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　　《智能製造裝備産業培育與發展研究報告》有助於社會公眾瞭解中國戰略性新興産業——智能製造裝備産業的發展態勢和政策走嚮，可供各級領導乾部、有關決策部門和産業界及社會公眾閱讀參考。

內容簡介

　　《智能製造裝備産業培育與發展研究報告》是中國工程科技發展戰略研究院麵嚮社會公眾和決策人員的研究報告係列之一。《智能製造裝備産業培育與發展研究報告》分析瞭我國戰略性新興産業——智能製造裝備的總體形勢，尤其是“十二五”以來的進展情況、存在問題及發展新特點，著重圍繞智能機床與基礎製造裝備、工業機器人、3D打印的發展現狀、重大突破性技術、重要發展方嚮、戰略布局與政策取嚮等進行詳細介紹。

目錄

目錄
第一章智能製造裝備概述1
一、智能製造裝備的內涵1
二、發展智能製造裝備産業的意義4
三、智能製造裝備的特徵與界定5
第二章智能製造裝備技術與産業發展現狀8
一、國外智能製造裝備發展總體情況8
二、中國智能製造裝備發展現狀與存在的主要問題38
第三章智能製造裝備産業需求與發展方嚮62
一、智能製造裝備産業經濟社會需求分析62
二、智能製造裝備産業重大突破性技術63
三、智能製造裝備産業重要發展方嚮65
四、智能製造裝備産業發展成熟度分析67
第四章智能製造裝備産業培育與發展途徑72
一、定位與發展目標72
二、技術與産業發展路綫圖76
第五章智能製造裝備技術與産業發展政策建議79
一、頂層設計和係統規劃79
二、設立重大專項的建議80
四、營造良好的産業發展環境80
參考文獻83

精彩書摘

第一章
智能製造裝備概述
一、智能製造裝備的內涵
高端裝備製造業是國傢“十二五”規劃提齣的戰略性新興産業七大領域之一，如圖1-1所示，以高新技術為引領，處於價值鏈高端和産業鏈核心環節，是決定整個産業鏈綜閤競爭力的戰略性新興産業，是現代産業體係的脊梁，是推動工業轉型升級的引擎。大力培育和發展高端裝備製造業，是提升我國産業核心競爭力的必然要求，是搶占未來經濟和科技發展製高點的戰略選擇，對加快轉變經濟發展方式、實現由製造業大國嚮製造業強國轉變具有重要戰略意義。
高端裝備主要包括傳統産業轉型升級和戰略性新興産業發展所需的高技術高附加值裝備。按照《國務院關於加快培育和發展戰略性新興産業的決定》明確的重點領域和方嚮，現階段高端裝備製造業發展的重點方嚮主要包括航空裝備、衛星製造及應用、軌道交通裝備、海洋工程裝備、智能製造裝備五大類，如圖1-2所示。其中，智能製造裝備是製造裝備的核心和前沿。智能製造裝備是具有感知、分析、推理、決策、智能控製功能的製造裝備。它將傳感器及智能診斷和決策軟件集成到裝備中，使製造工藝能適應製造環境和製造過程的變化達到優化。它是先進製造技術、信息技術和智能技術的集成和深度融閤，是實現高效、高品質、節能環保和安全可靠生産的下一代製造裝備。
圖1-2高端裝備製造業發展的重點方嚮
製造裝備是裝備製造業的基礎，作為為國民經濟發展和國防建設提供技術裝備的基礎産業，是各行業産業升級、技術進步的重要保障，是國傢綜閤實力和技術水平的集中體現[1]。發展高端製造裝備對帶動我國産業結構優化升級、提升製造業核心競爭力具有重要的戰略意義。智能製造裝備是加快發展高端裝備製造業的有力工具，其作用不僅體現在對航空航天、高鐵、海洋工程等高端裝備的支撐上，也體現在對其他製造裝備通過配備傳感與智能控製係統、機器人等技術實現産業的提升上。因此，智能製造裝備是傳統産業升級改造，實現生産過程智能化、自動化、精密化、綠色化的基本工具，是培育和發展戰略性新興産業的重要支撐，是實現生産過程和産品使用過程節能減排的重要手段。目前，智能製造裝備産業的發展水平已經成為當今社會衡量一個國傢工業化水平的重要標誌。智能製造裝備是未來先進製造技術發展的必然趨勢，是實現我國從製造大國嚮製造強國轉變的重要保障。我國基礎製造行業的産值已位居世界前列，但能源消耗、材料利用、製造質量與國際先進水平差距較大，必須采用智能技術提升基礎製造裝備水平，突破智能基礎製造裝備的核心技術，形成智能基礎製造裝備的理論體係、關鍵技術和裝備原型。
智能製造裝備概述 智能製造裝備有廣義概念和狹義概念之分。廣義的智能製造裝備包括高檔數控機床及基礎製造裝備、各專業領域的智能裝備(如智能工程機械、材料製備的智能裝備等)、智能化成套生産綫等。狹義的智能製造裝備僅指製造裝備的智能工作母機(機床、鑄、鍛、焊、熱處理等裝備)，近年來工業機器人在生産綫加工中的作用也越來越大。因此，本報告以狹義上的智能製造裝備為研究和調研對象，分析智能機床與基礎製造裝備(含3D打印設備)及工業機器人的技術和産業發展狀況，如圖1-3所示。
圖1-3智能製造裝備
二、發展智能製造裝備産業的意義
智能製造裝備不僅是數控製造裝備的延續發展，更是階段性突破，是性能的飛躍。智能製造裝備可以實現飛機、航天、核電、高超飛機、激光核聚變等超常製造任務。例如，10~45納米光刻機的3~5納米移動定位精度，激光核聚變1/50波長精度光學鏡，核電和飛機領域難加工、難變形材料的製造，發動機葉片的飛秒激光加工，等等。又如，實時檢測與智能控製將大大消除數控機床的靜態誤差及熱變形、動態切削力乾擾，使數控機床的加工精度提升一個數量級，切削速度高於目前的10倍，使電子製造裝備的定位精度達到3~5納米。3D打印與增材製造裝備可以集成多種工序為一體，在設計數據驅動下，直接製造各種材料的零部件，大大縮短産品開發周期，甚至可以直接打印齣一颱汽車樣車，裝上發動機和輪子後就能行駛，因而在美國被一些人認為是第三次工業革命。
此外，智能製造裝備的技術創新與産業發展對其他戰略性新興産業的發展有重要的推動作用，如對高端醫療裝備，包括智能康復醫療裝備與機器人、智能假肢、腦認知功能障礙診療及康復訓練設備；對數字化智能化印刷設備，如時速1 5萬張以上的單張紙膠印機、大型多色機組式凹版印刷機；對精密測試儀器與設備，如微納製造科研儀器、大型科研儀器、電子製造檢測設備；等等。
在全球金融危機之後，美國、歐洲國傢、日本都對製造業及製造技術給予瞭特彆的關注。製造裝備是國民經濟及國傢科技發展的基礎性、戰略性産業，是世界各國一直高度重視和關注的産業。大飛機、核電、載人航天、海洋工程、高鐵等領域與國傢重大專項均高度依賴製造裝備的技術發展。沒有製造裝備作為支撐，飛機、航天、核電、激光核聚變、新能源汽車等戰略性新興産業難以完成産業化進程，而隻能停留在戰略性新興技術或者戰略性新興産品階段。裝備製造將製造技術的研究成果集成、物化和固化，可以形成産業的戰略性技術。
三、智能製造裝備的特徵與界定
智能製造裝備是當前製造裝備發展的方嚮，是我國製造裝備産品走嚮高端和提升技術附加值的重大機遇，是突破我國戰略必爭的尖端技術瓶頸的關鍵，也是我國製造業進行戰略調整的方嚮性技術。智能製造裝備不僅是數控製造裝備的延續發展，更是階段性突破，是性能的飛躍。智能製造裝備可以更有效和經濟地實現飛機、航天、核電、高超飛機、激光核聚變等許多普通數控裝備難以實現的超常製造任務。
智能製造裝備的技術特徵主要如下:①對裝備運行狀態和環境的實時感知、處理和分析能力。②根據裝備運行狀態變化的自主實時規劃、控製和決策能力。裝備本身具備工藝優化的智能化、知識化功能，采用軟件和網絡工具實現製造工藝的智能設計和實時規劃。③對故障的自診斷自修復能力。④對自身性能劣化的主動分析和維護能力。⑤參與網絡集成和網絡協同能力。因此，要真正實現智能製造裝備的技術特徵，必須掌握如下一些關鍵核心技術[2]。
1 裝備運行狀態和環境的傳感與識彆技術
(1)研究高靈敏度、精度、可靠性和環境適應性的傳感技術(如振動、負載、變形、溫度、應力、壓力、視覺環境等監測)，新原理、新材料、新工藝的傳感技術，微弱傳感信號提取與處理技術，光學精密測量與分析儀器儀錶技術。
(2)研究實時環境建模、圖像理解和多源信息融閤導航技術，力或負載實時感知和辨識技術，多傳感器優化布置和感知係統組網配置技術。
2 智能編程技術與智能工藝規劃
(1)運用專傢經驗與計算智能的融閤技術，提升智能規劃和工藝決策的能力，建立規劃與編程的智能推理和決策的方法，實現基於幾何與物理多約束的軌跡規劃和數控編程。
(2)建立麵嚮典型行業的工藝數據庫和知識庫，完善機床、機器人及其生産綫的模型庫，根據運行過程中的監測信息，實現工藝參數和作業任務的多目標優化。
(3)深入研究各子係統之間的復雜界麵行為和耦閤關係，建立麵嚮優化目標(效率、質量、成本等)的工藝係統模型與優化方法，實現加工和作業過程的仿真、分析、預測。
3 智能數控係統與智能伺服驅動技術
(1)研究智能伺服控製技術、運動軸負載和運行過程的自動識彆技術；實現控製參數自動匹配；實現各種誤差在綫補償；實現麵嚮控形和控性的智能加工和成形；研究基於智能材料和伺服智能控製的主動控製技術。
(2)單機係統和機群控製係統實現無縫鏈接，作業機群具備完善的信息通信功能、資源優化配置功能和智能調度功能，機群能高效協作施工，實現係統優化。
(3)完善機器人的視覺、感知和伺服功能，非結構環境中的智能診斷技術，實現生産綫的智能控製與優化。
(4)運用人工智能與虛擬現實等智能化技術，實現語音控製和基於虛擬現實環境的智能操作，發展智能化人機交互技術。
4 性能預測和智能維護技術
(1)突破在綫和遠程狀態監測及故障診斷的關鍵技術，建立製造過程狀況的參數錶徵體係及其與裝備性能錶徵指標的映射關係。
(2)研究失效智能識彆、自愈閤調控與智能維護技術，完善失效特徵提取方法和實時處理技術，建立錶徵裝備性能、加工狀態的最優特徵集，最終實現對故障的自診斷自修復。
(3)實現重大裝備的壽命測試和剩餘壽命預測，對可靠性與精度保持性評估。
5 網絡環境下的智能生産綫
(1)基於泛在網絡的工廠內外環境智能感知技術，包括物流、環境和能量流的信息以及互聯網和企業信息係統中的相關信息等。
(2)麵嚮服務的信息係統智能集成技術。
第二章智能製造裝備技術與産業發展現狀
一、國外智能製造裝備發展總體情況
(一) 國外技術發展現狀
1 智能機床與基礎製造裝備
機床經曆瞭三個階段的發展，如圖2-1所示。第一階段是電氣化。19世紀30年代，電動機的發明，使加工裝備實現瞭驅動的電氣化。第二階段是數字化。20世紀中葉，計算機的誕生，實現瞭計算機和加工裝備的良好結閤，也就是現在廣泛應用的數控機床和裝備，通過數控程序可以實現機床的自動化操作和加工。但編程人員難以應付切削數據庫、機床刀具特性及韆變萬化的工件材料、結構和加工過程失穩帶來的加工精度和效率等問題，導緻目前很多數控機床的能力發揮僅在10%左右。第三階段是智能化。針對目前數控機床存在的以上技術問題，最近幾年陸續齣現瞭智能機床，它在數控機床的基礎上集成瞭若乾智能控製軟件和模塊，從而實現工藝的自動優化，裝備的加工質量和效率有瞭顯著提升，其本身的價值由於配備瞭相應軟件和模塊提升瞭30%~300%[3]。
2006年9月在國際製造技術展覽會(International Manufacturing Technology Show，IMTS)上展齣的日本MAZAK公司研發製造的智能機床，則嚮未來理想的“適應控製”機床方麵大大前進瞭一步。這種智能機床具有六大特色:①有自動抑製振動的功能；②能自動測量和自動補償，減少高速主軸、立柱、床身熱變形的影響；③有自動防止刀具和工件碰撞的功能；④有自動補充潤滑油和抑製噪聲的功能；⑤數控係統具有特殊的人機對話功能，在編程時能在監測畫麵上顯示齣刀具軌跡等，進一步提高瞭切削效率；⑥機床故障能進行遠距離診斷。在2012年芝加哥機床博覽會上，MAZAK公司展齣瞭其新款智能機床，並直接標稱為“Intelligent”。
日本大隈公司開發瞭一套名為“thinc”的智能數控係統(intelligent numerical control system)。大隈公司認為當前經典的數控係統的設計(結構)、執行和使用(design、implementation、use) 三個方麵已經過時，對它進行根本性變革的時機已經到來。thinc不僅可以在不受人乾預的情況下對變化瞭的情況做齣“聰明的決策”(smart decision)，還可以使機床在工廠使用時以增量的方式使其功能在應用中不斷自行增長，並會更加自適應新的情況和需求，更加容錯，更容易編程和使用，如圖2-2所示。
GE Fanuc公司引入的一套監控和分析方案也是智能機床發展的一個例子，這套方案在2006年9月的IMTS上得以展示。一種名為效率機床4 0、基於互聯網的方案應運而生，它是通過收集機床和其他設備復雜的基本數據而提供的富有洞察力的、可指齣原因的分析方法。它還提供一套遠程診斷工具，從而使不齣現故障的平均時間最長，而用於修理的時間最短；能用於計算機維護管理係統中監控不同的現場。智能機床的另一個例子是辛辛那提的多任務加工中心設計的軟件，它可探測到B 鏇轉軸的不平衡條件。其裝備瞭SINUMERIK 840D 控製係統，新的平衡傳感器監控Z軸發生的錯誤後準確迅速地感受到不平衡。探測後，由一套平衡輔助程序通過計算産生一個顯示圖來確定齣不平衡的位置所在以及需要進行多少補償，該技術已用於Giddings

前言/序言

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