在過去的10年里，數(shù)字計算和通信的發(fā)展從根本上改變了制造工廠的運營模式。智能制造通過工業(yè)自動化與信息技術（IT）的融合，將很快提升工廠的生產靈活性，并可節(jié)約能源、保護環(huán)境、降低成本、提高質量和人身安全，從而使工廠的生產效率和質量得到大幅度的優(yōu)化提高。這種新興的智能制造技術正在經歷如下3個階段。

                              實現(xiàn)“中國制造2025”所需的關鍵技術
　　（1）第一階段——車間、企業(yè)集成

　　這是一種貫穿車間、跨越企業(yè)的全局制造業(yè)數(shù)據(jù)集成，將顯著改善成本、安全和環(huán)境的影響，具有重大的意義。

　　在這一階段，智能制造將工廠企業(yè)互連，更好地協(xié)調制造生產的各個階段，推進車間生產效率的提高。典型的制造車間使用信息技術、傳感器、智能電動機、電腦控制、生產管理軟件等來管理每個特定階段或生產過程的操作。然而，這僅僅解決了一個局部制造島的效率，并非全企業(yè)。

　　智能制造將整合這些制造島嶼，使整個工廠共享數(shù)據(jù)。機器收集的數(shù)據(jù)和人類智慧相互融合，推進了車間級優(yōu)化和企業(yè)范圍管理目標，包括經濟效益大幅增加、人身安全和環(huán)境可持續(xù)性的實現(xiàn)。這種“制造智能”的出現(xiàn)將開啟智能制造的第二階段。

　　（2）第二階段——從車間優(yōu)化到制造智能

　　這些數(shù)據(jù)配合先進計算機仿真和建模，將創(chuàng)建強大的“制造智能”，實現(xiàn)生產節(jié)拍的變化、柔性制造、最佳生產速度和更快的產品定制。

　　這一階段應用高性能計算平臺（云計算）連接各個工廠和企業(yè)，進行建模、仿真和數(shù)據(jù)集成，可以在整個工廠內建立更高水平的制造智能。為了節(jié)約能源、優(yōu)化產品的制造交付，整條生產線和全車間將實時、靈活改變運行速度，當然現(xiàn)在是不可行的。企業(yè)可以開發(fā)先進的模型并模擬生產流程，改善當前和未來的業(yè)務流程。例如，制造商能使用納米技術開發(fā)大量制造產品和設備的模型。納米技術是極端小型化高度復雜設備、系統(tǒng)和材料的發(fā)展產物。人們普遍預言：一場行業(yè)技術和行業(yè)的革新，需要更小、更強、更輕材料和強大精密設備。

　　（3）第三階段——制造知識重整市場秩序

　　隨著制造智能技術的進步，將激勵制造過程和產品創(chuàng)新，實現(xiàn)智能制造，顛覆主要市場秩序。

　　這一階段將廣泛應用信息技術來改變商業(yè)模式，消費者習慣的100多年的大規(guī)模生產工業(yè)供應鏈將完全顛覆。靈活可重構工廠和IT最優(yōu)化供應鏈將改變生產過程，允許制造商按個人需求定制產品，如同生產藥物特定劑量和配方一樣，客戶會“告訴”工廠生產什么樣式的汽車，構建什么功能的個人電腦，如何定制一款完美的牛仔褲……這種極富戲劇性的競爭力至關重要,越來越多的生產知識創(chuàng)新奠定了智能制造的第三階段。這些改變不會停留在量變層面上，它們將徹底改變游戲規(guī)則，使產品和工藝市場發(fā)生顛覆性變化。

　　智能制造與裝配的內涵

　　智能制造是一種高度網絡連接、知識驅動的制造模式，它優(yōu)化了企業(yè)全部業(yè)務和作業(yè)流程，可實現(xiàn)可持續(xù)生產力增長、能源可持續(xù)利用、高經濟效益目標。智能制造結合信息技術、工程技術和人類智慧，從根本上改變產品研發(fā)、制造、運輸和銷售過程，通過零排放、零事故制造提高人身安全、保護環(huán)境。

　　2007年，美國國家標準和技術研究院（NIST）主辦的裝配技術研討會第一次提出了智能裝配的概念。它側重于如何開發(fā)和集成智能工具，如傳感器、無線網絡、機器人、智能控制等，以便解決今天產品種類變化的強烈需求和后續(xù)生產制造的復雜性。智能裝配是一個生產工藝、人、設備和信息集成的概念，它使用虛擬和現(xiàn)實的方法來實現(xiàn)生產效率、交貨時間和制造敏捷性的顯著改善。智能裝配遠遠超出傳統(tǒng)的自動化和機械化范圍，它在工程和操作上挖掘人與機器有效協(xié)同作業(yè)潛力，集成了高技術、多學科團隊，具有自我集成和自適應裝配處理的能力。

　　智能裝配系統(tǒng)為工廠開創(chuàng)了一種分析、建議和應對生產環(huán)境的新模式。其中，傳感器起著關鍵的作用。傳感器將監(jiān)控每一個重要的操作參數(shù)，所有參數(shù)設置了控制限制，系統(tǒng)時刻評估裝配狀態(tài)，關注任何偏差的發(fā)生。

　　智能裝配環(huán)境以類似于人體的免疫系統(tǒng)方式運行，以一種非常有效的方式來應對沒有明顯癥狀的異常反應。智能裝配系統(tǒng)可以調整和適應生產環(huán)境的變化，如投入零部件的變化，最大的好處就是系統(tǒng)健壯性，以確保系統(tǒng)質量和生產能力。智能裝配基本單元雖然已經應用在一些生產制造系統(tǒng)之中，然而還需要進行更多的系統(tǒng)頂層研究，實現(xiàn)機器和子系統(tǒng)協(xié)同工作。在智能裝配中，一是加強虛擬能力實時能力，二是整合集成產品流程、工藝流程、信息流程等3大流程，這些決定了智能裝配的成敗。

　　波音公司目前正在基于智能裝配理念來實施網絡化制造和操作（NEMO）創(chuàng)新計劃，它仿照了美國陸軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)項目。該計劃的目標是將戰(zhàn)場上最先進的技術，如“態(tài)勢感知”技術引入到飛機裝配生產線中。智能工具和傳感器是NEMO的第一層。目前，多項技術已經應用在波音737和波音787的裝配流程中，如密封膠固化監(jiān)控。另外，制孔和安裝工具也已配備了傳感器，可以監(jiān)測用戶身份驗證、設置信息、校準狀態(tài)和互動進/退功能。

　　此外，波音公司還將NEMO技術應用于一些軍事項目，如檢查F/A-18戰(zhàn)斗機的線包。波音公司的工程師們還設想了一個廣泛的系統(tǒng)，在不久的將來實現(xiàn)數(shù)字化設計工具和無線生產現(xiàn)場系統(tǒng)之間運動信息的自動化。智能裝配應用于這些過程，公司將專注于開發(fā)智能工具，它不需要操作者為一個特定的操作設定界限或扭矩。未來，波音飛機的裝配工作指令將直接投射到機翼或機身上，傳感器嵌入在緊固件連接的工具中，將指導裝配工人作業(yè)。與此同時，投射到飛機上的激光圖像會自動告訴工人零件的準確定位點或邊界，數(shù)字電子測量和檢驗系統(tǒng)將監(jiān)測傳播裝配過程各個方面的在線信息。例如，傳感器將不斷監(jiān)控緊固連接工具、點膠設備、工裝、夾具和其他生產設備的性能狀態(tài)。在未來10年內，波音公司計劃擴大NEMO范圍，將客戶/供應商與工程師和裝配工廠連接起來。
智能制造中的關鍵技術

　　要實現(xiàn)一個生產系統(tǒng)的智能制造，必須在信息實時自動化識別處理、無線傳感器網絡、信息物理融合系統(tǒng)、網絡安全等方面得到突破，這其中涉及到如下智能制造的關鍵技術。

　　1射頻識別技術

　　射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）技術又稱為無線射頻識別，是一種無線通信技術，可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間進行機械或光學接觸。常用的無線射頻有低頻（125~134.2kHz）、高頻（13.56MHz）和超高頻3種，而RFID讀寫器分為移動和固定式兩種。射頻識別是一種自動識別技術，它將小型的無線設備貼在物件表面，并采用RFID閱讀器進行自動的遠距離讀取，提供了一種精確、自動、快速的記錄和收集目標的工具。

　　20世紀八九十年代，RFID技術實現(xiàn)了樓宇人員和車輛的進出控制、道路收費站的自動收費、動物跟蹤，以及生產資料進庫和出庫的自動跟蹤倉儲等。目前，該技術還廣泛應用于供應鏈管理、在制品制造、資產管理、安全訪問控制、消費應用等方面（表1）。

　  隨著射頻識別技術的巨大進步，RFID成為了業(yè)務流程精益化的基本使能器，可以減少生產庫存，提高生產效率和質量，從而提高制造企業(yè)的競爭力。早在2000年，空客公司就認識到這種技術優(yōu)勢，應用RFID技術與各大航空公司進行工具租賃業(yè)務。到2006年，空客有15個項目的贏利都得益于RFID技術。然而，要實現(xiàn)整個公司利益最大化，需要采用協(xié)調的方法來避免重復性勞動，達到協(xié)同效應最大化。因此，到2007年，空客決定在全公司范圍內使用零件序列化的自動識別技術（包括RFID），增加飛機全生命周期的可視化，這被稱為價值鏈可視化（VCV）計劃（圖1），空客公司則稱之為“空客業(yè)務雷達”。RFID技術成為簡化業(yè)務流程、降低庫存和提高經營活動效率與質量的強大武器，大大提高了企業(yè)競爭優(yōu)勢。

    新一代RFID芯片除了天線端口外，還提供了一條I2C總線連接，因此可以直接連接到微控制器和ASIC上。這就意味著它為后續(xù)的用戶化功能定制開辟了新的道路，可以向最終用戶提供多樣化的服務，如采用藍牙通信協(xié)議的RFID可以使用普通手機作為RFID閱讀器。此外，這種I2C技術還可以連接上各種傳感器，構成簡單的無線傳感器網絡。

　　2實時定位系統(tǒng)

　　在實際生產制造現(xiàn)場，需要對多種材料、零件、工具、設備等資產進行實時跟蹤管理；在制造的某個階段，材料、零件、工具等需要及時到位和撤離；生產過程中，需要監(jiān)視在制品的位置行蹤，以及材料、零件、工具的存放位置等。這樣，在生產系統(tǒng)中需要建立一個實時定位網絡系統(tǒng)，以完成生產全程中角色的實時位置跟蹤。

　　實時定位系統(tǒng)（RealTimeLocationSystem，RTLS）由無線信號接收傳感器和標簽無線信號發(fā)射器等組成。一般地，被跟蹤目標貼上有源RFID標簽，在室內布置3個以上閱讀器天線，使用有源RFID標簽來發(fā)現(xiàn)目標位置；3個閱讀器天線接收到標簽的廣播信號，每個信號將接收時間傳遞到一個軟件系統(tǒng)，使用三角測量來計算目標位置。

　　RTLS通常建在一個建筑物內或室外識別和實時跟蹤對象的位置。RTLS通常不包括GPS、手機跟蹤或只使用被動RFID跟蹤的系統(tǒng)。RTLS的物理層技術通常是某種形式的射頻（RF）通信，但一些系統(tǒng)使用了光學（通常是紅外）或聲（通常是超聲波）技術代替了無線射頻。標簽和固定參考點可以布置發(fā)射器和接收器，或兩者兼而有之。

    目前，室內實時定位系統(tǒng)通常采用超聲、紅外、超寬帶（UWB）、窄頻帶等技術，在帶寬、精度、墻體穿透性、抗干擾能力等方面存在各自的特點，其技術性能見表2。從表中可以看出超寬帶的綜合性能最優(yōu)，所以在許多生產制造現(xiàn)場廣泛采用了基于超寬帶的實時定位系統(tǒng)。