智能制造技术（周庆辉）

本书主要介绍了智能制造的概念和发展现状，智能制造模式、技术体系与技术特征，智能设计技术，智能制造工艺，智能制造信息技术，智能监测、诊断与控制，智能制造系统，智能制造装备，智能工厂等相关知识。本书各章章首以思维导图的方式给出了知识框架，便于读者直观地了解各章内容体系；配套了课件、习题答案等电子资源，读者可扫描封底和每章末的二维码查看。本书旨在帮助读者了解智能制造的相关概念和原理，进一步掌握智能制造内涵和发展，助力智能制造应用型人才的培养。本书可作为高等院校智能制造及相关专业的教材，也可供智能制造相关领域的技术人员参考。

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第1章　智能制造概述 1
1.1　智能制造及相关概念 3
1.1.1　智能制造的定义 3
1.1.2　智能制造技术 3
1.1.3　智能制造系统 4
1.2　智能制造的发展 4
1.2.1　智能制造的发展现状 4
1.2.2　智能制造的发展趋势 6
1.3　智能制造模式和技术体系 8
1.3.1　协同制造模式 9
1.3.2　流程型智能制造 9
1.3.3　远程运维服务模式 10
1.4　智能制造技术特征 11
1.4.1　自动化制造 11
1.4.2　智能化制造 12
1.4.3　网络化制造 13
本章小结 13
思考题 13

第2章　智能设计技术 14
2.1　数字化设计 14
2.1.1　物理工厂数字化 15
2.1.2　系统能力可视化 16
2.1.3　展望工业元宇宙 17
2.2　智能CAD系统及设计方法 18
2.2.1　智能设计产生与发展 18
2.2.2　智能设计层次 19
2.2.3　智能设计特点 19
2.2.4  设计方法 20
2.2.5　智能CAD系统的开发途径 24
2.3　基于数字孪生的产品设计与虚拟样机 25
2.3.1　数字孪生的概念 25
2.3.2　数字孪生技术 26
2.3.3　数字孪生与机电一体化概念设计 27
2.3.4　虚拟样机技术 29
本章小结 36
思考题 36

第3章　智能制造工艺 38
3.1　数控加工工艺 39
3.1.1　数控加工工艺介绍 39
3.1.2　车削加工工艺 40
3.1.3　加工中心加工工艺 46
3.2　智能加工工艺 50
3.2.1　智能切削技术的内涵与流程 50
3.2.2　智能切削加工过程中的关键技术 52
3.2.3　智能加工技术在切削过程中的应用 66
3.3　制造加工过程的智能预测 70
3.3.1　智能预测系统 70
3.3.2　基于加工误差传递网络的工序质量智能预测 72
3.3.3　基于磨削的智能预测系统 74
3.4　智能制造数据库及其建模 76
3.4.1　数据库基础知识 76
3.4.2　概念模型与E-R图 79
3.4.3　概念模型和逻辑模型的转换规则及实例 79
3.4.4　关系模型与关系规范化理论 81
3.4.5　数据库设计过程 81
本章小结 82
思考题 83

第4章　智能制造信息技术 84
4.1　云计算与大数据 85
4.1.1　云计算的定义 85
4.1.2　云计算的分类 87
4.1.3　云计算与大数据的关系 88
4.1.4　云计算大数据平台的主要技术框架 88
4.2　工业物联网技术 90
4.2.1　物联网的定义 90
4.2.2　物联网的体系结构 90
4.2.3　工业物联网中的关键技术 91
4.2.4　工业物联网的应用 91
4.3　智能制造与信息物理系统 93
4.3.1　信息物理系统的定义 93
4.3.2　信息物理系统的体系结构 94
4.3.3　信息物理系统的特征 96
4.3.4　信息物理系统与智能制造 96
4.4　虚拟现实与人工智能技术 97
4.4.1　虚拟现实与人工智能的定义及特点 97
4.4.2　虚拟现实在智能制造中的应用 100
4.5　智能制造的信息安全技术 102
4.5.1　智能制造信息安全技术 102
4.5.2　智能制造中工控系统网络信息安全 103
4.5.3　智能制造中云安全与大数据安全 104
本章小结 104
思考题 105

第5章　智能监测、诊断与控制 106
5.1　概述 107
5.2　智能监测 108
5.2.1　智能传感器 108
5.2.2　智能终端 111
5.2.3　机器视觉 114
5.3　智能诊断 125
5.3.1　故障智能诊断的发展 125
5.3.2　故障智能诊断方法 126
5.3.3　智能制造系统的故障诊断 129
5.3.4　故障智能诊断案例 130
5.4　智能控制 136
5.4.1　智能控制的概念及发展 136
5.4.2　智能控制的研究工具 137
5.4.3　智能控制的主要控制形式 138
本章小结 140
思考题 141

第6章　智能制造系统 142
6.1　概述 143
6.2　智能制造系统体系架构 145
6.2.1　智能制造系统体系的总体架构 145
6.2.2　智能制造系统的特征 146
6.2.3　智能制造系统的优点 147
6.3　智能制造系统调度控制 147
6.3.1　流水排序调度算法 148
6.3.2　非流水排序调度算法 149
6.4　智能制造系统供应链管理 152
6.4.1　制造业供应链管理概念 152
6.4.2　智能供应链管理 153
6.4.3　多智能体在供应链中的应用 157
6.5　智能制造服务系统 160
6.5.1　智能服务系统 160
6.5.2　智能管理系统 161
本章小结 165
思考题 165

第7章　智能制造装备 166
7.1　概述 167
7.2　智能数控机床 168
7.2.1　智能数控机床关键技术 169
7.2.2　智能数控机床介绍 170
7.3　工业机器人 174
7.3.1　工业机器人的概念 175
7.3.2　工业机器人的发展 176
7.3.3　工业机器人的组成 176
7.3.4　工业机器人的分类和选用 181
7.4　3D打印装备 184
7.4.1　基本概念 184
7.4.2　常用3D打印的原理 185
7.4.3　3D打印的市场及应用 189
7.5　智能生产线 191
7.5.1　智能生产线简介 191
7.5.2　智能生产线的架构 192
7.5.3　智能生产线关键技术 193
7.5.4　智能生产线案例 194
7.6　智能物流 195
7.6.1　智能物流简介 195
7.6.2　智能物流的架构 196
7.6.3　智能物流关键技术 196
7.6.4　智能物流装备 197
本章小结 201
思考题 201

第8章　智能工厂 202
8.1　概述 203
8.2　制造执行系统（MES） 204
8.2.1　MES简介 204
8.2.2　MES分类 204
8.2.3　MES特点与功能 205
8.2.4　发展趋势 205
8.3　制造运营管理系统（MOM） 205
8.3.1　MOM简介 205
8.3.2　MOM工具特性和功能 206
8.3.3　MOM与MES的区别 206
8.3.4　MOM的发展 208
8.4　智能工厂 208
8.4.1　智能工厂的基本架构 208
8.4.2　智能工厂的信息系统架构 211
8.4.3　智能工厂的基本特征 212
8.4.4　数字化工厂案例 214
本章小结 217
思考题 217

参考文献 218

随着工业4.0浪潮的涌来，我国于2015年5月发布了《中国制造2025》，提出了以创新驱动为动力和引领、以工业强基和质量提升为基础、以智能制造为主攻方向、以绿色制造和服务型制造为侧翼的战略方针。力图在降低资源消耗、提高劳动生产率、减少对环境的影响、增强技术创新能力、优化产业结构、改善生产组织、加快信息化融合、扩大国际合作等方面，促进中国制造业转型升级、提升产业竞争力，从而迈入世界制造强国行列。
为适应我国对高等学校智能制造应用型人才培养的需要，配合新形态教材的改革要求，编写了本教材，将纸质版教材和多媒体资源进行一体化打造。本教材适用于机械类及相近专业的本科生，同时也面向研究生。书中明确学生学习目标和学习程度，让学生可以从理论学习走向实际应用；通过扫描课本中的二维码，获取数字端电子资源，帮助学生理解重难点、拓展相关知识阅读；对重要概念、公式、原理等进行梳理，加深学生对知识的理解与掌握，也方便学生在期末复习。
智能制造技术作为一种新型的先进生产手段，在制造业中得到了广泛的应用。本书分析了我国智能制造发展现状，介绍了世界主要国家智能制造的发展战略，针对智能制造的发展趋势和目前存在的问题提出了相应的对策和建议。
全书共8章，各章节内容如下：
第1章　智能制造概述，主要介绍智能制造的概念和发展现状，智能制造模式、技术体系与技术特征；
第2章　智能设计技术，主要介绍数字化设计的概念和作用，智能CAD系统及设计方法，基于数字孪生技术的产品设计与虚拟样机；
第3章　智能制造工艺，主要针对数控加工工艺和智能加工工艺的概念和原理、关键技术和应用，制造加工过程的智能预测系统的概念和原理，智能制造数据库及其建模进行阐述；
第4章　智能制造信息技术，主要分析智能制造信息技术的内容和组成，功能和作用，包括云计算、工业物联网、信息物理系统、虚拟现实与人工智能、信息安全等；
第5章　智能监测、诊断与控制，主要介绍智能监测的概念和作用，智能诊断系统的组成及其功能，智能控制的原理和方法；
第6章　智能制造系统，主要阐述智能制造系统的背景、定义、特征、支撑技术和研究热点，智能制造系统的组成、功能、架构以及关键技术；
第7章　智能制造装备，主要介绍智能数控机床、工业机器人、3D打印装备、智能生产线等智能制造装备的概念、原理、分类、作用以及关键技术； 
第8章　智能工厂，主要介绍制造执行系统、制造运营管理系统的特点、功能和应用，以及智能工厂的基础知识和案例等。
本书以教学大纲为基础，按照教学大纲中设定的内容和体系组织教材内容。纸质版教材是承载知识系统的核心载体，按照学生学习过程的不同环节设计教材内容及配套资源。
本书由北京建筑大学周庆辉、沈阳工学院邢艳、沈阳工学院李云革编写。其中，第1章、第4章、第5章由周庆辉编写，第2章、第3章由李云革编写，第6章～第8章由邢艳编写。
感谢郑清春教授对本书内容提出的宝贵建议。本书难免有疏漏和不当之处，欢迎使用本教材的老师、同学和研究学者批评指正。

编著者