0.2.2　智能工廠的框架體系

智能工廠由賽博空間中的虛擬數(shù)字工廠和物理系統(tǒng)中的實體工廠共同構成。其中，實體工廠部署有大量的車間、生產線、加工裝備等，為制造過程提供硬件基礎設施與制造資源，也是實際制造流程的最終載體；虛擬數(shù)字工廠則是在這些制造資源以及制造流程的數(shù)字化模型基礎上，在實體工廠的生產之前，對整個制造流程進行全面的建模與驗證。為了實現(xiàn)實體工廠與虛擬數(shù)字工廠之間的通信與融合，實體工廠的各制造單元中還配備有大量的智能元器件，用于制造過程中的工況感知與制造數(shù)據采集。在虛擬制造過程中，智能決策與管理系統(tǒng)對制造過程進行不斷的迭代優(yōu)化，使制造流程達到最優(yōu)；在實際制造中，智能決策與管理系統(tǒng)則對制造過程進行實時的監(jiān)控與調整，進而使得制造過程體現(xiàn)出自適應、自優(yōu)化等智能化特征。

由上述可知，智能工廠的基本框架體系中包括智能決策與管理系統(tǒng)、企業(yè)虛擬制造平臺、智能制造車間等關鍵組成部分，如圖0-3所示。

0.2.2.1　智能決策與管理系統(tǒng)

智能決策與管理系統(tǒng)如圖0-4所示，是智能工廠的管控核心，負責市場分析、經營計劃、物料采購、產品制造以及訂單交付等各環(huán)節(jié)的管理與決策。通過該系統(tǒng)，企業(yè)決策者能夠掌握企業(yè)自身的生產能力、生產資源以及所生產的產品，能夠調整產品的生產流程與工藝方法，并能夠根據市場、客戶需求等動態(tài)信息作出快速、智能的經營決策。

一般而言，智能決策與管理系統(tǒng)包含了企業(yè)資源計劃（ERP）、產品全生命周期管理（PLM）、供應鏈管理（SCM）等一系列生產管理工具。在智能工廠中，這些系統(tǒng)工具的最突出特點在于：一方面能夠向工廠管理者提供更加全面的生產數(shù)據以及更加有效的決策工具，相較于傳統(tǒng)工廠，在解決企業(yè)產能、提升產品質量、降低生產成本等方面，能夠發(fā)揮更加顯著的作用；另一方面，這些系統(tǒng)工具自身已達到了不同程度的智能化水平，在輔助工廠管理者進行決策的過程中，能夠切實提升企業(yè)生產的靈活性，進而滿足不同用戶的差異化需求。

0.2.2.2　企業(yè)數(shù)字化制造平臺

企業(yè)數(shù)字化制造平臺需要解決的問題是如何在信息空間中對企業(yè)的經營決策、生產計劃、制造過程等全部運行流程進行建模與仿真，并對企業(yè)的決策與制造活動的執(zhí)行進行監(jiān)控與優(yōu)化。這其中的關鍵因素包括以下兩點。

（1）制造資源與流程的建模與仿真。在建模過程中，需要著重考慮智能制造資源的三個要素，即實體、屬性和活動。實體可通俗地理解為智能工廠中的具體對象。屬性是在仿真過程中實體所具備的各項有效特性。智能工廠中各實體之間相互作用而引起實體的屬性發(fā)生變化，這種變化通常可用狀態(tài)的概念來描述。智能制造資源通常會由于外界變化而受到影響。這種對系統(tǒng)的活動結果產生影響的外界因素可理解為制造資源所處的環(huán)境。在對智能制造資源進行建模與仿真時，需要考慮其所處的環(huán)境，并明確制造資源及其所處環(huán)境之間的邊界。

（2）建立虛擬平臺與制造資源之間的關聯(lián)。通過對制造現(xiàn)場實時數(shù)據的采集與傳輸，制造現(xiàn)場可向虛擬平臺實時反饋生產狀況。其中主要包括生產線、設備的運行狀態(tài)，在制品的生產狀態(tài)，過程中的質量狀態(tài)，物料的供應狀態(tài)等。在智能制造模式下，數(shù)據形式、種類、維度、精細程度等將是多元化的，因此，數(shù)據的采集、存儲與反饋也需要與之相適應。

在智能制造模式下，產品的設計、加工與裝配等各環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)的制造模式均存在明顯不同。因此，企業(yè)數(shù)字化制造平臺必須適應這些變化，從而滿足智能制造的應用需求。

① 智能制造的產品設計。在面向智能制造的產品設計方面，企業(yè)數(shù)字化制造平臺應提供以下兩方面的功能：首先，能夠將用戶對產品的需求以及研發(fā)人員對產品的構想建成虛擬的產品模型，完成產品的功能性能優(yōu)化，通過仿真分析在產品正式生產之前保證產品的功能性能滿足要求，減少研制后期的技術風險；其次，能夠支持建立滿足智能加工與裝配標準規(guī)范的產品全三維數(shù)字化定義，使產品信息不僅能被制造工程師所理解，還能夠被各種智能化系統(tǒng)所接收，并被無任何歧義地理解，從而能夠完成各類工藝、工裝的智能設計和調整，并驅動智能制造生產系統(tǒng)精確、高效、高質量地完成產品的加工與裝配。

② 智能加工與裝配。在智能加工與裝配方面，傳統(tǒng)制造中人、設備、加工資源等之間的信息交換并沒有統(tǒng)一的標準，而數(shù)據交換的種類與方式通常是針對特定情況而專門定制的，這導致了制造過程中將出現(xiàn)大量的耦合，系統(tǒng)的靈活性受到極大的影響。例如，在數(shù)控程序編制過程中，工藝人員通常將加工程序指定到特定的機床中，由于不同機床所使用的數(shù)控系統(tǒng)不同，數(shù)控程序無法直接移植到其他機床中使用，若當前機床上被指定的零件過多，則容易出現(xiàn)被加工零件需要等待，而其他機床處于空閑狀態(tài)的情況。

隨著制造系統(tǒng)智能化程度的不斷提升，智能加工與裝配中的數(shù)據將是基于統(tǒng)一的模型，不再針對特定系統(tǒng)或特定設備，這些數(shù)據可被制造系統(tǒng)中的所有主體所識別，并能夠通過自身的數(shù)據處理能力從中解析出具體的制造信息。例如，智能數(shù)控加工設備可能不再接收數(shù)控程序代碼，而是直接接收具有加工信息的三維模型，根據模型中定義的被加工需求，設備將自動生成最優(yōu)化的加工程序。這樣的優(yōu)勢在于：一方面，工藝設計人員不再需要指定特定機床，因此加工工藝數(shù)據具有通用性；另一方面，在機床內部生成的加工程序是最適合當前設備的加工代碼，進而可以實現(xiàn)真正的自適應加工。

0.2.2.3　智能制造車間

智能制造車間及生產線是產品制造的物理空間，其中的智能制造單元及制造裝備提供實際的加工能力。各智能制造單元間的協(xié)作與管控由智能管控及驅動系統(tǒng)實現(xiàn)。智能制造車間基本構成如圖0-5所示。

（1）車間中央管控系統(tǒng)。車間中央管控系統(tǒng)是智能加工與裝配的核心環(huán)節(jié)，主要負責制造過程的智能調度、制造指令的智能生成與按需配送等任務。在制造過程的智能調度方面，需根據車間生產任務，綜合分析車間內設備、工裝、毛料等制造資源，按照工藝類型及生產計劃等將生產任務實時分派到不同的生產線或制造單元，使制造過程中設備的利用率達到最高。在制造指令的智能生成與按需分配方面，面向車間內的生產線及生產設備，根據生產任務自動生成并優(yōu)化相應的加工指令、檢測指令、物料傳送指令等，并根據具體需求將其推送至加工設備、檢測裝備、物流系統(tǒng)等。

（2）智能生產線。智能生產線可實時存儲、提取、分析與處理工藝、工裝等各類制造數(shù)據，以及設備運行參數(shù)、運行狀態(tài)等過程數(shù)據，并能夠通過對數(shù)據的分析實時調整設備運行參數(shù)、監(jiān)測設備健康狀態(tài)等，并據此進行故障診斷、維護報警等行為，對于生產線內難以自動處理的情況，還可將其向上傳遞至車間中央管控系統(tǒng)。此外，生產線內不同的制造單元具有協(xié)同關系，可根據不同的生產需求對工裝、毛料、刀具、加工方案等進行實時優(yōu)化與重組，優(yōu)化配置生產線內各生產資源。

（3）智能制造裝備。從邏輯構成的角度，智能制造裝備由智能決策單元、總線接口、制造執(zhí)行單元、數(shù)據存儲單元、數(shù)據接口、人機交互接口以及其他輔助單元構成。其中，智能決策單元是智能設備的核心，負責設備運行過程中的流程控制、運行參數(shù)計算以及設備檢測維護等；總線接口負責接收車間總線中傳輸來的作業(yè)指令與數(shù)據，同時負責設備運行數(shù)據向車間總線的傳送。制造執(zhí)行單元由制造信息感知系統(tǒng)、制造指令執(zhí)行系統(tǒng)以及制造質量測量系統(tǒng)等構成；數(shù)據存儲單元用于存儲制造過程數(shù)據以及制造過程決策知識；數(shù)據接口分布于智能設備的各個組成模塊之間，用于封裝、傳送制造指令與數(shù)據；人機交互接口負責提供人與智能設備之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口；輔助單元主要是指刀具庫、一體化管控終端等。

（4）倉儲物流系統(tǒng)。智能制造車間中的倉儲物流系統(tǒng)主要涉及到AGV/RGV系統(tǒng)、碼垛機以及立體倉庫等。AGV/RGV系統(tǒng)主要包括地面控制系統(tǒng)及車載控制系統(tǒng)。其中，地面控制系統(tǒng)與車間中央管控系統(tǒng)實現(xiàn)集成，主要負責任務分配、車輛管理、交通管理及通信管理等，車載控制系統(tǒng)負責AGV/RGV單機的導航、導引、路徑選擇、車輛驅動及裝卸操作等。

碼垛機的控制系統(tǒng)是碼垛機研制中的關鍵。碼垛機控制系統(tǒng)主要是通過模塊化、層次化的控制軟件來實現(xiàn)碼垛機運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作時間的控制，以及碼垛機的故障診斷與安全維護等。

立體化倉庫由倉庫建筑體、貨架、托盤系統(tǒng)、碼垛機、托盤輸送機系統(tǒng)、倉儲管理與調度系統(tǒng)等組成。其中，倉儲管理與調度系統(tǒng)是立體倉庫的關鍵，主要負責倉儲優(yōu)化調度、物料出入庫、庫存管理等。