机及关重件流转过程监控 −质量报表数据/统计分析数据 −现场质量事故位置与性质分析
设备
生产
ERP PDM
物流
管控中心 PCC
质量
智能制造与数字化工厂62
数字化工厂的分层管理
u 数字化制造决策与管控层
l 商业智能/制造智能（BI/MI）：可针对质量管理、生产绩效、依 从性、产品总谱和生命周期管理等提供业务分析报告
ROLLS-ROYCE是著名的发动机公司，是波音、空客等大型飞机制造企 业的供货商。ROLLS-ROYCE并不直接向他们出售发动机，而以“租用 服务时间”的形式出售，并承诺在对方的租用时间段内，承担一切保养、 维修和服务。ROLLS-ROYCE通过改变运营模式，扩展发动机维护、发 动机租赁和发动机数据分析管理等服务，通过服务合同绑定用户，服务 收入达到公司总收入的55%以上。
多品种
高效率
低成本
高质量
要实现上述目标，设备的智能化水平和生产过程管控与优化的能力缺一不可
设备能力
生产过程管控与优化能力
在设备能力逐步提升的情况下，制造环节的数字化管控与优化能力不足更显 突出，已成为我国汽车工业与国外差距的主要原因之一。
智能制造与数字化工厂62
实施数字化工厂带来的收益
技术指标对比：实际工程应用前后对比
智能制造与数字化工厂62
数字化工厂的典型应用场景
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数字化工厂的作用：以汽车工业为例
2010年，国务院发展研究中心《汽车产业蓝皮书》发布比较结 果：日本汽车工业91.62分，中国汽车工业54.33分
自主品牌
汽车工业发达国家
品种
1000多种变型共线
效率 质量
3.5分钟/辆 （江淮商务车）
47% 37% 19% 21% 26%
超过50% 超过50% 超过50% 超过50% 超过50%