工厂自动化

工厂自动化 (Factory Automation，FA) 指整个工厂实现综合自动化，它包括设计制造加工等过程的自动化，企业内部管理、市场信息处理以及企业间信息联系等信息流的全面自动化。它和信息与通信、办公自动化、新材料、生物工程、保健与医疗技术并列成为当代六大主导新技术。它的常规组成方式是将各种加工自动化设备和柔性生产线 (FML) 连接起来，配合计算机辅助设计 (CAD) 和计算机辅助制造 (CAM) 系统，在中央计算机统一管理下协调工作，使整个工厂生产实现综合自动化。进入21世纪以来，“以人为本”“节能环保”的观念深入人心，对工厂自动化提出了新的要求。随着计算机技术、无线技术、现场总线技术、工业以太网技术、IT技术、机器人技术、传感器技术以及安全技术等科学技术的不断发展与创新，工厂自动化在经历了单机自动化、车间自动化、全厂集中控制等几个重要阶段之后正向工厂综合自动化 (又称全盘自动化) 发展，即把过程控制、监督控制、产品设计、质量监测、工厂管理等方面融为一体，运用现代控制理论、大系统理论、人工智能、4C (Computer、Commu-Iieation、CRT、Control) 技术，实现优化控制、分级控制、分散控制、测试自动化、建筑物自动化、信息处理与经营决策自动化，以便进一步提高工作效率，保证质量与安全，节约能源和原材料。

1. 数控机床用机器人

数控机床用机器人是自动化工厂的重要组成部分。工厂自动化的推广是必然，这里拥有先进的多类技术。工厂自动化也称为车间自动化，指自动完成产品制造的全部或部分加工过程的技术。

(1) 中国工业机器人的研究

中国工业机器人的研究起步较晚，开始于20世纪70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段: 70年代的萌芽期、80年代的开发期和90年代的适用化期。20世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑，人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆，我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入20世纪80年代，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划 (863计划) 开始实施，智能机器人主要跟随世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从20世纪90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

(2) 微机器人技术在超精密加工中的应用研究

讨论数控机床用机器人的研究状况需要提到微机器人技术在超精密加工中的应用研究，其反映了相应研究状况的先进水平。随着产品质量要求的不断提高，以精密加工、超精密加工、微细加工和纳米加工等为代表的精密工程越来越引起人们的关注。通常，我们把被加工零件的尺寸精度和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度低于百分之几微米的加工技术称为超精密加工技术。超精密加工技术在国防工业、信息产业和民用产品中都有着广泛的应用前景。在国防工业中，导弹陀螺仪的质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质心偏离对称轴0.0005μm，就会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。在宇航技术中，卫星的姿态轴承为真空无润滑轴承，其孔和外圆的圆度及圆柱度均为纳米级。卫星用的光学望远镜、电视摄像系统、红外传感器等，其光学系统中的高精度非球面透镜等都必须经过车、磨、研、抛等超精密加工。此外，大型天体望远镜的透镜、红外线探测器反射镜、激光核聚变用的曲面镜等都是靠超精密加工制造出来的。在信息产业中，计算机芯片、磁盘和磁头、复印机的感光鼓等都要经过超精密加工才能达到要求。民用产品中的许多产品，如隐形眼镜，就是用超精密数控车床加工而成的。

①基于微机器人的超精密加工技术。

目前，微机器人在超精密加工领域中的应用主要有以下几种方式: 微加工机器人、宏微机器人双重驱动、机床与机器人结合、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等。

对于微小零件的精密加工，存在的主要问题是: 如何以微观精度和低成本实现微小零件的加工与装配，由于基于传统方法的加工产生驱动误差补偿和温度补偿控制需要消耗大量能量，近年来，基于IC工艺和深层X射线技术也被成功用于复杂工艺的微机械零件的加工，但是，被加工材料局限性大，加工和维护的费用较昂贵。而携带有各种微操作、加工、测量工具的微机器人，不仅可以进行精密零件的加工、检验和装配，还可以合作完成一些大型机床难以完成的工序。因此，基于微机器人的超精密加工成为实现超精密加工的一种有效方式。

②微加工机器人。

日本静冈大学开发了一组微小机器人。每个机器人尺寸大约在1英寸3[1]，由压电晶体驱动，电磁铁实现在工件表面的定位，这种机器人不仅可以在水平的表面移动，还可以在立面和天棚上移动，而不需要导轨等辅助装置。它还提供了模块化设计，因而为完成不同的微观操作，可以选择不同的工具，如小锤、微检测工具和灰尘捕获探针等。在实验中，多个机器人中有一个带有减速齿轮驱动微钻，其他的由直流电动机带动小齿轮驱动，可以合作进行工件表面的微孔加工。

毛利尚武等人利用“尺蠖驱动法”研制了超小型电火花加工机，可以实现直径为0.1mm微孔的加工。青山尚之等人研制了一种微小机器人，并且利用该机器人实现了压印加工。

Ralph Hollis等提出适用于精密装配的微工厂的概念，包含了基于传感器的微操作和自动装配体系，可完成复杂MEMS系统的装配工作。Hitosh建立了一个微工厂的模型。在一个工作台上，集中了微型车床、磨床、冲床、机械手、操作器等，可以实现微型零件的加工以及装配。它的特点是空间小、能耗低、质量轻，可以根据生产的需要重新构造，具有很高的柔性。

(3) 中国数控机床行业的现状及前景

随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础，它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。

“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展，其产量为2001年17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39%; 2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛，固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快。

2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4%，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3%。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58%。

2007年，中国数控金切机床产量达123257台，数控金属成型机床产量达3011台; 国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。

2008年10月，中国数控机床产量达105780台，比2007年同比增长2.96%。

长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5～10年，在高、精、尖技术方面的差距则达到了10～15年。中国在应用技术及技术集成方面的能力也比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要的原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。

国外公司在中国数控系统销量中的80%以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。

“十一五”期间，中国数控机床产业步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床消费数量统计，2009年数控车床销售数量达8.9万台，年均增长率为16.5%。根据中国加工中心消费增长统计，2009年加工中心消费数量达2.8万台，较2005年年均增长率为17.8%。

“十二五”期间，高档数控机床、数控系统和功能部件核心技术将是资金投入的重点，而且与重大专项实施的前两年相比，高档数控系统作为独立项目首次提出，同时功能部件和数字化工具系统及测量仪、关键部件等也在改进。预计“十二五”期间，近30亿的中央财政投入将有一半投入到从事数控系统、刀具、轴承等核心产品生产、研发的龙头企业，数控机床有望在“十二五”期间实现数量和质量的同步跨越。

(4) 世界机床强国之德国产业现状

在现今数控技术的广泛应用下，机床的良好销售业绩将带来足够的资金去研究更先进的机床和更先进的生产工厂，反映了数控机床及数控机床用机器人发展的资金支持是足够的，相应发展是迅速的。从世界机床强国——德国的产业现状足以看出业绩的良好。

创历史新高的2006年，德国机床业界的生产与服务总值高达108亿欧元，增长4%。在出口方面，截至2006年，德国机床制造业已连续4年取得较好成绩，仅2006年前9个月的出口增幅便高达13%。来自中国市场的需求超过了美国市场，再度成为德国机床出口的最大海外市场。与此同时，德国对韩国与印度的机床出口也有出色表现，这标志着亚洲市场的繁荣及其各个行业工业标准的提高。日本用户也在增加对德国机床与技术的订购，2006年日本首次跃居为德国15大出口市场之一。

进口方面，亚洲的机床生产企业正不断提升技术标准，着力强化其在德国市场中的地位。2006年前3个季度，德国的机床进口增长率高达15%，主要增量来自中国、韩国、中国台湾与日本。2007年德国机床生产与服务总值继续攀升，达115亿欧元。如此一来，德国机床制造业取得历史以来的最好成绩，并打破行业在2001年所创下的最高纪录。

(5) 我国所用的书

例如: 《数控机床——机器人》，全书的内容是根据机械制造类教学计划中的有关机械制造装备的设计内容，尽可能吸收相关的新科学技术知识，反映现代科技成果，并从实用角度出发，以机电一体化的典型产品“数控机床工业机器人”机械系统设计为重点，结合作者的教学实际经验而编写。通过学习可使学生具备一定的机械制造装备总体设计和结构设计能力，培养学生在产品设计方面分析问题和解决问题的实际能力。

书中着重介绍了数控机床机器人的设计方法和步骤，以及设计和计算时必要的图表和数据，如传感器、同步带、谐波齿轮、变速电动机和锥环等的外形安装尺寸和技术参数。为了便于读者参考，书中还穿插了很多简明的技术资料和例图。书中最后一章的设计实例，不仅对学生有参考的意义，而且便于对实际应用课题设计部分有困难的学生在学习过程中加以模仿。

2. 数字化工厂

(1) 数字化工厂

数字化工厂是工厂自动化的高级形式，也是中国工厂发展的必然模式;数字化工厂是现代工业化与信息化融合的应用体现，也是实现智能化制造的必经之路。数字化工厂借助于信息化和数字化技术，通过集成、仿真、分析、控制等手段，可为制造工厂的生产全过程提供全面管控的一种整体解决方案。早在2000年前后，上汽、海尔、华为和成飞等制造企业均已开始着手建立自己的数字化工厂。近年来，随着国际竞争的不断加剧和我国制造业劳动力成本的不断上升，对设备效率、制造成本、产品质量等环节的要求不断提高，离散制造业中以汽车、工程机械、航空航天、造船为代表的大型企业已越来越重视数字化工厂的建设。

根据在范围、阶段、视角上的关注点存在的差异，对于数字化工厂也有不同提法，比如可视化工厂 (Visual Factory)、智慧工厂 (Smart Factory)、智能工厂 (Intelligence Factory)、数字化制造 (Digital Manufacturing)、虚拟工厂(Virtual Factory) 等，各个概念在关注点上存在不同程度的交集，如智能工厂和数字化制造的交集就是以智能装备为核心的制造工艺过程智能化，特别是对制造装备本身的智能化。而上述各种提法之间除明显的交集之外也各有侧重，比如可视化工厂侧重于数字化工厂实现前期的数据采集和透明化，而智能工厂更侧重于后期的数据分析与决策。

(2) 设计部分

三维CAD系统的应用已相当普及。1997 年，美国机械工程师协会(ASME) 就开始了全三维设计相关标准的研究制定工作，并于2003年颁布了“Y14.41 (Digital Product Definition Data Practices)”标准，把三维模型和尺寸公差及制造要求统一在一个模型中表达。近年来，在生产部分，各类数控设备在加工精度和智能控制水平上都得到飞速发展。基于三维模型的单一数据源和数控设备的广泛应用使得从设计端到制造端的一体化成为可能。

基于三维模型的数字化协同研制应用的尝试始于航空航天制造领域。由于在产品设计、材料成本、成型技术和制造精度方面具有相对更苛刻的要求，航空航天领域在加工和装配制造工艺上整体领先于其他行业，这为基于三维模型的数字化协同研制奠定了基础。

当前，世界先进的飞机制造商已逐步利用数字化技术实现了飞机的“无纸化”设计和生产，美国波音公司在波音777和洛克希德·马丁公司在F35的研制过程中，基于三维模型的数字化协同研制和虚拟制造技术，缩短了2/3的研制周期，降低研制成本50%。波音公司在研制X-32飞机时也是如此，借助于统一模型，辅助装配系统能把装配顺序和装配好的部件状态投射到正在装配部件的上方，让工人方便直观地进行装配工作，无须再细读图纸和翻阅工艺文件，使装配周期缩短50%，成本降低30% ～40%。在飞机总装线上，无论是机身与机身还是机翼与机身都实现了高度自动化的校准和对接，波音和空客两大航空制造公司生产的波音737/787、A320/A380系列飞机无一例外地采用全数字化样机进行协调和辅助装配，如空客A380采用4台Leica激光跟踪仪完成数字化装配。数字化产品的数据从研制工作的上游畅通地向下游传递，这有助于大幅减少飞机装配所需的标准工装和生产工装。借助飞机的数字化模型，法国达索公司在装配小型公务机Falcon时，其传统的工装已减到零，对降低新机研制成本，缩短研制周期起到了难以估量的作用。

在国内，中航工业第一飞机设计研究院2000年在“飞豹”飞机研制中已全面采用了数字化设计、制造和管理技术。航天科技211厂通过普及基于单一数据源的三维模型，制订了“三维到工艺”“三维到现场”“三维到设备”的步骤发展策略，重点解决了基于三维模型的设计工艺协同工作模式和三维设计文件的信息传递、生产现场无纸化和航天产品的加工、装配、检测等装备的数控化问题。新支线飞机ARJ21的研制100%采用三维数字化定义、数字化预装配和数字化样机。上海商飞公司利用数字化设计、分析、仿真等技术手段，实现了设计、零件制造以及装配一次成功。上述应用目前已开始推广至工程机械、造船等其他领域。

(3) 数字化模拟工厂

数字化模拟工厂是数字化工厂技术制造规划层的一个独特视角。基于虚拟仿真技术的数字化模拟工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，采用虚拟仿真技术对制造环节从工厂规划、建设到运行等不同环节进行模拟、分析、评估、验证和优化，指导工厂的规划和现场改善。

由于仿真技术可以处理利用数学模型无法处理的复杂系统，能够准确地描述现实情况，确定影响系统行为的关键因素，因此该技术在生产系统规划、设计和验证阶段有着重要的作用。正因为如此，数字化模拟工厂在现代制造企业中得到了广泛应用，典型应用包括:

①加工仿真，如加工路径规划和验证、工艺规划分析、切削余量验证等。

②装配仿真，如基因工程校核、装配节拍设计、空间干涉验证、装配过程运动学分析等。

③物流仿真，如物流效率分析、物流设施容量、生产区物流路径规划等。

④工厂布局仿真，如新建厂房规划、生产线规划、仓储物流设施规划和分析等。

通过基于仿真模型的“预演”，可以及早发现设计中的问题，减少建造过程中设计方案的更改。韩国三星重工利用DELMIA软件建立了完整的数字化造船系统，建立了虚拟船厂，可在虚拟环境下模拟整个造船过程，这套系统预计每年为企业减少730万美元的开支。通过模拟仿真技术能够迅速发现在持续运行过程中出现的问题，而如果想要在现实的系统中发现这些问题，需要长期测试以及花费高昂的成本。南车青岛四方机车采用虚拟仿真技术对高速列车生产环境进行了建模，并实现了建模装配仿真及物流仿真，减少了因零件返工配送不足造成的停工现象，减少了因工艺欠佳导致的装配干涉产品返工的问题。三一重工开发了OSG技术的三维工厂布局规划平台 (VRLayout)，在集团内部首次应用于其宁乡产业园的工厂布局规划，缩短了工厂建设周期，并节省了因设计缺陷产生的成本。2011年，国内各工程设计院已逐步开始采用数字化工程设计及规划技术来辅助规划和建设新工厂，降低工程设计与规划风险。

在仿真工具方面，工厂仿真领域的相关技术基本被国外产品垄断，如达索公司的Delmia/Simulia、Siemens公司的Technomatix和PTC公司的Ployplan等。这些产品的特点在于与其同公司CAD/PLM系列产品的紧密集成。用于制造领域的仿真软件还有很多，如用于装配仿真的EM Assembly、DMU，用于公差分析的3DCS、eM-TolMate等，用于车间物流仿真的Plant Simulation、Quest、Flexsim、Witness、Automod等。目前相关产品都在向三维模型方向发展，使得这些仿真工具展现方式更加灵活，分析功能更加强大。

(4) 车间制造

在制造企业，车间是将设计意图转化为产品的关键环节。车间制造过程的数字化涵盖了生产领域中车间、生产线、单元等不同层次上设备、过程的自动化、数字化和智能化，其发展趋势也分别体现在底层制造装备智能化、中间层的制造过程优化和顶层的制造绩效可视化3个层次。

在底层制造装备方面，数字化工厂主要解决制造能力的智能化问题。设备制造商不仅持续在提升设备本身高速、高精、高可靠等性能方面不断取得进展，同时也越来越重视设备的感知、分析、决策、控制功能，比如各种自适应加工控制、智能化加工编程、自动化加工检测和实时化状态监控及自诊断/自恢复系统等技术在生产线工作中心及车间加工单元中得到普遍运用。如日本Moriseiki的最新机床产品上安装的操作系统MAPPS，该系统内置了森精机的操作编程维修软件，具有很高的开放性，具有对话式编程、三维切削模拟和维修指导画面，提供远程监控功能，方便维修服务，并且可以直接进行切削仿真。制造装备的另一个趋势是把机床设备和相关辅助装置 (如机械手)进行集成，共同构成柔性加工系统或柔性制造单元。也有不少厂商支持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。上文提到的MAPPS系统就可以通过使用CAPS-NET网络软件建立基于以太网的网络，从而可以对作业状况和生产计划进行一元化管理。MAZAK公司在单机的智能化、网络化基础上，开发了智能生产中心 (CPC) 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，为客户的工厂实施数字化制造提供了前提。

在制造过程管理层次，随着精细化生产的需求越来越突出，近年来MES/MOM逐渐被制造企业所接受。MES/MOM可分为车间生产计划与管理和现场制造采集与控制两部分。车间生产计划与管理主要完成车间作业计划的编排、平衡、分派，同时涉及相关制造资源的分配和准备。国内外已有较多提供MES/MOM解决方案的产品提供商，如艾普工华在离散制造业特别是汽车及零部件、工程机械、航空等行业，Camstar在太阳能、电子行业，宝信在钢铁行业，石化盈科在石油化工行业，西门子在制药、烟草行业等，这些产品依托自身对制造业务的深刻理解，已确立了在这些行业的领先地位。Rockwell、Wonderware和GE依托在自动化领域的优势，也已逐步向MES延伸。目前，各厂商在研发高性能、高可靠性的系统平台和模块化产品方面投入巨大，上述平台和产品提升了快速搭建MES/MOM解决方案的能力。

现场制造数据采集的一个明显趋势是以RFID、无线传感网络等技术为核心的物联网技术的应用。物联网技术被认为是信息技术领域革命性的新技术，借其可实现对于制造过程全流程的“泛在感知”，特别是能够利用RFID无缝、不间断地获取和准确、可靠地发送实时信息流。汽车行业，比如自主品牌的江淮汽车，在2006年前后就开始应用RFID技术对生产环节的在制品进行跟踪。航空航天企业由于通常不允许在零部件上附加标识，因此通常采用以激光标刻为代表的二维码技术来实现WIP和关键零部件跟踪。在更细分的领域，RFID技术在刀具、设备管理方面也有成功应用，主流技术是利用刀柄上的预留空槽置入RFID标签，同时通过与机床刀库和对刀仪的集成对刀具使用、维护等进行全面管理。如Balluff的Fanucmi Link Tool ID系统就可以方便地连接Fanuc控制器控制的CNC机床，自动进入CNC取得刀具跟踪信息。值得一提的是，随着基于泛在信息的智能制造系统进一步发展，装备本身的智能化水平也得到了提升，这使得MES/MOM执行管理系统不再被动地获取制造数据，而是能够主动感知用户场景的变化并提供实时反馈。

[1] 1英寸3=1.63871×10-5m3。