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譯者序
作者簡介
前言
導(dǎo)語——從計算機集成制造（CIM）到工業(yè)4.0

第1篇　智 能 工 廠
第1章商業(yè)模式的創(chuàng)新2
1.1從產(chǎn)品供應(yīng)商到解決方案提供商的轉(zhuǎn)型2
1.2數(shù)字孿生作為預(yù)測分析的基礎(chǔ)6
1.3通過新的創(chuàng)新流程引入新的商業(yè)模式和
客戶導(dǎo)向的創(chuàng)新類型8
1.4網(wǎng)絡(luò)式增值系統(tǒng)11
1.5協(xié)作平臺13
1.6轉(zhuǎn)型為工業(yè)4.0企業(yè)15
參考文獻17
第2章生產(chǎn)計劃與控制的變化21
2.1PPS概述21
2.2通過提供數(shù)據(jù)提高透明度和PPS的
效果22
2.3PPS任務(wù)的數(shù)字化潛力23
2.3.1生產(chǎn)計劃23
2.3.2訂單管理和訂單發(fā)送24
2.3.3二級需求規(guī)劃25
2.3.4外部采購粗略計劃和外部采購規(guī)劃25
2.3.5生產(chǎn)需求規(guī)劃27
2.3.6自產(chǎn)計劃27
2.3.7自產(chǎn)控制27
2.3.8庫存管理28
2.3.9生產(chǎn)控制29
2.4關(guān)于PPS 4.0的幾種說法30
參考文獻33
第3章未來生產(chǎn)中人的工作35
3.1工業(yè)4.0對員工的意義35
3.2基礎(chǔ)概念和模型37
3.2.1人-技術(shù)-組織（MTO）的概念37
3.2.2負(fù)荷-要求模型38
3.2.3輔助系統(tǒng)設(shè)計39
3.2.4系統(tǒng)人體工程學(xué)分析40
3.3工業(yè)4.0中生產(chǎn)員工的技能培訓(xùn)41
3.3.1由工業(yè)4.0帶來的生產(chǎn)工作的發(fā)展
趨勢41
3.3.2未來生產(chǎn)員工的特征42
3.3.3未來生產(chǎn)員工的培訓(xùn)需求44
3.4個性化的動態(tài)員工信息系統(tǒng)45
3.4.1員工信息系統(tǒng)概況46
3.4.2個性化的員工信息49
3.4.3動態(tài)的員工信息52
3.5人-機器人交互53
3.6人力資源管理54
3.6.1更強大的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化帶來的
影響55
3.6.2人口變化和價值觀變化帶來的影響56
3.6.3生產(chǎn)技術(shù)環(huán)境的影響57
3.6.4示例：為管理人員減輕認(rèn)知負(fù)擔(dān)58
參考文獻59
第4章工業(yè)4.0的數(shù)據(jù)、信息和
知識62
4.1云端的機器控制——自動化作為一種
服務(wù)62
4.1.1云平臺和云服務(wù)的導(dǎo)入62
4.1.2生產(chǎn)云的潛力63
4.1.3實現(xiàn)基于云的自動化途徑64
4.2大數(shù)據(jù)68
4.2.1定義68
4.2.2工具69
4.2.3應(yīng)用程序70
4.2.4可能的應(yīng)用70
4.3通信72
4.3.1生產(chǎn)通信技術(shù)：為工業(yè)4.0做
準(zhǔn)備72
4.3.2現(xiàn)場層面的通信73
4.3.3工廠中的無線通信74
4.3.4中間設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)：工廠間相互
聯(lián)網(wǎng)74
4.3.5觸覺互聯(lián)網(wǎng)的潛力75
參考文獻75
第5章工業(yè)4.0的網(wǎng)絡(luò)安全78
5.1動機78
5.2安全威脅和挑戰(zhàn)79
5.2.1工業(yè)4.0的特征79
5.2.2威脅80
5.2.3對網(wǎng)絡(luò)安全的要求81
5.3網(wǎng)絡(luò)安全：解決方案84
5.3.1安全指南84
5.3.2產(chǎn)品和專有技術(shù)保護85
5.3.3應(yīng)用程序的安全性88
5.3.4數(shù)據(jù)主權(quán)：工業(yè)數(shù)據(jù)空間90
5.4總結(jié)93
參考文獻94
第6章用于規(guī)劃和生產(chǎn)的組織、質(zhì)量及
IT系統(tǒng)96
6.1業(yè)務(wù)流程系統(tǒng)96
6.1.1用于業(yè)務(wù)流程規(guī)劃和生產(chǎn)的系統(tǒng)96
6.1.2規(guī)劃與排程的趨勢98
6.2組織和IT102
6.2.1規(guī)劃和運營組織102
6.2.2支持規(guī)劃和運營的信息物理系統(tǒng)102
6.3質(zhì)量和信息技術(shù)（IT）107
6.3.1計算機化的質(zhì)量108
6.3.2工業(yè)4.0背景下的趨勢110
6.3.3結(jié)論114
參考文獻114
第7章工業(yè)4.0工廠規(guī)劃方面118
7.1數(shù)字工廠的現(xiàn)狀與未來的發(fā)展118
7.1.1數(shù)字工廠的定義118
7.1.2數(shù)字工廠的方法和工具120
7.1.3數(shù)字工廠的優(yōu)勢122
7.2數(shù)字工廠對工業(yè)4.0工廠規(guī)劃的貢獻123
7.2.1運營分析124
7.2.2粗略規(guī)劃125
7.2.3精細(xì)規(guī)劃127
7.2.4執(zhí)行129
7.2.5運營、調(diào)整和適應(yīng)129
7.3總結(jié)與展望130
參考文獻131
第8章工業(yè)4.0的法律問題：框架
條件、挑戰(zhàn)和解決方案133
8.1采取行動的必要性133
8.2數(shù)據(jù)主權(quán)133
8.2.1概念上的保護方向133
8.2.2直接影響范圍內(nèi)的保護134
8.2.3知識產(chǎn)權(quán)135
8.2.4商業(yè)機密保護136
8.2.5通過軟件保護實現(xiàn)數(shù)據(jù)主權(quán)137
8.2.6數(shù)據(jù)所有權(quán)138
8.2.7小結(jié)138
8.3責(zé)任和合法交易139
8.3.1責(zé)任139
8.3.2法律行為141
8.4數(shù)據(jù)保護法141
8.4.1企業(yè)的共同決策142
8.4.2企業(yè)的基本要求142
8.4.3與第三方合作142
8.5IT安全法143
8.5.1IT安全法的范圍143
8.5.2對工業(yè)4.0的影響144
8.5.3BSI的調(diào)查權(quán)力144
8.6小結(jié)144
參考文獻145
第9章生產(chǎn)環(huán)境的轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略150
9.1確定行動需求150
9.2生產(chǎn)中的變更管理153
9.2.1生產(chǎn)中變更管理的結(jié)構(gòu)和背景153
9.2.2數(shù)字化生產(chǎn)的變更流程154
9.2.3生產(chǎn)變更的分析156
9.2.4小結(jié)158
9.3CPPA要求的定義159
9.3.1生產(chǎn)中設(shè)計規(guī)范創(chuàng)建現(xiàn)狀159
9.3.2CPPA設(shè)計規(guī)范創(chuàng)建的流程及清單160
9.4構(gòu)思與實現(xiàn)方法164
9.4.1產(chǎn)品開發(fā)及系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)狀164
9.4.2信息物理生產(chǎn)設(shè)備（CPPA）的開發(fā)
方法171
9.5總結(jié)179
參考文獻179
第10章客戶系統(tǒng)地參與創(chuàng)新過程183
10.1數(shù)字化時代客戶參與的必要性和機會183
10.2通過開放創(chuàng)新開拓創(chuàng)新過程184
10.3客戶參與創(chuàng)新過程185
10.3.1客戶參與的階段185
10.3.2客戶和外部人員的參與方法185
10.3.3創(chuàng)意、概念和技術(shù)187
10.4從大規(guī)模定制到客戶創(chuàng)新產(chǎn)品189
10.5敏捷開發(fā)過程189
10.6可適應(yīng)和可定制產(chǎn)品的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)193
10.7可適應(yīng)和可定制產(chǎn)品的成本評估195
參考文獻197
第11章工業(yè)4.0與能源效率提升199
11.1生產(chǎn)中的能量流和能源效率199
11.2能源效率背景下的信息物理生產(chǎn)
系統(tǒng)201
11.3能耗透明的機器201
11.4工藝鏈及動態(tài)能源流中的能源效率203
11.5工廠層面的能源效率205
11.5.1熱耗散的三維監(jiān)測205
11.5.2多級模擬205
11.6總結(jié)與展望206
參考文獻207

第2篇　機電一體化（信息-物理融合）的自動化組件
第1章基因智能工件212
1.1愿景：基因智能工件212
1.2愿景：基因智能工件的分類213
1.3實施：工件能力214
1.3.1數(shù)據(jù)采集214
1.3.2工件識別和工件上的數(shù)據(jù)存儲218
1.3.3通信222
1.4應(yīng)用223
1.4.1加工制造階段的應(yīng)用223
1.4.2使用階段的應(yīng)用227
參考文獻230
第2章智能刀具232
2.1刀具——迄今和未來232
2.2智能刀具的當(dāng)前用法及實例232
2.2.1刀具的分類232
2.2.2智能刀具的應(yīng)用案例233
2.2.3連接智能刀具的接口235
2.3刀具監(jiān)控237
2.4智能刀具的使用周期239
2.4.1動機239
2.4.2智能刀具的功能塊240
2.4.3小結(jié)和展望243
參考文獻243
第3章聯(lián)網(wǎng)機床245
3.1通過高效的CAD-CAM-NC鏈進行前端
加載246
3.1.1CAD-CAM-NC鏈246
3.1.2當(dāng)今CAM系統(tǒng)中的自動化機制247
3.1.3進一步的研究和實踐方法249
3.1.4小結(jié)251
3.2產(chǎn)品開發(fā)過程中的工藝過程與機床特性
仿真251
3.2.1加工準(zhǔn)備階段數(shù)控程序的優(yōu)化252
3.2.2來自生產(chǎn)工具開發(fā)階段的知識
反饋255
3.2.3小結(jié)256
3.3制造企業(yè)的大數(shù)據(jù)分析257
3.3.1CAD-CAM-NC鏈的一體化網(wǎng)絡(luò)257
3.3.2工藝數(shù)據(jù)反饋和語境化259
3.3.3數(shù)據(jù)評估260
3.3.4小結(jié)261
3.4工業(yè)4.0對機床狀態(tài)監(jiān)測的推動261
3.4.1自我監(jiān)控機床的愿景262
3.4.2用于服務(wù)壽命預(yù)測的機床部件
模型263
3.4.3集成到生產(chǎn)環(huán)境265
3.4.4小結(jié)265
3.5以用戶為中心的新機床操作方案266
3.5.1傳統(tǒng)的操作理念266
3.5.2新的運營理念267
3.5.3以用戶為中心的操作理念的要求267
3.5.4生產(chǎn)環(huán)境中的觸摸屏操作268
3.5.5以用戶為中心的對話框設(shè)計268
3.5.6中間件270
3.5.7小結(jié)270
3.6結(jié)論270
參考文獻270
第4章加工設(shè)備和包裝機273
4.1消費品生產(chǎn)4.0273
4.1.1消費品大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備273
4.1.2食品和制藥行業(yè)的趨勢274
4.1.3可變的加工工藝275
4.2可變工藝鏈中從材料到產(chǎn)品276
4.2.1可變流程276
4.2.2加工設(shè)備的變體層279
4.3可變加工設(shè)備的要素281
4.3.1質(zhì)量控制工藝281
4.3.2優(yōu)質(zhì)材料和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品283
4.3.3可變的作用對284
4.4可變加工設(shè)備287
4.4.1可變設(shè)備結(jié)構(gòu)287
4.4.2自我監(jiān)控和自我優(yōu)化的機床290
4.4.3工藝集成的機電一體化仿真297
4.4.4可變設(shè)備的自動化清潔方面300
4.4.5操作員輔助302
參考文獻304
第5章輸送系統(tǒng)309
5.1設(shè)備連接309
5.1.1自動化生產(chǎn)中的連接310
5.1.2傳輸系統(tǒng)的柔性化310
5.1.3經(jīng)典布置結(jié)構(gòu)中柔性連接的潛力311
5.1.4以增量制造為例，傳輸系統(tǒng)柔性的
最大化313
5.2機器人輸送系統(tǒng)314
5.2.1機器人傳輸系統(tǒng)中的傳感器集成314
5.2.2機器人傳輸系統(tǒng)的直觀編程315
5.2.3應(yīng)用案例：高度柔性的工件傳輸317
5.3輸送系統(tǒng)中的夾持技術(shù)318
5.3.1功能集成的夾持系統(tǒng)318
5.3.2具有適應(yīng)能力的夾持系統(tǒng)321
參考文獻322
第6章物流4.0324
6.1供應(yīng)鏈4.0的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化325
6.1.1食品供應(yīng)鏈中智能承載裝置（冷藏箱）
的使用325
6.1.2以刀具供應(yīng)鏈為例的云中協(xié)同生命
周期管理329
6.2數(shù)字工具在物流規(guī)劃中的應(yīng)用333
6.2.1虛擬現(xiàn)實在人工分揀系統(tǒng)規(guī)劃中的
應(yīng)用333
6.2.2物流系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃和調(diào)試336
6.3數(shù)字物流過程中與人連接的接口339
6.3.1針對高效人工分揀的信息交換的
新形式340
6.3.2工藝數(shù)據(jù)表達和收集的叉車駕駛員
輔助系統(tǒng)342
6.4工業(yè)4.0生產(chǎn)和配送中自動柔性物料
流的控制理念344
6.4.1通過自動軟件生成來有效地創(chuàng)建
物流系統(tǒng)的控制系統(tǒng)345
6.4.2使用分布式物料流控制來實現(xiàn)可轉(zhuǎn)換
物料流系統(tǒng)347
6.5引入和使用RFID進行分散數(shù)據(jù)
管理352
6.5.1引入RFID的創(chuàng)新概念和工具353
6.5.2工藝數(shù)據(jù)自動獲取和提供359
參考文獻362
第7章裝配4.0364
7.1動機364
7.2產(chǎn)品和設(shè)備實例365
7.2.1產(chǎn)品實例365
7.2.2設(shè)備實例365
7.3解決方案中的中性能力描述366
7.3.1概念和實例366
7.3.2優(yōu)點369
7.3.3能力的分類369
7.4　CAD產(chǎn)品分析-產(chǎn)品要求的生成371
7.4.1逐個拆裝——確定裝配順序和裝配
動作371
7.4.2工藝參數(shù)的定量確定372
7.4.3確定零件接口372
7.5自動裝配規(guī)劃373
7.5.1引言及系統(tǒng)概況373
7.5.2利用已知布局生成設(shè)備能力
模型374
7.5.3自動裝配規(guī)劃中的要求-能力
平衡375
7.5.4平衡模塊的舉例說明378
7.5.5推薦操作的自動導(dǎo)出379
7.5.6備選規(guī)劃方案的評估和選擇379
7.5.7自動生成裝配規(guī)程380
7.6自動化集成380
7.6.1生產(chǎn)組件的自動配置（即插
即用）380
7.6.2時間最優(yōu)的機器人系統(tǒng)路徑
規(guī)劃384
7.6.3目標(biāo)系統(tǒng)的分配和代碼生成387
7.7以供應(yīng)系統(tǒng)為例的自動硬件設(shè)計389
7.7.1基礎(chǔ)389
7.7.2物理仿真389
7.7.3邊界條件389
7.7.4基于仿真的設(shè)計390
7.7.5加工和驗證391
7.7.6小結(jié)391
7.8總結(jié)391
參考文獻391
第8章可變模塊化的自動化系統(tǒng)395
8.1自動化金字塔395
8.1.1借助智能產(chǎn)品的分散式工藝
控制396
8.1.2借助智能現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)場任務(wù)和
控制任務(wù)的融合399
8.1.3縱向集成和基于云的模塊化IT
系統(tǒng)401
8.2智能聯(lián)網(wǎng)402
8.2.1工業(yè)4.0的通信標(biāo)準(zhǔn)403
8.2.2自動化技術(shù)中的以太網(wǎng)405
8.2.3自動化技術(shù)中信息建模的標(biāo)準(zhǔn)409
參考文獻413

第3篇　工業(yè)4.0的應(yīng)用實例
第1章聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在切削加工中的
應(yīng)用416
1.1機械組件的柔性小批量生產(chǎn)416
1.1.1邊界條件和生產(chǎn)環(huán)境416
1.1.2聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)的解決方案417
1.2網(wǎng)絡(luò)化大批量生產(chǎn)中的輔助解決
方案418
1.2.1輔助解決方案的結(jié)構(gòu)418
1.2.2操作員引導(dǎo)419
1.2.3數(shù)據(jù)分析和錯誤評估419
1.3珩磨系統(tǒng)的數(shù)字化解決方案420
1.3.1大規(guī)模生產(chǎn)中的珩磨420
1.3.2珩磨機床的遠(yuǎn)程維護解決方案420
1.3.3通過機床連接實現(xiàn)云服務(wù)422
1.4注塑機部件的生產(chǎn)423
1.4.1注塑機423
1.4.2機器部件的生產(chǎn)設(shè)備424
1.4.3智能制造設(shè)備425
1.4.4縱向和橫向聯(lián)網(wǎng)425
1.4.5自組織的運輸過程426
1.5結(jié)論426
參考文獻427
第2章裝配系統(tǒng)：“全球生產(chǎn)”學(xué)習(xí)
工廠中的可擴展自動化428
2.1工業(yè)4.0背景下的學(xué)習(xí)工廠428
2.1.1“全球生產(chǎn)”學(xué)習(xí)工廠的目標(biāo)
設(shè)定428
2.1.2學(xué)習(xí)工廠中的工業(yè)4.0觀點428
2.1.3學(xué)習(xí)工廠的結(jié)構(gòu)429
2.2可擴展自動化的概念430
2.2.1裝配自動化面臨的挑戰(zhàn)430
2.2.2可擴展自動化的原則430
2.2.3可擴展自動化的潛力431
2.2.4可擴展自動化概念的結(jié)論431
2.3可擴展自動化在“全球生產(chǎn)”學(xué)習(xí)工廠中
的實施432
2.3.1學(xué)習(xí)工廠的擴展等級432
2.3.2學(xué)習(xí)工廠中可擴展自動化的技術(shù)性
實施435
2.4展望438
參考文獻438
第3章工業(yè)4.0在加工技術(shù)領(lǐng)域的
應(yīng)用439
3.1　FORFood——個性化食品加工和包裝的
批量定制439
3.1.1為客戶個性化餐飲定制（單件批量）
的食品加工439
3.1.2適用于個性化包裝的規(guī)格柔性的加工
過程440
3.1.3適用于規(guī)格柔性化熱成型的數(shù)字
成型441
3.1.4基于多輪廓模具的柔性密封工藝441
3.1.5個性化合裝包的自動化生產(chǎn)442
3.2自動化的火腿精細(xì)分割442
3.2.1問題提出442
3.2.2設(shè)備443
3.2.3火腿特征的獲取444
3.2.4切割順序445
3.2.5過程步驟和整體過程的建模與仿真的
參考Petri網(wǎng)絡(luò)的方法445
3.2.6總結(jié)445
3.3印刷業(yè)的認(rèn)知系統(tǒng)446
3.3.1印刷業(yè)日益增加的成本壓力446
3.3.2減少浪費作為可能的控制桿446
3.3.3調(diào)節(jié)方法447
3.3.4技術(shù)評估447
3.3.5膠印機的經(jīng)濟性評估447
3.3.6總結(jié)448
參考文獻448
第4章工業(yè)4.0在飛機制造領(lǐng)域的
應(yīng)用449
4.1對行業(yè)的考量449
4.1.1經(jīng)濟的應(yīng)用條件449
4.1.2技術(shù)和組織上的特征449
4.1.3工業(yè)4.0方法及實際情況450
4.2用于重要任務(wù)的支持技術(shù)451
4.2.1機身裝配451
4.2.2渦輪葉片的裝配452
4.2.3燃燒室檢查452
4.3橫截面支持技術(shù)453
4.3.1用于機身外部結(jié)構(gòu)的移動機器人454
4.3.2用于加工任務(wù)的可移動機器人
系統(tǒng)455
4.3.3人機系統(tǒng)455
4.4集成技術(shù)457
4.4.1目標(biāo)和方法457
4.4.2解決方案示例458
4.4.3集成的支持條件459
參考文獻459
第5章智能聯(lián)網(wǎng)在電子品生產(chǎn)中的
應(yīng)用461
5.1電子系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和典范461
5.1.1基于先進電子制造技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)
推動者461
5.1.2電子系統(tǒng)生產(chǎn)是工廠數(shù)字化的
典范462
5.2生產(chǎn)和物流的完全自動化465
5.2.1工藝自動化和信息自動化465
5.2.2可追溯性467
5.2.3CPS的識別與互聯(lián)469
5.3動態(tài)價值鏈470
5.3.1個性化的產(chǎn)品配置470
5.3.2優(yōu)化的訂單處理470
5.3.3柔性生產(chǎn)系統(tǒng)473
5.4零出錯生產(chǎn)474
5.4.1質(zhì)量保證474
5.4.2大數(shù)據(jù)與智能數(shù)據(jù)476
5.4.3人機交互478
5.5綜合信息系統(tǒng)479
5.5.1產(chǎn)品開發(fā)481
5.5.2CAD/CAM耦合481
5.5.3與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）連接484
5.6參考模型485
5.6.1發(fā)展成為數(shù)字化企業(yè)485
5.6.2綠地方法與棕地方法487
5.6.3示例：在安貝格和成都的西門子
工廠488
參考文獻488
第6章小批量個性化生產(chǎn)的智能
工廠491
6.1智能工廠KL系統(tǒng)架構(gòu)493
6.1.1系統(tǒng)架構(gòu)的概念493
6.1.2系統(tǒng)構(gòu)架的要求與規(guī)范493
6.1.3總結(jié)495
6.2系統(tǒng)構(gòu)架的實現(xiàn)496
6.2.1產(chǎn)品層496
6.2.2生產(chǎn)層497
6.2.3供應(yīng)層499
6.2.4集成層499
6.2.5系統(tǒng)層499
6.3應(yīng)用場景500
6.4總結(jié)與展望502
參考文獻502
第7章工業(yè)4.0在汽車制造領(lǐng)域的
應(yīng)用504
7.1以物料流分析為例：生產(chǎn)物流中的
大數(shù)據(jù)分析504
7.1.1生產(chǎn)物流中的分析技術(shù)和數(shù)字
孿生505
7.1.2數(shù)字孿生中的物料流分析505
7.1.3結(jié)論和展望505
7.2物流4.0-提升動態(tài)性能的優(yōu)化方法506
7.2.1動力506
7.2.2目標(biāo)設(shè)定506
7.2.3方式方法506
7.2.4結(jié)論507
7.3機器人測量系統(tǒng)的自校準(zhǔn)507
7.3.1初始狀態(tài)507
7.3.2目標(biāo)設(shè)定508
7.3.3方式方法508
7.3.4結(jié)論509
7.4電動汽車電池生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)挖掘509
7.5使用增材制造工藝的數(shù)字化生產(chǎn)510
7.5.1增材制造和工業(yè)4.0510
7.5.2現(xiàn)有增材制造工藝類別的簡要
概述511
7.5.3案例分析：齒輪的增材制造511
7.6構(gòu)建和實施工業(yè)4.0環(huán)境中維護人員
技能的培訓(xùn)環(huán)境512
參考文獻513