第1章绪论
本章重点：本章是全书的总纲，通过对智能制造内涵及本质、智能制造关键技术及关键环节、智能制造装备的定义及特征等内容进行介绍，读者能够对本书的主要内容有一个了解，为后续的学习奠定基础。
1.1引言
1.1.1智能制造的定义
智能制造是未来制造业产业革命的核心，*早在1988年美国P.K.Wright和D.A.Bourne的—书中出现，书中提出智能制造是集成知识工程、制造软件系统与机器人视觉等技术，在无人工干预的情况下智能机器人*立实现小批量生产的过程。关于智能制造（IntelligentManufacturing，IM）的定义，目前不同国家在表述上有一些差异。美国智能制造创新研究院对智能制造的定义是：智能制造是先进传感、仪器、监测、控制和过程优化的技术与实践的组合，它们将信息和通信技术与制造环境融合在一起，实现了工厂和企业中能量、生产率和成本的实时管理。在工业和信息化部公布的“2015年智能制造试点示范专项行动”中，我国将智能制造定义为基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。智能制造具有以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础，以网络互联为支撑等特征，实现智能制造可以缩短产品研制周期、减少资源能源消耗、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量。该定义代表了中国政府对智能制造的权威认知。
智能制造的本质是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中运用物联网、大数据、云计算、深度学习、移动互联等新一代信息技术及智能装备对传统制造业进行深入广泛的改造提升。实现人、设备、产品和服务等制造要素和资源的相互识别、实时交互和信息集成，推动产品的智能化、装备的智能化、生产方式的智能化、管理的智能化和服务的智能化发展。其内涵就是分散网络化和信息物理的深度融合，由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，具有数字化、智能化、网络化、人性化及绿色化的典型特征。
1.1.2智能制造的发展
制造业每一次深刻变革之后，都会形成全新的制造模式。世界制造业的生产制造模式按照顺序经过了手工作坊式的单件生产、流水线批量生产以及目前的多品种小批量生产过程，并一直处于动态发展中。以蒸汽机作为动力机得到广泛使用为标志的**次工业革命，使工厂制造代替了手工制造，用机器劳动代替了手工劳动，大大推进了技术和社会的变革。19世纪70年代，在第二次工业革命的推动下，电力作为新能源进入生产领域。发电机和电动机的发明和使用，电力应用日益广泛，使得电力逐步取代蒸汽成为工厂机器的主要动力。电的发明和广泛应用，给人们的生产带来了巨大的变化，促成了制造机械化程度的大幅提升。发生在20世纪后半叶的信息技术与远程通信技术革命及其对制造业的渗透融合推动了智能制造的产生。
美国为了保持其在全球制造业中的竞争优势，从1992年起大力支持重大技术创新，期望借助智能制造新技术改造传统制造业。2008年的金融危机之后，美国联邦政府又先后推出了一系列制造业振兴计划，例如，2009年12月奥巴马上台伊始，发布的《重振美国制造业框架》提出了支持制造业发展的政策倡议；2010年，奥巴马通过《制造业促进法案》，指出“美国制造”（MadeinAmerica）是战胜经济衰退的关键词；2011年6月提出的“先进制造业伙伴关系”（AdvancedManufacturingPartner，AMP）计划以及2012年2月提出的“国家先进制造战略计划”（National Strategic Plan for Advanced Manufacturing）等。2012年11月，美国通用电气（General Electric，GE）公司发表了《工业互联网：突破智慧和机器的界限》报告，引起各方广泛关注，工业互联网也成为新一轮工业革命的代名词。2014年3月，由GE公司发起，包括英特尔（Intel）、美国电话电报公司（American Telephone&Telegraph，AT&T）、思科（Cisco）等组织成立工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC），旨在通过确认、搜集和推动*佳实践，汇集加速工业互联网发展所需的组织和技术。这些计划及政策旨在依靠新一代信息技术、新材料与新能源技术等，在美国快速发展以先进传感器、高端数控机床、工业机器人、先进制造测试设备为代表的智能制造。
德国是世界工业标准化的发源地，德国的制造业一直处于****地位，2008年全球金融危机后，德国启动新一轮工业化进程。2010年7月德国政府发布《思想 创新 增长——德国2020高技术战略》报告，指出德国要依靠扩大创新、激发科学和经济上的巨大潜力，来迎接面临的经济与金融挑战。2012年8月，德国出台了“2020-创新伙伴计划”，决定在七年内投入5亿欧元，旨在推动德国东部地区的科研能力，特别是企业技术创新能力的提升。2013年4月，德国工业4.0工作小组向德国政府提交了《保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0战略的建议》（Securing the Future of German Manufacturing Industry：Recommendations for Implementing the Strategic Initiative Industrie4.0）的报告，并在2013年汉诺威工业博览会上正式推出德国“工业4.0战略”。该战略是一项全新的制造业提升计划，其模式是由分布式、组合式的工业制造单元模块，通过工业网络宽带、多功能感知器件，组建多组合、智能化的工业制造系统。为了使第四次工业革命在德国取得成功，确保德国在智能制造等先进制造业方面保持全球领先地位，2013年4月，德国信息技术、电信和通讯新媒体协会、德国机械设备制造业联合会、德国电气和电子制造商协会联合成立了“工业4.0平台”。2015年4月，德国启动“升级版工业4.0平台”。2015年3月，德国“工业4.0平台”发布了“工业4.0参考架构体系”（Reference Architecture Model Industrie4.0，RAMI4.0），推动了德国智能制造的发展。2019年11月，德国正式公布《国家工业战略2030》，内容涉及完善德国作为工业强国的法律框架、加强新技术研发和促进私有资本进行研发投入、在全球范围内维护德国工业的技术主权等，旨在稳固并重振德国经济和科技水平，保持德国工业在欧洲和全球竞争中的领先地位。
日本是全球公认的智能制造强国。国际上公认的四级工业水平划分中，日本处在仅次于美国的第二阶段，属于制造业强国，以高端制造领域为主。面对第三次工业革命及智能制造的快速发展，日本主要从三大战略着手，即新机器人战略（New Robot Strategy）、超智能社会愿景（Vision）以及亙联工业（Connected Industries）倡议。2014年，日本修订了《日本振兴战略》，提出了由机器人驱动的第三次工业革命的目标。2015年1月，日本政府发布了《机器人新战略》，提出了使日本成为世界机器人创新基地和世界**的机器人应用国家。
英国是全球老牌的工业强国，曾经拥有全球领先的工业基础。自2008年起，英国政府推出了“高价值制造”战略，鼓励英国企业在本土生产更多***的高附加值产品，确保高价值制造成为英国经济发展的主要推动力，促进企业实现从概念到商业化整个过程的创新。2013年，英国政府科技办公室推出了《英国工业2050战略》，认为制造业并不是传统意义上的“制造之后进行销售”，而是“服务+再制造（以生产为中心的价值链）”，旨在推进“服务+再制造”，重振英国制造业，提升国际竞争力。2021年9月，英国政府公布了旨在使其成为全球“人工智能超级大国”的十年规划，旨在促进英国企业对人工智能的利用，吸引国际投资者进入英国人工智能企业，寻求追赶中国和美国等，并培养下一代本土技术人才。
法国是全球老牌科技强国，拥有较强的制造能力。自第二次世界大战至20世纪70年代，得益于国家干预的经济模式和国家力量主导发展的产业政策，法国工业化建设突飞猛进。但是面对伴随“去工业化”而来的工业增加值和就业比重的持续下降，法国政府意识到“工业强，则国家强”，于是2013年9月推出了“新工业法国”战略，旨在通过创新重塑工业实力，使法国重回全球工业**梯队，解决能源、数字革命和经济生活三大问题，确定了34个优先发展的工业项目。2015年5月，法国经济与工业部颁布“新工业法国”计划的升级版——“未来工业”计划，以新能源开发、智慧城市、环保汽车、未来交通、未来医药、数字经济、智能互联、数字安全、健康食品9个新兴产业为优先扶持重点，引入现代化工业生态体系，以数字技术为支撑，实现经济增长模式的根本性变革。
2021年1月，欧盟委员会发布《工业5.0-迈向可持续，以人为本和弹性的欧洲产业》，提出欧洲工业发展的未来愿景，与2020年9月发布的《工业5.0的使能技术》形成呼应联动。工业5.0源于工业4.0，更加注重社会价值和生态价值，要求工业生产必须尊重和保护地球生态，将工人的利益置于生产过程中的中心位置，进而使工业可以实现就业和增长以外的社会目标，成为社会稳定和繁荣的基石。
我国对智能制造的研究始于20世纪80年代末，并在近几年受到了越来越高的重视。中国于2015年5月发布了《中国制造2025》，并于2015年底推出了《中国制造2025》重点领域技术路线图，由此开启了中国由制造业大国向制造业强国转变的新征程。《中国制造2025》明确制造业强国的五大工程和十大领域，是我国实施制造强国战略**个十年行动纲领，该规划从发展形势和环境、战略目标与方针、战略任务和重点、战略支撑和保障四个方面对我国制造业未来十年的发展做出了详细规划。明确了九项战略任务和重点，分别是：一是提高国家制造业创新能力；二是推进信息化与工业化深度融合；三是强化工业基础能力；四是加强质量品牌建设；五是全面推行绿色制造；六是大力推动重点领域突破发展，聚焦新一代信息技术产业、高档数控机床、机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械等多个领域；七是深入推进制造业结构调整；八是积极发展服务型制造业和生产性服务业;九是提高制造业国际化发展水平。
2015年12月31日，《国家智能制造标准体系建设指南》发布，提出了中国版的智能制造系统架构（Intelligent Manufacturing System Framework，IMSF）。2016年12月，工业和信息化部、财政部联合发布《智能制造发展规划（2016—2020年）》（简称智能制造“十三五”规划）。智能制造“十三五”规划以来，通过试点示范应用、系统解决方案供应商培育、标准体系建设等多措并举，我国制造业数字化、网络化、智能化水平显著提升。在智能制造“十三五”规划的基础上，2021年12月28日，工业和信息化部等八部门联合印发了《“十四五”智能制造发展规划》，明确提出推进智能制造要立足制造本质，紧扣智能特征，以工艺、装备为核心，以数据为基础，依托制造单元、车间、工厂、供应链等载体，构建虚实融合、知识驱动、动态优化、安全高效、绿色低碳的智能制造系统，推动制造业实现数字化转型、网络化协同、智能化变革。
1.2智能制造模式概述
近年来，智能制造在实践演化中形成了许多不同的模式，包括离散型智能制造、流程型智能制造、网络协同制造、大规模个性化定制及网络远程运维服务等模式。
1.2.1离散型智能制造模式
离散型智能制造的产品通常由几十个甚至成百上千个不同的零件经过一系列不连续的移动、不同的工序加工而成，如图1.1所示。其特点是生产的产品多样化、工艺路线复杂、生0离散型产周期长、管理复杂等。作为五种智

目录
**章 绪论 1
1.1 引言 1
1.1.1 智能制造的定义 1
1.1.2 智能制造的发展 1
1.2 智能制造模式概述 4
1.2.1 离散型智能制造模式 4
1.2.2 流程型智能制造模式 6
1.2.3 网络协同制造模式 7
1.2.4 大规模个性化定制模式 9
1.2.5 网络远程运维服务模式 11
1.3 智能制造特征 12
1.4 智能制造关键技术概述 14
1.5 智能制造关键环节概述 20
1.5.1 智能设计 20
1.5.2 智能加工 21
1.5.3 智能装配 23
1.5.4 智能服务 24
1.6 智能制造装备 25
1.6.1 智能制造装备的特征 25
1.6.2 智能制造装备的分类 26
1.6.3 智能制造装备的发展 27
习题与思考 31
第2章 智能制造关键技术 32
2.1 信息物理系统 32
2.1.1 CPS的体系架构 32
2.1.2 CPS的特征 35
2.1.3 CPS的应用场景 36
2.2 工业物联网技术 38
2.2.1 工业物联网体系架构 39
2.2.2 工业物联网关键技术 39
2.2.3 工业物联网技术应用场景 43
2.3增强现实技术 44
2.3.1 AR技术框架 45
2.3.2 AR核心技术 46
2.3.3 AR技术应用场景 48
2.4 工业大数据技术 49
2.4.1 工业大数据的内涵 49
2.4.2 工业大数据的特征 51
2.4.3 工业大数据技术架构 52
2.4.4 工业大数据采集与治理 53
2.4.5 工业大数据存储与管理技术 54
2.4.6 工业大数据分析技术 55
2.4.7 工业大数据可视化技术 57
2.4.8 工业大数据技术应用场景 61
2.5 工业云计算技术 62
2.5.1 云计算与工业云概述 62
2.5.2 云计算技术架构 63
2.5.3 工业云平台架构 64
2.5.4 工业云的特征与优势 66
2.5.5 云计算的分类 67
2.5.6 工业云计算的关键技术 68
2.5.7 工业云计算技术的应用场景 70
2.6 深度学习技术 71
2.6.1 深度学习的内涵 71
2.6.2 典型深度学习算法概述 73
2.6.3 卷积层和卷积计算 73
2.6.4 池化层和池化计算 75
2.6.5 AlexNet卷积神经网络 77
2.6.6 深度学习的关键技术 79
2.6.7 深度学习技术的应用场景 82
2.7 智能传感技术 82
2.7.1 智能传感技术的特点 82
2.7.2 智能传感关键技术 84
2.7.3 智能传感技术应用场景 85
习题与思考 85
第3章 高端数控机床装备 86
3.1 高端数控机床产业链 86
3.1.1 高端数控机床的发展 86
3.1.2 高端数控机床产业链的构成 88
3.2 高端数控金属切削机床结构 89
3.2.1 机床总体结构 90
3.2.2 主轴 90
3.2.3 滚珠丝杠 91
3.2.4 直线导轨 92
3.2.5 刀库 94
3.2.6 数控系统 95
3.2.7 数控回转工作台 97
3.2.8 多功能附件铣头 98
3.3 精密加工中心 100
3.3.1 卧式精密加工中心 101
3.3.2 立式精密加工中心 104
3.3.3 复合式精密加工中心 106
3.4 精密龙门加工中心 107
3.4.1 精密龙门加工中心的组成和特点 107
3.4.2 精密龙门加工中心的分类 109
3.5 精密镗统加工中心 110
3.5.1 卧式精密镗铣加工中心 110
3.5.2 落地式精密镗铣加工中心 112
3.5.3 精密镗蛛加工中心关键技术 114
3.6 超精密智能机床产品 116
3.6.1 德国纳米加工中心 116
3.6.2 美国超精密车床 117
3.6.3 英国模辊切削机床 118
3.6.4 中国弧面凸轮五轴磨削中心 119
3.7 高端数控金属成型机床分类 119
3.8 伺服压力机 120
3.8.1 伺服压力机的分类 120
3.8.2 伺服压力机的应用 122
3.9 智能压铸装备 123
3.9.1 智能压铸装备的组成 123
3.9.2 智能压铸装备的分类 125
3.9.3 智能化压铸单元 126
3.10 智能数控折弯机床 126
3.11 数控特种加工中心特点 128
3.12 数控电火花加工机床 129
3.12.1 电火花加工的原理 129
3.12.2 数控电火花加工机床的组成 129
3.12.3 数控电火花加工机床的应用 131
3.13 智能超声加工机床 132
3.13.1超声加工的原理与特点 133
3.13.2 智能超声加工机床的组成 133
3.13.3 超声加工的应用 135
3.14 高能束加工机床 137
3.14.1 激光加工机床 137
3.14.2 电子束加工机床 139
3.14.3 离子束加工机床 140
习题与思考 142
第4章 增材制造装备 143
4.1 增材制造装备产业链 143
4.2 光固化成型装备 144
4.2.1 SLA装备的组成与特点 144
4.2.2 SLA装备的典型应用 146
4.3熔融沉积成型装备 147
4.3.1 FDM装备的组成与特点 147
4.3.2 FDM对材料的要求 149
4.3.3 FDM装备的典型应用 149
4.4 激光选区熔化成型装备 150
4.4.1 SLM装备的组成与特点 151
4.4.2 SLM装备的典型应用 153
4.5激光近净成型装备 155
4.5.1 LENS装备的组成与特点 155
4.5.2 LENS的典型应用 157
4.6电子束溶融成型装备 158
4.6.1 EBM装备组成与特点及发展 158
4.6.2 EBM的典型应用 160
习题与思考 160
第5章 智能传感与控制装备 161
5.1 智能传感与控制装备产业链 161
5.2智能控制系统 163
5.2.1 分布式控制系统 163
5.2.2 现场总线控制系统 165
5.2.3 以太网控制系统 167
5.2.4 嵌入式控制系统 169
5.3 智能仪器仪表 171
5.3.1 精密仪器 171
5.3.2 智能仪表 172
5.4 智能传感器 174
5.4.1 无线传感器 174
5.4.2 新型传感器 176
习题与思考 178
第6章 智能检测与装配装备 179
6.1 智能检测与装配装备及其产业链 179
6.1.1 智能检测概述 179
6.1.2 智能装配概述 180
6.1.3 智能检测与装配装备产业链 181
6.2 视觉检测系统及装备 182
6.2.1 视觉检测系统的组成 182
6.2.2 视觉检测系统组件选型 184
6.2.3 视觉检测装备 188
6.3 位置检测系统及装备 190
6.3.1 光学位置检测系统及装备 190
6.3.2 电磁位置检测系统及装备 191
6.3.3 电量位置检测系统及装备 192
6.3.4 其他位置检测系统及装备 193
6.4 力检测系统及装备 194
6.5 功能检测系统及装备 196
6.5.1 磁性能检测系统及装备 197
6.5.2 电学性能检测系统及装备 197
6.5.3 光学性能检测系统及装备 197
6.5.4 声学性能检测系统及装备 198
6.5.5 热学性能检测系统及装备 199
6.6 尺寸检测系统及装备 200
6.6.1 孔径尺寸检测系统及装备 200
6.6.2 机床工件尺寸检测系统及装备 201
6.7 智能诊断系统及装备 202
6.7.1 智能故障诊断系统 203
6.7.2 智能故障诊断装备 204
6.8 轴承自动化检测系统及装备 205
6.8.1 轮毂轴承智能化装配生产线 206
6.8.2轮毂轴承智能化装配生产线关键技术 207
习题与思考 209
智能制造技术与装备
第7章 智能物流与仓储装备 210
7.1 智能物流与仓储装备产业链及关键零部件 210
7.1.1 智能物流与仓储装备产业链 210
7.1.2 上游产业链及关键零部件 211
7.1.3 中游产业链及关键零部件 213
7.2 自动化立体仓库及系统 214
7.2.1 自动化立体仓库的特点及应用 214
7.2.2 自动化立体仓库组成 216
7.2.3 自动化立体仓库控制系统 217
7.3 堆垛机 219
7.3.1 堆垛机的特点与分类 219
7.3.2 堆垛机运行方式 220
7.3.3 巷道堆操机的特点 221
7.3.4 有轨巷道堆垛机 221
7.3.5 无轨巷道堆垛机 223
7.3.6 桥式堆躲机 223
7.4 自动化输送设备 225
7.4.1 自动化输送设备的优点 225
7.4.2 带式输送机 225
7.4.3 刮板式输送机 226
7.4.4 埋刮板式输送机 227
7.4.5 螺旋输送机 228
7.4.6 气力输送机 229
7.5 智能分拣装备 230
7.5.1 智能分拣装备的分类与特点 230
7.5.2 交叉带式分拣装备 231
7.5.3 摆轮式分拣装备 234
7.6 AGV与RGV智能搬运设备 236
7.6.1 AGV与RGV的特点及适用场景 236
7.6.2 AGV 装备 237
7.6.3 RGV 装备 241
习题与思考 242
参考文献 243