第3章智能制造的核心应用

智能制造涵盖了整个价值链的智能化，包括研发、工艺规划、生产制造、采购供应、销售、服务、决策等各个环节，通过智能产品、智能服务、智能装备与产线、智能车间与工厂、智能研发、智能管理、智能供应链与物流及智能决策等不同环节的应用，相互融合和支撑，实现商业模式创新、生产模式创新、运营模式创新及决策模式创新(图31)。企业在推进智能制造时需要始终围绕企业自身发展目标，依据自身优势和发展诉求统筹规划、分步实施、持续学习、优化调整，避免盲目跟从。本章将用理论与案例相结合的方式，详细讲解智能制造各个环节的核心应用。


图31智能制造应用场景



3.1智能产品
智能产品通常具有自主决策、自适应工况、人机交互等特点。自主决策需要环境感知、自预测性、智能识别及自主决策的技术支撑； 自适应工况需要工况识别感知、控制算法及策略等关键技术； 人机交互需要借助多功能感知、语音识别或图像识别、智能Agent、信息融合、参数自动反馈关键技术等。围绕产品的智能化出现了智能互联产品、软件定义产品等不同的智能产品类型。
1. 智能互联产品
IT技术是产品本身不可分割的一部分，也赋予了传统产品新的功能与能力。新一代产品内置传感器、处理器和软件，并与互联网相连，实时采集海量数据让产品的功能和效能都大大提升。例如无人驾驶汽车是智能汽车的一种，它利用车载传感器感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶，集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的一种产品。又如生产拖拉机的企业可能会发现自己已处于农业装备系统、天气数据系统、灌溉系统、种子优化系统等农场管理系统中，因此，需要重新定义产品边界，构建系统的系统，提供更多的增值服务满足客户的需求(图32)。

智能制造实践+Intelligent manufacturing Practice

第3章智能制造的核心应用


产品智能化常见的方式如在产品中加入智能化单元，提升产品附加值，以及衍生产品价值链等。例如在工程机械上增加传感器，对产品进行定位，对关键零部件状态开展监测，积累产品状态、重要参数等数据，进行多维度分析，从而帮助企业挖掘更多商业机会。



Bigbelly垃圾桶集太阳能、物联网、高效压缩机为一体。当桶内垃圾快满时，压缩机会在40秒内将垃圾压缩至原来体积的1/5； 当压缩后的垃圾桶快满时，则自动联网将垃圾桶已满以及垃圾桶所在地理位置的信息发送至垃圾处理中心； 处理中心的系统根据各个垃圾桶发回的数据，规划最佳回收路线和时间（图33）。




SmartHalo自行车导航设备（图34）的LED导航系统安装在车头中间，配对智能手机设置好GPS导航后，SmartHalo会通过变色闪烁LED灯指引用户前往目的地。此外，其内置的传感器可以追踪骑行时间、距离、速度、高度和消耗的热量。用户可以在APP设置健身目标，并在车头实时监测进度。并且SmartHalo会在有电话打入时，在屏幕中间亮起蓝色LED灯。

2. 软件定义产品
软件在生产、装备、管理、交易等环节的应用中不断深化，成为推动智能制造发展的重要基础力量。从产品角度看，近年来，发达国家也正在不断用软件定义产品功能和性能，增强对以软件为主导的创新的重视程度。制造业将不仅仅是产品的生产，还包括软件、服务或解决方案，这些为制造业带来巨大的附加值。以汽车行业为例，软件成为体现产品差异化的关键，70%的汽车创新来自汽车电子，而60%的汽车电子创新属于软件创新(图35)。目前正在积极研发的自动驾驶汽车，软件将起到十分关键的作用； 为了实现汽车低油耗行驶，需由软件来协同控制汽车零部件中的硬件模块，软件效果直接影响到汽车的油耗。图36是汽车产品智能化进程。










图32重新定义产品边界——拖拉机产业示例图

(来源： 迈克尔·波特（Michael Porter）、吉姆·赫佩尔曼（Jim Heppelmann）： 
 智能互联产品如何改变竞争格局《哈佛商业评论》)




图33Bigbelly垃圾桶及管理云平台




图34SmartHalo自行车导航设备




图35软件创新支撑汽车产品智能化











图36汽车产品智能化进程




此外，还有一部分是智能技术的产品化形成的智能产品，主要是体现在物联网、大数据、云计算、边缘计算、人工智能、机器学习、深度学习等技术的综合应用，如FESTO的仿生产品——气动机械臂引入了强化学习及大规模并行学习等 AI 技术，使得仿生机器人的技能习得与技能同步变得更加便捷。
3.2智能服务
制造业向服务化转型是谋求在价值链上的高端发展。随着互联网、移动通信和物联网的广泛应用，工业4.0和智能制造热潮促进了服务型制造的创新发展，为企业提供了新的机遇，呈现出以下几种典型创新模式。
(1) 通过物联网和传感器应用，感知产品状态，进行预防性维修维护，帮助客户更换备品备件。我国已涌现出一些专业的设备管理服务企业，承接设备的预防性维修维护。基于物联网可以实现远程故障诊断，通过“精确制导”大大提高维修效率。



发那科通过在服务器上集中管理机器人的作业信息，通过移动终端对产品进行远程监控和故障预警等，实现零宕机（ZDT），提高机器人的运作效率，保证生产连续、稳定的运转（图37）。一台机器人的正常寿命8~10年，零宕机服务可以帮助企业实现故障预警并大幅降低维护成本。



图37发那科基于物联网的零宕机服务



(2) 从单纯卖产品走向出售包含产品与服务的平台或从卖产品到卖使用产品的服务。



罗尔斯·罗伊斯公司推出针对其航空发动机产品的TotalCare包修服务，按飞行小时收费，确保航空公司的飞行可靠性和在翼飞行时间，实现了与航空公司





的双赢。该公司能够实现按服务绩效收费的基础，依然是强大的传感器技术与物联网技术。从媒体报道中可以看到，很多知名的航空公司都与该公司签订了TotalCare合作协议。

(3) 通过开发面向客户服务的APP提供个性化服务。促进客户购买智能硬件产品本身附加的内容服务，实现产品功能的升级，或者促进新产品的销售，以及产品本身的改进。


海尔智家APP支持快速绑定和在线管理智慧家电，实时查看家电状态及能耗，还可以一键邀请家人共同管理，在为客户提供个性化服务的同时，促进其他产品的交叉营销。

(4) 基于互联网和模块化设计思想，实现产品的个性化定制，即C2B。



尚品宅配可以实现从款式设计到构造尺寸的个性化定制，还能实现整体家居的三维体验； 美克美家也进行了个性化定制的实践。长安汽车在官网上已经实现了新型SUV的个性化定制，定制参数包括颜色、外观装饰、内饰、发动机、天窗等。推进C2B，除了需要互联网平台之外，实际上更重要的基础是产品的标准化、系列化、模块化，否则成本很高，企业和客户都难以承受（图38）。



图38长安汽车实现SUV在线定制



(5) 通过互联网实现制造外包和服务外包，包括设计、制造、检测、试验、检修维护、设备租赁、三维打印、工程仿真和个性化定制等服务外包。目前，由于订单不足和产能过剩，很多制造企业有部分制造装备闲置。同时，很多大中型企业有很多检测与试验装备使用频率不高。因此，如果能够承接外包服务，可以使制造企业的资源得到充分利用。



速加网（https://www.sogaa.net）是一站式云制造平台，为客户提供零件的快速打样、小批量试制及低成本量产等一站式柔性制造服务，并通过持续的科技创新为智能制造赋能，提高零部件品质，缩短交付周期，降低加工成本，打造极致的零部件云制造体验。
Proto Labs是全球最大的3D打印服务商之一,成立于1999年，最初业务范围是为塑料注射成型，2014年收购FineLine Prototyping（FineLine），2015年收购Alphaform AG的某些资产，实现3D打印服务，包括立体光刻（STL）、选择性激光烧结和直接金属激光烧结。

制造企业要在白热化的竞争中脱颖而出，在制造优秀的差异化产品的同时，必须对服务的设计与交付进行战略规划。同时，善于利用公共平台实现自身设计资源、制造资源、检测资源和服务能力的充分利用，才能打造高绩效的企业。
3.3智能装备
随着我国经济产业结构调整、劳动力成本上升、劳动力供给下降和国家政策支持，以及由此带动装备制造业转型升级，具备感知、分析、推理、决策、控制功能的智能装备成为智能制造发展的有力推动者。
智能装备是智能工厂运作的重要手段和工具。智能装备通过开放的数据接口，将专家知识和经验融入感知、决策、执行等制造活动中，并实现数据共享与闭环反馈，赋予产品制造在线学习能力，进而实现自学、自律和制造。智能装备主要包含智能生产设备、智能检测设备和智能物流设备。
1. 智能生产设备
制造装备在经历了机械装备到数控装备后，目前正在逐步向智能装备发展。智能生产设备包括数控机床、工业机器人、增材制造设备等。数控机床可以和相关辅助装置共同构成柔性加工系统或柔性制造单元，或者也可以将多台数控机床连成生产线，既可一人多机操纵，又可进行网络化管理。工业机器人通过集成视觉、力觉等传感器，能够准确识别工件，自主进行装配，自动避让人，实现人机协作。金属增材制造设备可以与切削加工(减材)、成型加工(等材)等设备组合起来，极大地提高材料利用率。智能化的加工中心具有误差补偿、温度补偿等功能，能够实现边检测边加工。



日本马扎克智能机床配备了针对加工热变位、切削震动、机床干涉、主轴监测、维护保养、工作台动态平衡性及语音导航等智能化功能，可以自行监控机床运转状态，并进行自主反馈，大幅度提高了机床运行效率和安全系数。马扎克公司





在单机的智能化、网络化的基础上，开发了智能生产中心管理软件，一套软件便可管理多达250台的数控机床，使生产的过程控制由车间级细化到每台数控机床。
ABB的YUMI是ABB首款强调人机协作的双臂工业机器人，YUMI的每个手臂有7个轴，工作范围更大，更灵活敏捷，且卡距更小，更精确自主，使YUMI能轻松应对各种小件组装，包括机械手表的精密部件、手机零件、计算机零件； 同时，YUMI拥有视觉和触觉，可以进行引导式编程，在触摸到小件后通过传感器感知并完成相应动作，无须人为控制，并能保证较高的操作精度（精确到0.02mm）； YUMI的机械臂以软性材料包裹，同时配备创新的力传感器技术，一旦触碰到人体，即可在几毫秒内自动急停，确保人身的安全。


2. 智能检测设备
智能检测设备是以多种先进的传感器技术为基础，引入人工智能的方法与思想，能够自动地完成数据采集、处理、特征提取和识别，以及多种分析与计算，最终的检测结果能尽量减小人为干预的影响。此外，某些具有检测功能的智能装备还可以补偿加工误差，提高加工精度。例如，机器视觉技术可以替代目视检测，在SMT行业自动将电路板拍照，与标准的电路板进行比对，替代人工进行质量检测； 语音识别技术可以帮助工人准确取货。
3. 智能物流设备
智能物流设备包括自动化立体仓库、智能夹具、AGV、桁架式机械手、悬挂式输送链、无人叉车、移动式协作机器人(AMR)等。智能物流装备和物流系统的结合，可以有效衔接工厂内的各个加工环节，使物料在各工序有效流转，是智能工厂建设的基石。



重型卡车MAN生产车间中建有大型的自动化立体仓库，满足混流生产中不同订单的物料配送需求。同时，大量的线边“物料超市”可以确保物料的精准配送。“物料超市”应用DPS，操作台上显示器标注不同颜色，帮助工人准确找到所需物料的位置，并按照最优化和高效的拣选路径完成物料选配，一旦出现拣选错误就会给予提示和预警。针对线上紧急需求，也可以提供呼叫补货的提醒。


回顾智能制造装备的发展历程，从普通机床到数控机床，发展到能够实现自动换刀的加工中心，实现多个工序复合的车铣复合加工中心，实现加工与检测结合，并能够实现误差补偿的加工中心，智能化程度越来越高。同时，智能装备已从单机应用发展到多台智能装备的组合应用，建立智能制造单元(或柔性制造系统)，在此基础上集成各种智能物流装备，构建智能制造产线。融合了数据采集、设备联网、数控编程等功能的设备，其智能化程度不断提高。同时，设备的操作与维护保养、维修也日益复杂，一方面对工人的技术水平要求更高； 另一方面也使设备检修维护服务外包的需求日益凸显。
3.4智能产线
很多行业的企业高度依赖自动化生产线，如钢铁、化工、制药、食品饮料、烟草、芯片制造、电子组装、汽车整车和零部件制造等，实现自动化的加工、装配和检测，一些机械标准件生产也应用了自动化生产线如轴承。但是，装备制造企业目前还是以离散制造为主。很多企业的技术改造重点就是建立自动化生产线、装配线和检测线。汽车行业的冲压、焊接和喷涂工艺已实现了高度的柔性自动化，电子行业的表面贴装技术(SMT)生产线自动化程度也很高，很多家电和手机企业都实现了老化测试和功能测试的自动化。相对而言，装配工艺最难实现自动化，汽车整车企业总装车间的自动化率不超过30%，部分企业汽车天窗、前后挡风玻璃、座椅、仪表盘等零部件的装配实现了自动化。汽车行业总装车间一般会设立拣货区(kitting area，也称为物料超市)，由拣货员根据订单将小件放在料箱中，由AGV或有轨穿梭车（RGV）配送到线边，工人可以直接进行安装，大大提高了装配的效率。
为了提高生产效率，工业机器人、吊挂系统在自动化生产线上的应用越来越广泛，并且广泛应用RFID作为标识，来自动切换工装夹具，实现柔性自动化。对于批量较大的产品，可以采用流水线式生产和装配； 对于小批量、多品种的产品，一般采用单元式组装的方式； 在机加工、钣金加工等工艺，可以采用柔性制造系统实现多种产品的全自动柔性化生产。要提高自动化率，企业需要注重面向自动化的设计(DFA)。例如，三菱电机在伺服电机生产时，将定子像金属手表链一样展开，便于实现绕线圈工艺的自动化，然后再合拢进行焊接。
目前，很多汽车整车厂已实现了混流生产，在一条装配线上可以同时装配多种车型。汽车行业正在推行安灯系统，实现生产线的故障报警。在装配过程中，通过准时按序送货(just in sequence)的方式实现混流生产。食品饮料行业的自动化生产线可以根据工艺配方调整DCS或PLC系统来改变工艺路线，从而生产多种产品。目前，汽车、家电、轨道交通等行业的企业对生产线和装配线进行自动化、智能化改造需求十分旺盛，很多企业在逐渐将关键工位和高污染工位改造为用机器人进行加工、装配或上下料。
相比于传统产线，智能产线具有以下特点： 在生产和装配的过程中，能够通过传感器或无线射频识别技术自动进行数据采集，并通过电子看板显示实时的生产状态； 能够通过机器视觉和多种传感器进行质量检测，自动剔除不合格品，并对采集的质量数据进行SPC分析，找出质量问题的成因； 支持多种相似产品的混线生产和装配，灵活调整工艺，适应小批量、多品种的生产模式； 具有柔性，如果生产线上有设备出现故障，能够调整到其他设备生产； 针对人工操作的工位，能够给予智能提示等。
例如，西门子成都电子工厂的自动化流水生产线上安装了多个传感器，每个产品均附带条码，当产品经过特定地方时，会由RFID进行自动识别。工人装配好产品后，通过操作工作台按钮，传感器自动扫描条码信息，由此记录产品在该工位的