离散型制造智能工厂设计与运行刘志峰洪军_刘志峰洪军_9787111776543

本书以离散型制造智能工厂为对象，聚焦其设计及运行所涉及的理论、技术，较全面地介绍了离散型制造内涵、离散型制造工厂智能化关键技术、离散型制造智能工厂关键装备、离散型制造智能产线、离散型制造智能车间、离散型制造智能工厂、离散型制造智能物流，并根据产业现状及发展趋势，结合家电行业、汽车行业、飞机行业、工程机械行业进行了典型案例介绍。本书可作为机械工程、智能制造相关专业学生的教材，也可为相关专业研究人员、技术人员等提供参考，满足他们对离散型制造智能技术、装备、产线、车间、工厂、物流多层面的工程开发和建设需求。

为了深入贯彻教育、科技、人才一体化推进的战略思想，加快发展新质生产力，高质量培养卓越工程师，在新一代信息技术、绿色环保、新材料、国土空间规划、智能网联和新能源汽车、航空航天、高端装备制造、重型燃气轮机、新能源、生物产业、生物育种、未来产业等领域组织编写了一批战略性新兴领域“十四五”高等教育系列教材。本套教材属于高端装备制造领域。高端装备技术含量高，涉及学科多，资金投入大，风险控制难，服役寿命长，其研发与制造一般需要组织跨部门、跨行业、跨地域的力量才能完成。它可分为基础装备、专用装备和成套装备，例如：高端数控机床、高端成形装备和大规模集成电路制造装备等是基础装备；航空航天装备、高速动车组、海洋工程装备和医疗健康装备等是专用装备；大型冶金装备、石油化工装备等是成套装备。复杂产品的产品构成、产品技术、开发过程、生产过程、管理过程都十分复杂，例如人形机器人、智能网联汽车、生成式人工智能等都是复杂产品。现代高端装备和复杂产品一般都是智能互联产品，既具有用户需求的特异性、产品技术的创新性、产品构成的集成性和开发过程的协同性等产品特征，又具有时代性和永恒性、区域性和全球性、相对性和普遍性等时空特征。高端装备和复杂产品制造业是发展新质生产力的关键，是事关国家经济安全和国防安全的战略性产业，其发展水平是国家科技水平和综合实力的重要标志。高端装备一般都是复杂产品，而复杂产品并不都是高端装备。高端装备和复杂产品在研发生产运维全生命周期过程中具有很多共性特征。本套教材围绕这些特征，以多类高端装备为主要案例，从培养卓越工程师的战略性思维能力、系统性思维能力、引领性思维能力、创造性思维能力的目标出发，重点论述高端装备智能制造的基础理论、关键技术和创新实践。在论述过程中，力图体现思想性、系统性、科学性、先进性、前瞻性、生动性相统一。通过相关课程学习，希望学生能够掌握高端装备的构造原理、数字化网络化智能化技术、系统工程方法、智能研发生产运维技术、智能工程管理技术、智能工厂设计与运行技术、智能信息平台技术和工程实验技术，更重要的是希望学生能够深刻感悟和认识高端装备智能制造的原生动因、发展规律和思想方法。1高端装备智能制造的原生动因所有的高端装备都有原始创造的过程。原始创造的动力有的是基于现实需求，有的来自潜在需求，有的是顺势而为，有的则是梦想驱动。下面以光刻机、计算机断层扫描仪（CT）、汽车、飞机为例，分别加以说明。光刻机的原生创造是由现实需求驱动的。1952年，美国军方指派杰伊·拉斯罗普（Jay WLathrop）和詹姆斯·纳尔（James RNall）研究减小电子电路尺寸的技术，以便为炸弹、炮弹设计小型化近炸引信电路。他们创造性地应用摄影和光敏树脂技术，在一片陶瓷基板上沉积了约为200μm宽的薄膜金属线条，制作了含有晶体管的平面集成电路，并率先提出了“光刻”概念和原始工艺。在原始光刻技术的基础上，又不断地吸纳更先进的光源技术、高精度自动控制技术、新材料技术、精密制造技术等，推动着光刻机快速演进发展，为实现半导体先进制程节点奠定了基础。CT的创造是由潜在需求驱动的。利用伦琴（Wilhelm CRntgen）发现的X射线可以获得人体内部结构的二维图像，但三维图像更令人期待。塔夫茨大学教授科马克（Allan MCormack）在研究辐射治疗时，通过射线的出射强度求解出了组织对射线的吸收系数，解决了CT成像的数学问题。英国电子与音乐工业公司工程师豪斯费尔德（Godfrey NHounsfield）在几乎没有任何实验设备的情况下，创造条件研制出了世界上第一台CT原型机，并于1971年成功应用于疾病诊断。他们也因此获得了1979年诺贝尔生理学或医学奖。时至今日，新材料技术、图像处理技术、人工智能技术等诸多先进技术已经广泛地融入CT之中，显著提升了CT的性能，扩展了CT的功能，对保障人民生命健康发挥了重要作用。离散型制造智能工厂设计与运行序汽车的发明是顺势而为的。1765年瓦特（James Watt）制造出了第一台有实用价值的蒸汽机原型，人们自然想到如何把蒸汽机和马力车融合到一起，制造出用机械力取代畜力的交通工具。1769年法国工程师居纽（NicolasJoseph Cugnot）成功地创造出世界上第一辆由蒸汽机驱动的汽车。这一时期的汽车虽然效率低下、速度缓慢，但它展示了人类对机械动力的追求和变革传统交通方式的渴望。19世纪末卡尔·本茨（Karl Benz）在蒸汽汽车的基础上又发明了以内燃机为动力源的现代意义上的汽车。经过一个多世纪的技术进步和管理创新，特别是新能源技术和新一代信息技术在汽车产品中的成功应用，汽车的安全性、可靠性、舒适性、环保性以及智能化水平都产生了质的跃升。飞机的发明是梦想驱动的。飞行很早就是人类的梦想，然而由于未能掌握升力产生及飞行控制的机理，工业革命之前的飞行尝试都是以失败告终。1799年乔治·凯利（George Cayley）从空气动力学的角度分析了飞行器产生升力的规律，并提出了现代飞机“固定翼+机身+尾翼”的设计布局。1848年斯特林费罗（John Stringfellow）使用蒸汽动力无人飞机第一次实现了动力飞行。1903年莱特兄弟（Orville Wright和Wilbur Wright）制造出“飞行者一号”飞机，并首次实现由机械力驱动的持续且受控的载人飞行。随着航空发动机和航空产业的快速发展，飞机已经成为一类既安全又舒适的现代交通工具。数字化网络化智能化技术的快速发展为高端装备的原始创造和智能制造的升级换代创造了历史性机遇。智能人形机器人、通用人工智能、智能卫星通信网络、各类无人驾驶的交通工具、无人值守的全自动化工厂，以及取之不尽的清洁能源的生产装备等都是人类科学精神和聪明才智的迸发，它们也是由于现实需求、潜在需求、情怀梦想和集成创造的驱动而初步形成和快速发展的。这些星星点点的新装备、新产品、新设施及其制造模式一定会深入发展和快速拓展，在不远的将来一定会融合成为一个完整的有机体，从而颠覆人类现有的生产方式和生活方式。2高端装备智能制造的发展规律在高端装备智能制造的发展过程中，原始科学发现和颠覆性技术创新是最具影响力的科技创新活动。原始科学发现侧重于对自然现象和基本原理的探索，它致力于揭示未知世界，拓展人类的认知边界，这些发现通常来自于基础科学领域，如物理学、化学、生物学等，它们为新技术和新装备的研发提供了理论基础和指导原则。颠覆性技术创新则侧重于将科学发现的新理论新方法转化为现实生产力，它致力于创造新产品、新工艺、新模式，是推动高端装备领域高速发展的引擎，它能够打破现有技术路径的桎梏，创造出全新的产品和市场，引领高端装备制造业的转型升级。高端装备智能制造的发展进化过程有很多共性规律，例如：①通过工程构想拉动新理论构建、新技术发明和集成融合创造，从而推动高端装备智能制造的转型升级，同时还会产生技术溢出效应；②通过不断地吸纳、改进、融合其他领域的新理论新技术，实现高端装备及其制造过程的升级换代，同时还会促进技术再创新；③高端装备进化过程中各供给侧和各需求侧都是互动发展的。以医学核磁共振成像（MRI）装备为例，这项技术的诞生和发展，正是源于一系列重要的原始科学发现和重大技术创新。MRI技术的根基在于核磁共振现象，其本质是原子核的自旋特性与外磁场之间的相互作用。1946年美国科学家布洛赫（Felix Bloch）和珀塞尔（Edward MPurcell）分别独立发现了核磁共振现象，并因此获得了1952年的诺贝尔物理学奖。传统的MRI装备使用永磁体或电磁体，磁场强度有限，扫描时间较长，成像质量不高，而超导磁体的应用是MRI技术发展史上的一次重大突破，它能够产生强大的磁场，显著提升了MRI的成像分辨率和诊断精度，将MRI技术推向一个新的高度。快速成像技术的出现，例如回波平面成像（EPI）技术，大大缩短了MRI扫描时间，提高了患者的舒适度，拓展了MRI技术的应用场景。功能性MRI（fMRI）的兴起打破了传统的MRI主要用于观察人体组织结构的功能制约，它能够检测脑部血氧水平的变化，反映大脑的活动情况，为认知神经科学研究提供了强大的工具，开辟了全新的应用领域。MRI装备的成功，不仅说明了原始科学发现和颠覆性技术创新是高端装备和智能制造发展的巨大推动力，而且阐释了高端装备智能制造进化过程往往遵循着“实践探索、理论突破、技术创新、工程集成、代际跃升”循环演进的一般发展规律。高端装备智能制造正处于一个机遇与挑战并存的关键时期。数字化网络化智能化是高端装备智能制造发展的时代要求，它既蕴藏着巨大的发展潜力，又充满着难以预测的安全风险。高端装备智能制造已经呈现出“数据驱动、平台赋能、智能协同和绿色化、服务化、高端化”的诸多发展规律，我们既要向强者学习，与智者并行，吸纳人类先进的科学技术成果，更要持续创新前瞻思维，积极探索前沿技术，不断提升创新能力，着力创造高端产品，走出一条具有特色的高质量发展之路。3高端装备智能制造的思想方法高端装备智能制造是一类具有高度综合性的现代高技术工程。它的鲜明特点是以高新技术为基础，以创新为动力，将各种资源、新兴技术与创意相融合，向技术密集型、知识密集型方向发展。面对系统性、复杂性不断加强的知识性、技术性造物活动，必须以辩证的思维方式审视工程活动中的问题，从而在工程理论与工程实践的循环推进中，厘清与推动工程理念与工程技术深度融合、工程体系与工程细节协调统一、工程规范与工程创新互相促进、工程队伍与工程制度共同提升，只有这样才能促进和实现工程活动与自然经济社会的和谐发展。高端装备智能制造是一类十分复杂的系统性实践过程。在制造过程中需要协调人与资源、人与人、人与组织、组织与组织之间的关系，所以系统思维是指导高端装备智能制造发展的重要方法论。系统思维具有研究思路的整体性、研究方法的多样性、运用知识的综合性和应用领域的广泛性等特点，因此在运用系统思维来研究与解决现实问题时，需要从整体出发，充分考虑整体与局部的关系，按照一定的系统目的进行整体设计、合理开发、科学管理与协调控制，以期达到总体效果最优或显著改善系统性能的目标。高端装备智能制造具有巨大的包容性和与时俱进的创新性。近几年，数字化、网络化、智能化的浪潮席卷全球，为高端装备智能制造的发展注入了前所未有的新动能，以人工智能为典型代表的新一代信息技术在高端装备智能制造中具有极其广阔的应用前景。它不仅可以成为高端装备智能制造的一类新技术工具，还有可能成为指导高端装备智能制造发展的一种新的思想方法。作为一种强调数据驱动和智能驱动的思想方法，它能够促进企业更好地利用机器学习、深度学习等技术来分析海量数据、揭示隐藏规律、创造新型制造范式，指导制造过程和决策过程，推动制造业从经验型向预测型转变，从被动式向主动式转变，从根本上提高制造业的效率和效益。生成式人工智能（AIGC）已初步显现通用人工智能的“星星之火”，正在日新月异地发展，对高端装备智能制造的全生命周期过程以及制造供应链和企业生态系统的构建与演化都会产生极其深刻的影响，并有可能成为一种新的思想启迪和指导原则。例如：①AIGC能够赋予企业更强大的市场洞察力，通过海量数据分析，精准识别用户偏好，预测市场需求趋势，从而指导企业研发出用户未曾预料到的创新产品，提高企业的核心竞争力；②AIGC能够通过分析生产、销售、库存、物流等数据，提出制造流程和资源配置的优化方案，并通过预测市场风险，指导建设高效灵活稳健的运营体系；③AIGC能够将企业与供应商和客户连接起来，实现信息实时共享，提升业务流程协同效率，并实时监测供应链状态，预测潜在风险，指导企业及时调整协同策略，优化合作共赢的生态系统。高端装备智能制造的原始创造和发展进化过程都是在“科学、技术、工程、产业”四维空间中进行的，特别是近年来从新科学发现、到新技术发明、再到新产品研发和新产业形成的循环发展速度越来越快，科学、技术、工程、产业之间的供求关系明显地表现出供应链的特征。我们称由科学技术工程产业交互发展所构成的供应链为科技战略供应链。深入研究科技战略供应链的形成与发展过程，能够更好地指导我们发展新质生产力，能够帮助我们回答高端装备是如何从无到有的、如何发展演进的、根本动力是什么、有哪些基本规律等核心科学问题，从而促进高端装备的原始创造和创新发展。本套由合肥工业大学负责的高端装备类教材共有12本，涵盖了高端装备的构造原理和智能制造的相关技术方法。《智能制造概论》对高端装备智能制造过程进行了简要系统的论述，是本套教材的总论。《工业大数据与人工智能》《工业互联网技术》《智能制造的系统工程技术》论述了高端装备智能制造领域的数字化网络化智能化和系统工程技术，是高端装备智能制造的技术与方法基础。《高端装备构造原理》《智能网联汽车构造原理》《智能装备设计生产与运维》《智能制造工程管理》论述了高端装备（复杂产品）的构造原理和智能制造的关键技术，是高端装备智能制造的技术本体。《离散型制造智能工厂设计与运行》《流程型制造智能工厂设计与运行：制造循环工业系统》论述了智能工厂和工业循环经济系统的主要理论和技术，是高端装备智能制造的工程载体。《智能制造信息平台技术》论述了产品、制造、工厂、供应链和企业生态的信息系统，是支撑高端装备智能制造过程的信息系统技术。《智能制造实践训练》论述了智能制造实训的基本内容，是培育创新实践能力的关键要素。编者在教材编写过程中，坚持把培养卓越工程师的创新意识和创新能力的要求贯穿到教材内容之中，着力培养学生的辩证思维、系统思维、科技思维和工程思维。教材中选用了光刻机、航空发动机、智能网联汽车、CT、MRI、高端智能机器人等多种典型装备作为研究对象，围绕其工作原理和制造过程阐述高端装备及其制造的核心理论和关键技术，力图扩大学生的视野，使学生通过学习掌握高端装备及其智能制造的本质规律，激发学生投身高端装备智能制造的热情。在教材编写过程中，一方面紧跟国际科技和产业发展前沿，选择典型高端装备智能制造案例，论述国际智能制造的最新研究成果和最先进的应用实践，充分反映国际前沿科技的最新进展；另一方面，注重从我国高端装备智能制造的产业发展实际出发，以我国自主知识产权的可控技术、产业案例和典型解决方案为基础，重点论述我国高端装备智能制造的科技发展和创新实践，引导学生深入探索高端装备智能制造的中国道路，积极创造高端装备智能制造发展的中国特色，使学生将来能够为我国高端装备智能制造产业的高质量发展做出颠覆性、创造性贡献。在本套教材整体方案设计、知识图谱构建和撰稿审稿直至编审出版的全过程中，有很多令人钦佩的人和事，我要表示最真诚的敬意和由衷的感谢！首先要感谢各位主编和参编学者们，他们倾注心力、废寝忘食，用智慧和汗水挖掘思想深度、拓展知识广度，展现出严谨求实的科学精神，他们是教材的创造者！接着要感谢审稿专家们，他们用深邃的科学眼光指出书稿中的问题，并耐心指导修改，他们认真负责的工作态度和学者风范为我们树立了榜样！再者，要感谢机械工业出版社的领导和编辑团队，他们的辛勤付出和专业指导，为教材的顺利出版提供了坚实的基础！最后，特别要感谢高教司和各主编单位领导以及部门负责人，他们给予的指导和对我们的支持，让我们有了强大的动力和信心去完成这项艰巨任务！由于编者水平所限和撰稿时间紧迫，教材中一定有不妥之处，敬请读者不吝赐教！合肥工业大学教授中国工程院院士2024年5月离散制造涉及汽车、机床、电子设备、火箭、飞机、国防装备、船舶、家电、家居、纺织、食品等行业，在我国制造业中占有较大比重，与国家发展、居民生活息息相关。传统离散制造行业普遍存在自动化、数字化水平较低，基础支撑技术薄弱，产品附加值低，制造过程资源、成本和能耗较高，污染严重等问题。随着制造业进入了智能制造时代，离散制造的智能化已成为相关行业提质增效、促进我国制造业由大变强的重要支撑。近年为适应我国制造业的迅速发展，市面上出版了关于工业40、制造业智能化的相关书籍，而较少从系统性、层次化的角度介绍离散型制造智能工厂的设计与运行。本书编写团队面向离散型制造智能工厂设计与运行，参考总结了相关领域的最新研究成果及发展现状，并结合团队在相关方向的应用基础研究、工程技术研究及工程应用实例，编写了此书。尝试为在校学生提供适用教材，并从工程应用及科学研究的角度为读者提供借鉴。本书以离散制造智能工厂为对象，聚焦其设计及运行所涉及的理论、技术，结合工程应用，较全面地介绍了离散型制造内涵、离散型制造工厂智能化关键技术、离散型制造智能工厂关键装备、离散型制造智能产线、离散型制造智能车间、离散型制造智能工厂、离散型制造智能物流。离散型制造工厂智能化的关键技术，涵盖了工业互联网、物联网、大数据、云计算、数字孪生和人工智能等，通过对相关技术的逐一分析介绍，便于读者理解各技术之间的相互关系及其对制造业的深远影响，并突出每项技术在智能制造中的独特作用和实际应用场景。离散制造的设备种类繁多，重点选取应用广泛、发展较为迅速的智能制造装备、工业机器人、智能感知仪器装备进行介绍，从减材、增材、等材制造的角度重点介绍了智能切削加工装备、增材制造装备以及智能金属成形装备，结合分类及应用场景介绍了工业机器人基本参数、集成系统以及智能技术，以离散制造工厂生产资源层的信息融合及处理技术介绍智能感知技术以及仪器装备。智能制造生产线是离散型智能工厂运行的重要载体，是智能工厂建设的重要物理基础，智能化产线数字孪生建模、产线数字孪生仿真以及产线仿真与决策构成了离散型数字化制造领域中的关键技术领域。结合企业的实际需求，对离散型智能制造车间的各种制造资源进行合理的组织和布局，并进行车间调度优化，是离散型制造企业实际生产关注的重点，直接影响着整个生产系统的总体性能。离散型制造智能工厂是先进智能化技术在离散型制造工厂深度融合的产物，是智能制造技术的集成化运用，可实现工厂自动化管理与改进、生产状态预测、生产决策、运行优化、智能运维、可视化管控等功能，涵盖智能设备、产线、工厂等层级，同时包含对人力、物料、装备等资源的综合管控。物流是连接生产各个环节的重要纽带，通过介绍离散型制造智能物流的概念、关键技术以及应用实践，引领读者深入了解如何通过智能物流技术提升离散型制造企业的竞争力。本书共8章，编写分工如下：第1章绪论由刘志峰、洪军、李新宇编写，第2章离散型制造工厂智能化关键技术由李伟、李磊编写，第3章离散型制造智能工厂关键装备由朱利斌编写，第4章离散型制造智能产线由洪军、贾康编写，第5章离散型制造智能车间由张超勇编写，第6章离散型制造智能工厂由李聪波编写，第7章离散型制造智能物流由李新宇编写，第8章离散型智能制造工厂典型案例由张雷、柯庆镝、黄海鸿编写。离散型制造智能工厂设计与运行前言本书聚焦于离散型制造智能工厂的设计与运行，可为从事离散制造相关工作的学生、研究人员、技术人员等提供参考。可满足研究人员、技术人员对离散型制造智能技术、装备、产线、车间、物流、工厂多层面的工程开发、建设需求，以及公众对离散型制造智能工厂的学习以及兴趣需求。

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