本书从研发的思想出发，介绍智能制造涉及的多个关键技术，包含智能建模、智能优化、智能仿真、智能编程、智能维护、智能制造可靠性、智能物流等多方面内容。本书重点突出智能制造的系统性及其理论方法与应用的可操作性。书中给出大量应用实例及其测试数据和测试过程，以供读者参考。

本书具有一定的理论深度，涉及的知识面较广，但在编写时也兼顾了初学者，可作为高等院校相关专业高年级本科生及研究生的教材，也可作为智能制造行业的科研或工程技术人员的参考书。

FOREWORD

目前，人类的生产发展已步入智能制造时代，其中，制造装备的智能化是一个重要的发展方向。交流伺服塔式平板成型加工中心（成型CNC，简称FCNC）作为数控制造的主流制造装备集成了机械、电子、材料、信息等多个领域的知识，是众多技术的综合体，具有制造功能强大、使用性能优越、应用范围广泛的特点。本书将以FCNC为例，基于智能制造的智能方法、控制原理以及智能应用等针对模型辨识、加工的智能设计、智能运动控制、智能编程方法、智能维修维护以及智能物料（流）等内容进行介绍。

本书内容主要如下。

一种自动辨识建模方法。模型是解决系统工程问题的基础工具，本书介绍了一种自动辨识建模方法，旨在解决系统模型化问题，保证系统与模型的一致性和完整性，为智能制造奠定基础。此方法通过对系统组成单元及其单元关系进行辨识，提炼模型的结构性数据，自动形成系统模型。模型采用图论作为系统（工业系统、装备系统等）的表达形式。研究还对模型单元进行规则性编码，并根据系统特性定义模型辨识函数。

一种智能制造设计方法。它是一种基于哈密尔顿图的制造过程优化方法，其实质是确定产品加工方案。由于产品批量连续加工的复杂性以及制造过程的多因素，方案仅依靠人工制定几乎不可能完成，因此，保障装备正常高效生产的方法就显得尤为重要。研究发现，多工序的连续加工能形成指数级个数的加工方案，非常类似于一个哈密尔顿图，因此，本书将介绍一种基于哈密尔顿图的制造过程优化方法，以寻找最佳加工方案，此方案能够满足智能制造过程的高效和低耗损要求。

智能控制与仿真技术。本书将在传统加工中心伺服运动精度的PID控制的基础上结合仿真技术进行研究，研究参数整定校正方法，如试凑法和ZieglerNichols法等，找出参数调整与误差的作用关系。通过对PID控制参数的研究实现加工过程的智能误差补偿，提高加工精度。真实的物理实验非常费时和费料，本书使用MATLAB工具进行智能仿真，实现智能方法下加工精度的提升。

智能编程方法。通过智能感知与辨识实现FCNC加工的自动编程方法，以CNC加工的CAD／CAM图形为基础进行制造的机加编程，减轻传统的人工编制图形代码的编码强度和难度。通过人机交互提供最小制造信息集给FCNC，FCNC利用自动编程算法以及前面的智能制造方案设计方法自动编制程序，并自行组织加工生产的过程。另外，本书提供CAD／CAM的数据导入并生成CNC机加代码的功能，通过这种简单的“单击选择”操作实现NC的自动编程，实现装备制造过程的智能化。

智能维护维修技术。它是基于大数据的制造系统维修维护方法。现代大型机电系统的组成结构越来越复杂，智能化程度越来越高，制造能力越来越强，但系统的维修维护工作却越来越困难。为此，本书介绍了大数据结构化与数据驱动的复杂系统维修决策方法，通过有效利用信息技术获取的各类大数据，基于AHP的思想进一步进行大数据结构化，并依次建立系统维修的各个层级模型，提取支持系统维修的数据变量，提炼各层级变量的表达函数。为了实现数据驱动的维护决策技术，在模型和函数上定义数据状态块矩阵以及基于矩阵的运算方法，实现维修决策的数据驱动，最后通过一个具体的例子说明提出方法的可用性以及满足设备维修决策的建设目标，即维修方法的经济性、高效性与实用性。

智能制造——成型CNC技术智能制造的可靠性。目前，机电系统变得越来越复杂，其关重部件的质量对整个系统的可靠性起着至关重要的作用。结合经济性方面的考虑，冗余配置成为机电系统的一种重要的可靠性保障方法，然而冗余配置对系统可靠性的提升却没有一个较好的度量方法，造成了许多过度设计或配置不足的情况。为此，本书提出机电系统关重部件可靠性冗余配置方法的研究，为冗余系统的可靠性设计提供理论依据。本书定义了可靠熵的概念，通过对可靠熵的分析找出可靠性冗余配置最优值;研究和建立冗余系统的可靠性求解函数，对求解函数进行推导解析，找到可靠性函数的变化规律，并在此基础上进行可靠性冗余优化;研究可靠熵的仿真计算，验证提出方法的有效性，结果数据表明，提出的方法能够达到冗余系统可靠性指标的要求。

智能制造物流技术。现代企业生产是一个复杂的系统工程，涉及物料的供应、人员的组织、设备的准备、技术的支持等多方面的工作，这些工作及其内部彼此关联、相互制约、协同配合，任何一项工作或工作中的某个环节出现问题都会影响企业的正常生产，给企业带来不同程度的损失。那么，在上述诸多复杂因素相互影响的情况下，如何有效地组织资源、实现精益化生产、提高企业的核心竞争力是摆放在企业面前的一个难题。解决这些难题不仅需要科学的方法，同时也需要借助一定的技术手段。为此，本书介绍了基于BOM（Bill of Manufacturing）的MES（Manufacturing Execution System）智能制造物料（流）技术，这里的BOM代表使用的科学方法，MES代表研究项目所借助的技术手段，即通过信息化、智能化的方法保证和实现企业生产的有序与高效。本书的研究与开发旨在有效地组织生产，提高加工效率，并在保证生产质量的前提下满足企业的经济效益，最终成果将工程化为一套融合多种技术于一体的信息化软件系统，此系统可应用于实际生产并指导生产，满足经济快捷的物流目标要求。另外，基于BOM的MES研究与开发也是规模企业生产中的共性问题，此项研究与开发能够广泛应用于不同的生产制造行业，具有重要的现实意义。

本书的撰写和出版受到了多方的支持和资助，包括国家自然科学基金青年基金项目（项目编号: 51807107），题为《大规模电池储能系统机理分析及其可靠性优化研究》；海南省自然科学基金重点项目（项目编号: 60MS060），题为《复杂网络理论持比及其优化应用研究》；教育部“新工科”研究与实践项目（项目编号: EJSJRJ20201333）。

由于作者水平有限，本书难免存在不妥之处，敬请广大读者批评指正。

作者

2021年10月

第1章绪论1

1.1背景意义1

1.2智能制造的发展与研究现状4

1.2.1智能制造的产生4

1.2.2智能制造的现状5

1.2.3智能制造存在的问题9

1.3研究的主要工作10第2章智能制造的概念及其关键技术14

2.1制造装备的情况介绍14

2.1.1制造装备的发展现状14

2.1.2数控装备的目标需求14

2.2制造设备的系统设计15

2.2.1CNC的物理结构15

2.2.2软件系统19

2.2.3运动特征参数与性能测试方法20

2.2.4CNC系统结构26

2.2.5CNC的消噪技术28

2.3智能制造的关键技术34

2.4本章小结35第3章智能建模技术36

3.1系统建模概述36

3.1.1相关概念36

3.1.2建模内容38

3.2系统建模方法39

3.2.1系统建模现状39

3.2.2系统结构建模40

3.2.3系统图模型44

3.2.4层次分析模型45

3.2.5聚类分析模型48

3.2.6系统模拟模型50

3.3辨识模型描述51

3.3.1辨识模型51

3.3.2模型编码52

3.4系统辨识建模53

3.4.1系统辨识分析54

3.4.2辨识建模实现54

3.4.3辨识建模算法56

3.5应用例子58

3.6本章小结59智能制造——成型CNC技术第4章智能优化技术60

4.1智能制造的优化背景60

4.2智能制造过程描述61

4.2.1制造过程建模分析61

4.2.2运动参数与其效率的影响关系63

4.3制造过程优化设计65

4.3.1运动优化理论基础65

4.3.2制造过程的优化方法66

4.3.3编制智能优化程序67

4.4应用说明68

4.4.1例子算法分析68

4.4.2算法求解69

4.4.3结果分析73

4.5本章小结74第5章智能仿真技术75

5.1加工运动的情况介绍75

5.1.1研究背景75

5.1.2PID控制76

5.2加工运动系统分析77

5.2.1数控加工伺服系统概述77

5.2.2交流伺服系统78

5.3往复循环运动模型79

5.3.1运动分析79

5.3.2PID的控制模型80

5.4控制方法与参数分析81

5.4.1PID试凑法81

5.4.2ZieglerNichols参数整定法86

5.5运动精度仿真89

5.5.1伺服运动控制背景介绍89

5.5.2运动控制仿真分析91

5.6往复运动的MATLAB仿真实现95

5.6.1PID控制仿真实现和仿真结果分析95

5.6.2ZieglerNichols整定法的仿真与分析100

5.7本章小结103第6章智能自动编程104

6.1NC自动编程技术概述104

6.1.1自动编程简介104

6.1.2自动编程的发展107

6.1.3自动编程的未来108

6.2自动编程系统结构109

6.2.1人机接口系统111

6.2.2智能计算中心112

6.2.3数据与知识库系统119

6.2.4自动编程技术122

6.2.5接口通信与运动控制125

6.3自动编程实现技术126

6.3.1自动编程流程126

6.3.2图形数据的处理127

6.4应用实例130

6.5本章小结131第7章智能维护技术132

7.1背景介绍132

7.2大数据结构化134

7.2.1AHP建模134

7.2.2数据定义134

7.3数据驱动模型设计137

7.3.1AHP数据驱动137

7.3.2AHP与数据驱动的迭代139

7.4应用说明141

7.4.1系统描述141

7.4.2大数据结构化的构建142

7.4.3数据驱动算子及应用143

7.5技术对比147

7.6本章小结149第8章智能制造可靠性技术150

8.1可靠性技术背景150

8.2可靠性技术的产生152

8.2.1可靠性的起源152

8.2.2可靠性工程的发展阶段153

8.3可靠性技术的相关知识153

8.3.1可靠性的定义153

8.3.2可靠性度量指标154

8.3.3常用概率分布156

8.3.4系统可靠性160

8.3.5可靠性设计160

8.3.6过程FMEA实例163

8.3.7系统可靠性的相关研究164

8.4可靠性冗余概述165

8.5可靠性冗余技术166

8.5.1冗余系统可靠性计算166

8.5.2冗余系统可靠熵的计算168

8.6例子分析169

8.6.1例子说明169

8.6.2结果分析170

8.7本章小结171第9章智能物流技术172

9.1背景意义172

9.1.1研究背景172

9.1.2研究意义175

9.2技术现状175

9.2.1制造物流研究内容175

9.2.2智能算法研究现状177

9.3基于BOM的物流技术178

9.3.1BOM物流介绍179

9.3.2国内外的研究179

9.4BOM物流的关键技术内容180

9.4.1技术内容180

9.4.2技术的关键问题181

9.5BOM物流技术的实现方法181

9.5.1层次分析法的BOM物流模型181

9.5.2模糊库存确定法182

9.5.3基于BOM的MES平台183

9.5.4市场价值与风险分析184

9.6前景理论的物流技术185

9.6.1前景理论物流介绍185

9.6.2现代物流的特征与配置方法186

9.6.3物流指标191

9.6.4物流建模193

9.6.5量化方法194

9.7本章小结196第10章智能制造系统测试197

10.1系统测试的总体介绍197

10.1.1系统的体系结构197

10.1.2装备的性能要求199

10.2系统硬件测试199

10.2.1系统硬件安装199

10.2.2硬件连接测试201

10.2.3系统的初始化201

10.3PLC的程序调试202

10.3.1PLC应用程序202

10.3.2用户报警202

10.4系统驱动器的调试204

10.5NC程序测试205

10.5.1基础参数设置205

10.5.2功能调试206

10.6本章小结212第11章结论213

11.1研究结论213

11.2下一步的研究工作214参考文献216

目前，人类生产发展到了智能制造时代，其中制造装备智能化是一个重要的发展方向。交流伺服塔式平板成型加工中心（即成型CNC，简称FCNC）作为数控制造的一种主流制造装备，它集成了机械、电子、材料、信息等多个领域的知识，是众多技术的综合体，具有制造功能强大，使用性能优越，应用范围广泛的特点。本书将以FCNC为例，基于智能制造的智能方法、控制原理以及智能应用等展开模型辨识、加工的智能设计、智能运动控制、智能编程方法、智能维修维护以及智能物料（流）等内容的介绍。

韩中，男，汉族，副教授，高校教师。毕业于西安交通大学自动化专业，工学博士（后），曾赴美留学，学习复杂系统可靠性与安全性技术。目前主要从事智能科学技术学科的教学和科研工作。研究方向为智能系统与智能装备、复杂系统可靠安全性研究、故障诊断、大数据等。在国内外公开发表学术论文30余篇，其中被SCI、EI收录十五篇，主持参与国家级、省部级项目十多项，其中主持项目4项，参与国家863项目3项、重大项目3项、重点项目2项。科研上获得省部级奖励1项，教学上获得省部级荣誉3项。