智能制造装备基础

本书内容主要围绕智能装备基础共性特征，智能传感、智能控制、智能驱动等共性技术和智能装备单元技术、智能装备整机技术以及智能装备集成技术展开，以问题为导向，理论和实践相结合，由校企合作编写完成，着重于为学生者构建本领域相关知识的核心基础知识和学习引导体系。

 

本教材内容主要围绕智能装备基础共性特征，智能传感、智能控制、智能驱动等共性技术和智能装备单元技术、智能装备整机技术以及智能装备集成技术展开。本教材以问题为导向，理论和实践相结合，由校企合作编写完成，着重于为学生者构建本领域相关知识的核心基础知识和学习引导体系。本教材主要用于智能制造工程等专业本科大学生研究性和应用型人才培养，以及作为相关工程技术人才的参考书籍。本教材围绕智能装备基础共性技术，以问题为导向，理论和实践相结合，侧重相关技术原理与工程应用案例的分析，构建智能装备领域学生和工程技术人才的学习引导体系。本教材通过校企合作，将工程实际应用引入教材体系，为研究性和应用人人才培养提供指导性授课教材。

吴玉厚，博士/教授/博士生导师 国务院特殊津贴获得者，国家教育机械类专业教学指导委员会副主任委员，“机械设计与制造系列课程”国家级教学团队负责人，中国机械工程学会生产工程分会常务理事，“高端数控加工装备”国家（地方）联合工程实验室主任，辽宁省“攀登学者计划”，辽宁省优秀专家，辽宁省首批领军人才，沈阳市十大科技英才，辽宁省劳动模范，科研成果先后获国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，中国专利金奖1项等。

第1章绪论

1．1智能制造装备发展概述

1．1．1智能制造装备发展内因

1．1．2智能制造装备发展外因

1．1．3智能制造与装备发展路径

1．2智能制造装备的内涵

1．2．1机械制造装备的发展过程

1．2．2智能制造装备定义与特征

1．2．3智能制造与装备发展的基本范式

1．3智能制造装备基本系统

1．3．1智能制造装备的分类

1．3．2智能制造装备关键问题

1．3．3智能制造装备主要技术

1．4本书的主要目标和内容

习题

参考文献

第2章智能感知系统

2．1智能感知技术概述

2．1．1智能感知技术的定义

2．1．2智能感知技术与人工智能的关系

2．1．3智能感知技术的特点和关键技术

2．1．4智能感知技术应用

2．2内部感知器

2．2．1位置感知

2．2．2速度感知

2．2．3加速度感知

2．2．4倾角感知

2．2．5力觉感知

2．3外部感知器

2．3．1视觉感知

2．3．2触觉感知

2．3．3接近度感知

2．3．4超声波感知

2．3．5电磁感知

2．4新型感知技术

2．4．1位姿感知

2．4．2柔性感知

2．4．3工件识别感知

2．5多传感器信息融合

2．5．1多传感器数据融合目标和多物理域信息获取及其作用

2．5．2数据融合的层次结构和决策层融合

2．5．3数据融合的体系结构

2．5．4数据融合的分类与特点

2．5．5数据融合存在的问题

2．5．6多传感器数据融合智能故障诊断策略

2．5．7无线多传感器网络

习题

参考文献

第3章智能控制系统技术

3．1智能控制硬件系统

3．1．1PLC/PAC系统技术

3．1．2DCS集散控制系统技术

3．1．3FCS过程控制系统技术

3．2人机交互系统

3．2．1人机交互系统功能

3．2．2人机交互系统组成

3．2．3新型人机交互系统

3．3智能控制算法

3．3．1智能控制问题概述

3．3．2典型智能控制算法

3．3．3人工智能算法

3．3．4智能控制发展趋势

3．4智能运维与管理

3．4．1机械状态监测与故障诊断

3．4．2典型故障机理分析

3．4．3故障识别与诊断

3．4．4设备安全智能监控

3．4．5基于多传感器数据融合的机械系统故障诊断

3．4．6旋转机械转子智能运维算例

习题

参考文献

第4章智能驱动与执行

4．1智能驱动原理

4．1．1智能驱动系统概述

4．1．2直流伺服电动机及控制原理

4．1．3交流伺服电动机及控制原理

4．1．4步进伺服系统及控制原理

4．1．5新型微动伺服驱动系统

4．2变频驱动控制原理

4．2．1变频器与伺服驱动器

4．2．2PWM变频原理

4．2．3变频器的主电路

4．2．4变频器的控制电路

4．2．5智能驱动器应用及其发展趋势

4．3伺服驱动系统特性

4．3．1时间响应特性

4．3．2频率响应特性

4．3．3稳定性分析

4．3．4快速性分析

4．3．5驱动系统精度与刚度

习题

参考文献

第5章智能制造装备单元技术

5．1智能制造装备数控系统

5．1．1智能制造装备数控系统的组成

5．1．2数控装备智能编程与工艺优化

5．1．3数控装备加工系统数字孪生

5．1．4智能制造装备数控系统云服务

5．2智能电主轴单元技术

5．2．1智能电主轴热预测方法

5．2．2主轴系统在线平衡

5．3智能刀具系统技术

5．3．1刀具磨损的时变性与复合性

5．3．2切削力信号监测

5．3．3声发射信号监测

5．3．4刀具磨损预测与寿命管理

习题

参考文献

第6章智能制造装备集成技术

6．1智能数控车床

6．1．1智能数控车床特征

6．1．2典型智能车削加工中心案例

6．2智能数控加工中心

6．2．1智能数控加工中心特征

6．2．2智能数控加工中心误差补偿

6．2．3智能数控加工中心振动抑制

6．2．4智能数控加工中心的伺服驱动优化

6．2．5智能数控加工中心可靠性控制技术

6．2．6典型智能数控加工中心案例

6．3增材制造

6．3．1增材制造基本原理

6．3．2增材制造关键技术

6．3．3增材制造过程的数字化

6．3．4神经网络在增材制造中的应用

6．4工业机器人 

6．4．1工业机器人系统组成及性能指标

6．4．2工业机器人的控制

6．4．3工业机器人分类及集成技术发展

习题

参考文献

第7章智能制造装备系统集成

7．1智能制造生产线

7．1．1智能生产线总体布局

7．1．2机床控制器的控制层级

7．1．3数控机床全生命周期管理服务平台

7．1．4数字化生产线系统集成

7．1．5典型流程装备生产线案例

7．2智能制造柔性系统

7．2．1开放式柔性数控系统集成

7．2．2智能制造柔性系统在线监控

7．2．3智能制造柔性系统的可靠性技术

7．2．4智能制造柔性系统评价

7．3流程工业的智能化

7．3．1流程工业的智能化内涵与特征

7．3．2流程工业智能化核心问题

7．3．3流程工业智能化新模式

7．3．4流程工业智能化生产案例

7．4智能化生产车间与工厂

7．4．1智能工厂与车间系统组成

7．4．2数字化工厂与车间的建设及规划

7．4．3智能工厂在线监控

7．4．4智能工厂能效管理

习题

参考文献

 

制造业是立国之本、强国之基，以智能制造为主攻方向推动产业技术变革和优化升级，促进我国产业迈向全球价值链中高端是新时代中国工业发展的新方向。智能制造的根本在于制造，关键在于通过智能技术推动产业技术创新，推动社会生产力发展和满足人民日益增长的美好生活需要。

随着人们对生产能力、生产质量和生产效率的要求更高，无论是离散型制造行业还是流程型工业产业，在生产中都碰到了越来越多传统工艺和成熟经验无法解决的制造问题。如极端制造、超精密加工、高速高效加工以及考虑可持续发展的绿色制造问题等，需要更多的脑力劳动来决策。智能制造的作用已不仅是优化“已知的”“确定的”和“结构化”的生产制造问题，更重要的作用是解决那些“未知的”“不确定的”和“非结构化”的生产制造问题，而制造装备的智能化是实现智能制造发展的前提和基础。

智能制造装备是指具有感知、分析、推理、决策、控制功能的制造装备，它是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成与深度融合。智能制造装备通过模拟人的体力和脑力劳动过程，实现工业生产过程的智能化，大幅降低劳动者的体力和部分脑力劳动，帮助劳动者创造更大的价值。智能制造装备融合了先进制造技术、数字控制技术、现代传感技术以及人工智能技术，具有感知、学习、决策、执行等功能，是实现高效、高品质、节能环保和安全可靠生产的下一代制造装备。智能制造装备是传统制造产业升级改造，实现生产过程自动化、智能化、精密化、绿色化的有力工具，是培育和发展战略性新兴产业的重要支撑，也是衡量一个国家工业化水平的重要标志。

人才培养是实现智能制造的关键，是实现制造强国的基础。在教育高等学校机械类专业教学指导委员会的指导下，李培根院士和雒建斌院士等牵头开展了智能制造系列教材的规划和编写工作。其中《智能制造概论》是这套系列教材的灵魂，《制造智能技术基础》《智能制造装备基础》《数据技术基础》和《工业互联网基础》是这套系列教材的主干。在此基础上，围绕“制造技术智能”“智能产品开发”“智能生产决策”“智能制造服务”“智能商业供给”等领域，形成了面向多样化人才培养需求的系列化、模块化的教学教程。本书作为系列教材的主干之一，同时包含了“智能传感与检测”“智能设计”“机器人技术”“增材制造”等多学科的专业知识。

编写本书主要意在使学生掌握智能制造装备智能感知、智能控制、智能驱动等基本概念和基础知识、核心技术，理解智能制造装备数字化、网络化、智能化发展路径，掌握智能制造装备设计规划、研究分析、模拟仿真或实践应用的能力，具备利用人信息物理系统(humancyberphysical systems,HCPS)开展研究的能力，培养学生探索问题、创新和学习的能力。

本书共分7章。第1章主要包括智能制造装备发展概述、内涵、基本系统和本书的主要目标和内容等内容； 第2章主要包括智能感知技术概述、常用感知器系统、多传感器信息融合等内容，重点在多传感器信息融合部分； 第3章主要包括智能控制硬件系统、人机交互系统、智能控制算法、智能运维与管理等内容； 第4章主要包括智能驱动原理、变频驱动控制原理和伺服驱动系统特性； 第5章主要包括智能制造装备数控系统、智能电主轴单元技术、智能刀具系统技术等内容； 第6章主要包括智能数控车床、智能数控加工中心、增材制造和工业机器人等内容； 第7章主要包括智能制造生产线、智能制造柔性系统、流程工业的智能化以及智能化生产车间与工厂。

本书的编写，参考了中华人民共和国人力资源和社会保障部与中华人民共和国工业和信息化部制定的国家职业技术技能标准《智能制造工程技术人员（2021年版）》和中国工程教育专业认证协会发布的团体标准《工程教育认证标准》。编写的过程中，始终坚持“三好”的编写原则，即： “学生好用”，注重通过对工程问题的探索培养学生的兴趣，通过专业知识图谱，构建导学引入、例题解析、案例分析、习题提升的学习途径； “教师好教”，明确了课程教学目标，规划了教学要求，提供了教学参考材料，完善和丰富了课程教学资源和考核样例； “教学好用”，对于教辅人员和工程技术人员而言，本书提供了关键知识节点和关联、知识索引、参考资料和实验案例等内容。

本书的编写组主要由来自高校的学者和企业的工程师构成。编写组成员有： 沈阳建筑大学吴玉厚教授、东北大学巩亚东教授、上海交通大学陈关龙教授、沈阳工业大学张珂教授、沈阳建筑大学赵德宏教授、原沈阳机床股份有限公司刘春时教授级高级工程师。其余编写人员包括： 张丽秀、李颂华、石怀涛、安冬、杨光、赵元、谭智、刘业峰、张丽丽、岳国栋、高强、闫广宇、俞明富、王贺、邵萌等。在本书编写过程中得到了通用技术沈阳机床股份有限公司和合肥中科深谷科技发展有限公司等企业的大力支持，在此表示衷心的感谢！

感谢李培根院士在本书编写过程中给予的指导，感谢张秋玲编审对智能制造系列教材的推动，感谢清华大学出版社为此系列教材出版所作的贡献，感谢刘杨编辑为本书的出版所付出的努力。

鉴于作者对智能制造装备的理解和认识的局限，书中错误在所难免，敬请读者批评指正。

2021年12月