智能制造的意义、技术与实现

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The Significance，Technologies and Implementation of Intelligent M anufacturingZHU Jian-ying(Nanjing University of Aeronaulicl Astronauticl，Nanjing 210016，China)Abstract：Depending on high technologies(especialy，on inteligent information science and technologies)U.S.controls the world.。

The transfering trend of central science and technology in 21 century is as folows：fr0m information science and technology to lifescience and technology，and to cognitive science and technology.The manufacturing tec hnology is an implement technology fOr a sciences and technolog ies.NBICM converging technology wil bring about a new industrial revolution.The paper has listed 8 character-istics of inteligent syatems，14 more impoant models for modern manufacturing systems，12 core technologies for digital manufactur·ing systems，50 mathematical methods for modeling of inteligent manufacturing systems.In the end.several recognitory issues for im-plementation of inteligent manufacturing are discussed。

Key words：technologies；inteligent system；digital manufacturing inteligent manufacturing；mathematical methods for modeling ofmanufacturing systems1 美国依靠什么控制全世界是她的价值 观是她的军队还是她的跨国公 司都不是!那么到底是靠什么呢是靠高新科学技术 !当前，主要是靠智能化高新科学技术，特别是智能化信息科学技术!只要看看历届美国总统亲自主持的国家科技发展战略计划便可确信上述结论。

1.1 曼哈顿工程1941年 12月 7日珍珠港事件爆发。1942年 6月美国原子弹研制计划正式开始，总部开始设在纽约曼哈顿区，因此叫曼哈顿计划”。该工程利用核裂变技术来研制原子弹。动员了 10万多科技人员参加，历时 3年，耗资2O亿美元，于1945年7月16日成功地进行了世界上第-次核爆炸，并迅速制造出了两颗原子弹，于 1945年 8月 6日和 9日分别投掷在 日本的广岛和长崎，造成总计达 30多万人的死伤，迫使 日本法西斯投降，最终结束 了二战。

曼哈顿计划”的成功，使美国人认识到，在美国总统主持下，靠高新科学技术可以确保美国的霸主地位。

1.2 阿波罗计划即美国太空和登月计划。美国从 1961年开始研究载人登月计划，1969年 7月 16日，巨大的土星 5号”火箭，载着阿波罗 11号”飞船，从美国肯尼迪角发射场点火升空，开始了人类首次登月的太空征程。美国宇航员尼尔 ·阿姆斯特朗、埃德温 ·奥尔德林、迈克尔 ·科林斯驾驶着阿波罗 1 1号宇宙飞船跨过 38万千米的征程，承载着全人类的梦想踏上了月球表面。这确实是-个人的小小-步，实现 了整个人类 的伟大-步。工程历时约 11年，耗资255亿美元 ，先后完成 6次登月飞行 ，把 l2人送上月球并安全返回地面。参加工程的有 2万家企业、200多所大学和 8O多个科研机构，总人数超过 3O万人。阿波罗计划不仅实现了美国赶超苏联的政治目的，还带动了20世纪60、7O年代美国和全世界计算机技术、通信技术、测控技术、火箭技术、激光技术、材料技术、医疗技术等高新技术的全面发展，把科技整体水平提高到了-个全新的高度。

在经济方面，据统计，在阿波罗计划上投入的每 1美元平均带来了5美元左右的效益。阿波罗计划为美国走向巨无霸地位奠定了更坚实的基矗作者简介：朱剑英(1937-)，男，江苏南通人，教授、博士生导师，南京航空航天大学原校长，国际生产工程科学院(CIRP)院士，国家 973计划咨询专家，国家自然科学安全委员会学科评议组成员，国务院系统委员会学科评议组成员，中国航空学会副理事长，我国著名的航空制造专家，研究方向为机械电子工程、机械制造 自动化、智能系统及机器人等。

Machine Building Automation，un 2013，42(3)：J-6，JD· 综述与展望 · 朱剑英 ·智能制造的意义、技术与实现1.3 星球大战计划 科学技术开展自己的业务活动，才能得到发展。

即在太空部署反弹道导弹防御系统。名为反弹道导弹”，实为部署弹道导弹”。1983年 3月 23日，美 国前总统里根发表了充满血腥味的星球大战”演说 ，首次对外宣称21世纪将在太空建立战略防御系统”。1985年 1月 4日美国正式向全世界宣布 ：美 国将在太空或地面部署以定向能(激光、粒子束 、微波等 )武器为主、包括攻击卫星、反弹道导弹的多层综合 防御系统，拦截并摧毁袭击美 国的战略导弹。这-计划就是星球 大战计划”。美国总共动员 了 1万多名科学家参与此计划 ，全部耗费为 1万亿美元，到 20世纪末要建成整个防御系统(可能没有建成)。此项计划的目的是彻底拖垮苏联(已经实现)，推动美国高技术进步并为振兴美 国经济打下坚实的基矗1.4 信息高速公路计划即互联网计划。20世纪 90年代初 ，克林顿政府将信息高速公路”建设作为其施政纲领。1996年 10月 10日提出将当前网络传输速度提高 1001 000倍 ，使全球实现互联网，并将快速发展的信息技术及应用作为增强美国国力和竞争力的基本手段。首先用于军事，其次是民用。

1999年 1月24日，美国副总统戈尔宣布，为了确保美国在信息技术领域的全球领先地位，美国将以网络化为中心，大力发展信息技术 、网络技术、超级计算机技术、多媒体技术和软件技术，大大加快全球网络化的进程，从而使互联网功能，扩展到跨地域 、跨国界的范围。美国将以互联网技术控制全世界。

1.5 导弹防御系统911”事件后，美国提出了导弹防御计划。同时，美国总统布什宣布，美国将在 2004年前在阿拉斯加部署首批陆基拦截导弹。在首批拦截导弹部署完毕之后 ，布什计划在 2005年或 2006年再部署 1O枚陆基拦截导弹，基于美国全球雷达和感应器网络，建立起美国的导弹防御系统，以对付远程导弹的袭击。分析人士认为，美国进行导弹防御系统的研制 ，实际上是在谋求战略核武器的控制地位，加强自己在全球的军事优势，借此占领全球军事技术和科学技术的制高点。

纵观美国的上述计划，其战略 目标不言自明，即是通过国家科技发展战略计划，依靠高新科学技术(当前特别是依靠智能化信息科学技术)，实现其军事、科技、经济、社会的全面发展，并以无与伦 比的军事优势(军事装备 )控制 全球 。

2 21世纪中心科学技术转移的趋势科学技术门类繁多，但在-个时期，只有-类科学技术是中心科学技术。这-类科学技术的发展不但成为经济社会发展的动力源，而且也带动了其他门类科学技术的发展。各行各业只有大力应用中心科学技术，并围绕中心· 2 ·2.1 当前的中心科学技术是信息科学技术目前是其发展的高峰期，预计其中心科学技术的地位至少还可持续 3O年。

2.2 下-个 中心科学技术将是 生命科学技术现在已非常注重其发展与应用 ，原因很简单 ，因为人最宝贵的就是生命。预计 21世纪 40年代开始会逐步转变为中心科学技术。

2.3 再下-个中心科学技术将是认知科学技术现在智能化趋势已显露，智能手机、智能机器、智能电器、智能交通、智能大厦比比皆是。但是人类智能的秘密远未解开，在人类智能还不清楚的情况下 ，任何智能机器”或机器智能”都不是真正意义上的。预计认知科学技术在 21世纪下半叶开始将会成为中心科学技术(图 1)。

堡星 兰茎 生鱼 兰垫 F 兰苎图1 本世纪中心科学技术转移的趋势虽然智能科学技术现在还不是中心科学技术 ，但智能化已是所有高新科学技术的发展方向，特别是制造业信息化的发展方向。所有现代工业生产和产品智能化以后都大大提高了生产效率和产品的品质与价值，因此认知科学技术的中心地位很可能会提前来到。

预测科学发展趋势是-件很困难的工作，只能根据科学技术发展的历史和现状来推断其未来的发展，所以以上的预测只能供作参考。

3 制造技术是所有科学技术的实现技术3.1 产业革命源于技术革命，技术革命源于科学突破l8世纪60年代，由于近代力学、热力学的突破，促进了蒸汽技术的发展和蒸汽机的广泛应用，导致了第-次产业革命产生。l9世纪 70年代 ，电磁理论的突破 ，促进 了电力技术的发展和应用，导致了第二次产业革命产生。二战以后，相对论、量子力学、半导体物理、计算机科学、通信科学、控制论 、生物科学、智能科学、现代数学等基础理论的突破，导致原子技术、电子技术、信息技术、能源技术、空间技术、制造技术及-系列高新技术的发展，正孕育着第三次产业革命。

3.2 科学、技术和产业的关系科学、技术和产业的关系是相互联系相互促进的关系，是理论与实践的关系。这些关系中的纽带和桥梁就是制造。邓小平指出：科学技术是第-生产力”。但-切htp：/ZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajouma1.net.cn《机械制造与自动化》· 综述与展望 · 朱剑英 ·智能制造的意义、技术与实现科学技术只有通过制造技术才能成为现实的生产力，没有制造技术，科学技术只能是潜在的生产力。制造技术是所有科学技术的实现技术(图 2)。

科学技术 生产力图2 制造技术是所有科学技术的实现技术4 NBICM 技术将会引发-场新的产业革命2001年 12月 3-4日，美国商务部技术管理局、国家科学基金会(NSF)、国家科学技术委员会纳米科学工程与技术分委会(NSTC-NSEC)在华盛顿联合发起了-次有科学家、政府官员等各界顶级人物参加 的圆桌会议 ，会议就汇聚四大技术，提升人类能力”这-议题进行了研讨 ，并首次提出了NBIC汇聚技术”的概念。

NBIC 是 Nano-Technology(纳 米 技 术 )，Bio-Technology(生物技术)，Information Technology(信息技术)和 Cognitive Science(认知科学)四个英文字的打头字母的联式。

由于制造技术是任何高新技术的实现技术 ，只有通过制造，科学技术才能从潜在的生产力变成现实的生产力。

笔者认为，从可实现的意义上看，汇聚技术中应包含有先进制造技术。亦即，汇聚技术是指用先进制造技术将纳米技术(包括微/纳机电系统，MEMS/NEMS)、生物技术 (包括生命科技、生物制药及基因工程)、信息技术(包括先进计算机、网络及通信)、认知科学(包括认知神经科学)汇聚、协同和融合起来，并最终制造出产品的综合交叉技术。

这样 ，以上五种技术的简化英文联式就成为：Nano-Bio-Info-Cogn-Manuf，缩写为 NBICM。

以上五个领域的技术，当前都在迅速发展 ，每-个领域都潜力巨大。而其中任何技术的两两融合、三种汇聚或者四者集成，都将产生难以估量的效能。

NBICM汇聚技术，代表着研究与开发的新的前沿领域，其发展将显著改善人类生命品质，提升和扩展人的技能，人类将在纳米尺度的物质层次上重新认识和改造世界以及人类自身，甚至可以以原子或分子为起点来诊断和修复自身与世界。

五大前沿技术的融合还将缔造全新的研究思路和全新的经济模式，将大大提高整个社会的创新能力和社会生产力水平，社会可大幅度地减少资源与能源的消耗，因而减少生态环境的破坏与污染。各类组织在快速可靠地沟通信息的基础上，使管理效率大大提高。国家将拥有威力强大的武器装备、免受攻击的数据网络和先进的指挥系Machine Building Automation， H 2013，42(3)：J～6，10统 ，使国家安全大大增强。

总而言之 ，NBICM 汇聚技术将会引发-场新的产业革命，为未来的发展提供巨大的机遇，不断创造新的产业、新的市尝新的生活、新的文化 、新的进步，实现科技与经济发展的新 突破，并将人类社会带入创新与繁荣的新时代。

5 智能制造系统的特征5.1 关于人类智能行为的标准现代科学技术的飞速发展及现代经济社会的巨大进步展现了许多开放的、智能化的、复杂巨型系统，也为系统科学的研究提出了如何使系统智能化的新问题。具有(部分具有)人类智能或能模拟(部分模拟)人类智能的系统称为智能系统。智能系统可以分成下列几种类型：1)人类本身的人体系统，特别是人脑系统 ；2)人类以其智能直接参与活动的系统，如金融系统、保险系统、体育系统等经济系统和社会系统；3)人与机器共同工作的人机系统；4)模拟(部分模拟)人类智能的机器系统，如智能计算机系统、智能机器人系统、智能制造系统、智能控制系统、智能语言理解系统、智能图像处理系统、智能专家系统等。

前两类智能系统是人本系统”，也就是关于人类本身的系统 ；后两类智能系统是人为系统”，也就是人类改造 自然为人类谋利益而创造的系统。人本系统”是生命科学、认知科学及社会科学研究的对象，而人为系统”则是 自然科学、工程科学研究的对象。当然，要对 人本系统”进行模拟，也要用到工程科学技术对人为系统”的研究结果。

如科学家认为，只有按人脑的工作方式工作的机器或系统才能称为智能机器或智能系统；而工程师则认为，不管智能实现的途径是什么，只要机器或系统具有人脑的某些功能，就可称为智能机器或智能系统。Et前，人类智能的秘密尚未解开，为了促进智能机器或智能制造系统的研究与发展 ，采纳工程师的观点有利于机械制造智能化研究工作的开 展。

5.2 什么是智能制造系统具有下列特征之-的机械系统或制造系统 ，就可称为智能机器系统和智能制造系统 ：1)多信息感知与融合；2)知识表达、获娶存储和处理(包括识别 、设计、计算、优化、推理与决策)；3)具有联想记忆功能(associate memory)；4)具有自学习、自适应、自组织、自维护功能；5)具有自优化功能(系统越用越好用)；6)智能的分解与集成；7)容错 ；8)智能控制。

· 3·· 机械制造 · 邵跃林，等 ·轻型火炮后大架结构分析与优化易获得全局最优解，但是计算时间会随之增加，较大的交叉概率可以获得较快的收敛速率，但过大的交叉概率可能会导致早熟现象。综合考虑各种因素，本次优化的种群规模取 5O，进化代数取 65代 ，交叉概率 0.9。

3 优化结果分析与原方案相比，方案 A后大架最大应力大幅下降了63.6%，后大架质量上升了7.46%；方案 最大应力下降了36，8%，质量下降了 ＆7%；方案 c最大应力下降了 16.8%，质量下降了 11.82%。方案A应力大幅下降是以质量上升为代价的，方案 质量和最大应力均有所下降，方案 c质量下降最多，最大应力接近材料许用应力，可见质量和最大应力是- 组矛盾的值，必须根据实际隋况选择最合适的方案。

通过优化计算得到后大架质量和最大应力的 Pareto最优解集，Paret。前沿面如图6。 4 结语384u娶3230200 000 250 000 300 000350 000400 000450 000 500 000后大架最大应力/MPa图 6 后大架最大应力-质量 Pareto前沿面经多目标优化 ，后大架质量和后大架最大应力均有所下降。从 Pareto前沿面上选择了三个点 A，B，C和原方案进行比较，最大应力和质量如表 2。

表 2 后大架优化方案结果对比首先建立了后大架-土壤有限元模型分析后大架强度 ，在分析结果的基础上 ，使用集中参数模型替代土壤模型建立用于寻优计算的有限元模型，应用多目标遗传算法NSGA-II进行了后大架强度和质量的多 目标的优化 ，得到后大架模型的-组 Pareto最优解集 ，使优化后的后大架质量和最大应力均有不同程度的下降。该组 Pareto最优解集为后大架结构设计提供了参考，同时，本文所使用的方法对薄壁焊接结构的优化设计也有-定的借鉴意义。