大量工业4.0的应用实例，助力企业进入工业4.0时代

自18世纪中叶第一次工业革命以来，世界工业已经历了三次划时代的变革，制造业也成为国民经济的支柱产业，并受到世界各国的高度重视。

自2013年德国在汉诺威工业博览会上提出“工业4.0”战略以来，工业4.0概念在全球迅速传播，第四次工业革命序幕正式拉开。不同的是，以往的三次工业革命主要是对制造过程与技术进行革新，而 第四次工业革命则以智能工厂、智能生产、智能物流作为其三大核心主题，涉及产品全生命周期的开发、生产、使用、回收的技术变革。

无论是率先完成工业化的英、德、美等发达国家，抑或是中国、印度等发展中国家，工业4.0都为我们带来了机遇，同时也带来了挑战。世界工业体系正在发生变化，毫无疑问，谁能更快、更精准地意识到这场变革的核心并找到应对之道，谁就能获得有利地位。

今天小编给您介绍的《工业4.0手册》是由德国慕尼黑工业大学的Gunther Reinhart教授担任主编，由多位德国工业4.0专家与学者联合编著而成。

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直击企业转型中的痛点问题

全书共3篇，它们在系统上互为基础。

第1篇为智能工厂

阐述了智能工厂中流程的变化，流程中涉及的组织、技术、法律、人性化等方面的内容，并介绍了新的商业模型及其相关的转型策略。

★商业模式的创新

★生产计划与控制的变化

★未来生产中人的工作

★工业4.0的数据、信息和知识

★工业4.0的 络安全

★用于规划和生产的组织、质量IT系统

★工业4.0工厂规划方面

★工业4.0的法律问题：框架条件、挑战和解决方案

★生产环境的转型战略

★客户系统地参与创新过程

★工业4.0与能源效率提升

第2篇为机电一体化（信息-物理融合）的自动化组件

描述了生产过程中所需要的信息物理系统元件，包括从具有存储功能的智能组件，到将其与工具、机床以及连接设备一起延展为信息物理系统，最后到安装、物流、自动化等内容。

★基因智能工件

★智能刀具

★联 机床

★加工设备和包装机

★输送系统

★物流4.0

★装配4.0

★可变模块化的自动化系统

第3篇为工业4.0的应用实例

介绍了工业4.0在汽车工业、航空工业、电子工业以及个性化小批量生产制造中的应用，包括切削加工的交互设备、交互装配设备、包装设备等内容。

★联 设备在切削加工中的应用

★装配系统：“全球生产”学习工厂中的可扩展自动化

★工业4.0在加工技术领域的应用

★工业4.0在飞机制造领域的应用

★智能联 在电子品生产中的应用

★小批量个性化生产的智能工厂

★工业4.0在汽车制造领域的应用

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目录

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译者序

前言

导语——从计算机集成制造（CIM）到工业4.0

第1篇　智 能 工 厂

第1章商业模式的创新2

1.1从产品供应商到解决方案提供商的转型2

1.2数字孪生作为预测分析的基础6

1.3通过新的创新流程引入新的商业模式和

客户导向的创新类型8

1.4 络式增值系统11

1.5协作平台13

1.6转型为工业4.0企业15

参考文献17

第2章生产计划与控制的变化21

2.1PPS概述21

2.2通过提供数据提高透明度和PPS的

效果22

2.3PPS任务的数字化潜力23

2.3.1生产计划23

2.3.2订单管理和订单发送24

2.3.3二级需求规划25

2.3.4外部采购粗略计划和外部采购规划25

2.3.5生产需求规划27

2.3.6自产计划27

2.3.7自产控制27

2.3.8库存管理28

2.3.9生产控制29

2.4关于PPS 4.0的几种说法30

参考文献33

第3章未来生产中人的工作35

3.1工业4.0对员工的意义35

3.2基础概念和模型37

3.2.1人-技术-组织（MTO）的概念37

3.2.2负荷-要求模型38

3.2.3辅助系统设计39

3.2.4系统人体工程学分析40

3.3工业4.0中生产员工的技能培训41

3.3.1由工业4.0带来的生产工作的发展

趋势41

3.3.2未来生产员工的特征42

3.3.3未来生产员工的培训需求44

3.4个性化的动态员工信息系统45

3.4.1员工信息系统概况46

3.4.2个性化的员工信息49

3.4.3动态的员工信息52

3.5人-机器人交互53

3.6人力资源管理54

3.6.1更强大的 络化和数字化带来的

影响55

3.6.2人口变化和价值观变化带来的影响56

3.6.3生产技术环境的影响57

3.6.4示例：为管理人员减轻认知负担58

参考文献59

第4章工业4.0的数据、信息和

知识62

4.1云端的机器控制——自动化作为一种

服务62

4.1.1云平台和云服务的导入62

4.1.2生产云的潜力63

4.1.3实现基于云的自动化途径64

4.2大数据68

4.2.1定义68

4.2.2工具69

4.2.3应用程序70

4.2.4可能的应用70

4.3通信72

4.3.1生产通信技术：为工业4.0做

准备72

4.3.2现场层面的通信73

4.3.3工厂中的无线通信74

4.3.4中间设备和标准：工厂间相互

联 74

4.3.5触觉互联 的潜力75

参考文献75

第5章工业4.0的 络安全78

5.1动机78

5.2安全威胁和挑战79

5.2.1工业4.0的特征79

5.2.2威胁80

5.2.3对 络安全的要求81

5.3 络安全：解决方案84

5.3.1安全指南84

5.3.2产品和专有技术保护85

5.3.3应用程序的安全性88

5.3.4数据主权：工业数据空间90

5.4总结93

参考文献94

第6章用于规划和生产的组织、质量及

IT系统96

6.1业务流程系统96

6.1.1用于业务流程规划和生产的系统96

6.1.2规划与排程的趋势98

6.2组织和IT102

6.2.1规划和运营组织102

6.2.2支持规划和运营的信息物理系统102

6.3质量和信息技术（IT）107

6.3.1计算机化的质量108

6.3.2工业4.0背景下的趋势110

6.3.3结论114

参考文献114

第7章工业4.0工厂规划方面118

7.1数字工厂的现状与未来的发展118

7.1.1数字工厂的定义118

7.1.2数字工厂的方法和工具120

7.1.3数字工厂的优势122

7.2数字工厂对工业4.0工厂规划的贡献123

7.2.1运营分析124

7.2.2粗略规划125

7.2.3精细规划127

7.2.4执行129

7.2.5运营、调整和适应129

7.3总结与展望130

参考文献131

第8章工业4.0的法律问题：框架

条件、挑战和解决方案133

8.1采取行动的必要性133

8.2数据主权133

8.2.1概念上的保护方向133

8.2.2直接影响范围内的保护134

8.2.3知识产权135

8.2.4商业机密保护136

8.2.5通过软件保护实现数据主权137

8.2.6数据所有权138

8.2.7小结138

8.3责任和合法交易139

8.3.1责任139

8.3.2法律行为141

8.4数据保护法141

8.4.1企业的共同决策142

8.4.2企业的基本要求142

8.4.3与第三方合作142

8.5IT安全法143

8.5.1IT安全法的范围143

8.5.2对工业4.0的影响144

8.5.3BSI的调查权力144

8.6小结144

参考文献145

第9章生产环境的转型战略150

9.1确定行动需求150

9.2生产中的变更管理153

9.2.1生产中变更管理的结构和背景153

9.2.2数字化生产的变更流程154

9.2.3生产变更的分析156

9.2.4小结158

9.3CPPA要求的定义159

9.3.1生产中设计规范创建现状159

9.3.2CPPA设计规范创建的流程及清单160

9.4构思与实现方法164

9.4.1产品开发及系统开发的现状164

9.4.2信息物理生产设备（CPPA）的开发

方法171

9.5总结179

参考文献179

第10章客户系统地参与创新过程183

10.1数字化时代客户参与的必要性和机会183

10.2通过开放创新开拓创新过程184

10.3客户参与创新过程185

10.3.1客户参与的阶段185

10.3.2客户和外部人员的参与方法185

10.3.3创意、概念和技术187

10.4从大规模定制到客户创新产品189

10.5敏捷开发过程189

10.6可适应和可定制产品的产品结构193

10.7可适应和可定制产品的成本评估195

参考文献197

第11章工业4.0与能源效率提升199

11.1生产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产

系统201

11.3能耗透明的机器201

11.4工艺链及动态能源流中的能源效率203

11.5工厂层面的能源效率205

11.5.1热耗散的三维监测205

11.5.2多级模拟205

11.6总结与展望206

参考文献207

第2篇　机电一体化（信息-物理融合）的自动化组件

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：基因智能工件的分类213

1.3实施：工件能力214

1.3.1数据采集214

1.3.3通信222

1.4应用223

1.4.1加工制造阶段的应用223

1.4.2使用阶段的应用227

参考文献230

第2章智能刀具232

2.1刀具——迄今和未来232

2.2智能刀具的当前用法及实例232

2.2.1刀具的分类232

2.2.2智能刀具的应用案例233

2.2.3连接智能刀具的接口235

2.3刀具监控237

2.4智能刀具的使用周期239

2.4.1动机239

2.4.2智能刀具的功能块240

2.4.3小结和展望243

参考文献243

第3章联 机床245

3.1通过高效的CAD-CAM-NC链进行前端

加载246

3.1.1CAD-CAM-NC链246

3.1.2当今CAM系统中的自动化机制247

3.1.3进一步的研究和实践方法249

3.1.4小结251

3.2产品开发过程中的工艺过程与机床特性

仿真251

3.2.1加工准备阶段数控程序的优化252

3.2.2来自生产工具开发阶段的知识

反馈255

3.2.3小结256

3.3制造企业的大数据分析257

3.3.1CAD-CAM-NC链的一体化 络257

3.3.2工艺数据反馈和语境化259

3.3.3数据评估260

3.3.4小结261

3.4工业4.0对机床状态监测的推动261

3.4.1自我监控机床的愿景262

3.4.2用于服务寿命预测的机床部件

模型263

3.4.3集成到生产环境265

3.4.4小结265

3.5以用户为中心的新机床操作方案266

3.5.1传统的操作理念266

3.5.2新的运营理念267

3.5.3以用户为中心的操作理念的要求267

3.5.4生产环境中的触摸屏操作268

3.5.5以用户为中心的对话框设计268

3.5.6中间件270

3.5.7小结270

3.6结论270

参考文献270

第4章加工设备和包装机273

4.1消费品生产4.0273

4.1.1消费品大规模生产的设备273

4.1.2食品和制药行业的趋势274

4.1.3可变的加工工艺275

4.2可变工艺链中从材料到产品276

4.2.1可变流程276

4.2.2加工设备的变体层279

4.3可变加工设备的要素281

4.3.1质量控制工艺281

4.3.2优质材料和优质产品283

4.3.3可变的作用对284

4.4可变加工设备287

4.4.1可变设备结构287

4.4.2自我监控和自我优化的机床290

4.4.3工艺集成的机电一体化仿真297

4.4.4可变设备的自动化清洁方面300

4.4.5操作员辅助302

参考文献304

第5章输送系统309

5.1设备连接309

5.1.1自动化生产中的连接310

5.1.2传输系统的柔性化310

5.1.3经典布置结构中柔性连接的潜力311

5.1.4以增量制造为例，传输系统柔性的

最大化313

5.2机器人输送系统314

5.2.1机器人传输系统中的传感器集成314

5.2.2机器人传输系统的直观编程315

5.2.3应用案例：高度柔性的工件传输317

5.3输送系统中的夹持技术318

5.3.1功能集成的夹持系统318

5.3.2具有适应能力的夹持系统321

参考文献322

第6章物流4.0324

6.1供应链4.0的数字化和 络化325

6.1.1食品供应链中智能承载装置（冷藏箱）

的使用325

6.1.2以刀具供应链为例的云中协同生命

周期管理329

6.2数字工具在物流规划中的应用333

6.2.1虚拟现实在人工分拣系统规划中的

应用333

6.2.2物流系统的协同规划和调试336

6.3数字物流过程中与人连接的接口339

6.3.1针对高效人工分拣的信息交换的

新形式340

6.3.2工艺数据表达和收集的叉车驾驶员

辅助系统342

6.4工业4.0生产和配送中自动柔性物料

流的控制理念344

6.4.1通过自动软件生成来有效地创建

物流系统的控制系统345

6.4.2使用分布式物料流控制来实现可转换

物料流系统347

6.5引入和使用RFID进行分散数据

管理352

6.5.1引入RFID的创新概念和工具353

6.5.2工艺数据自动获取和提供359

参考文献362

第7章装配4.0364

7.1动机364

7.2产品和设备实例365

7.2.1产品实例365

7.2.2设备实例365

7.3解决方案中的中性能力描述366

7.3.1概念和实例366

7.3.2优点369

7.3.3能力的分类369

7.4　CAD产品分析-产品要求的生成371

7.4.1逐个拆装——确定装配顺序和装配

动作371

7.4.2工艺参数的定量确定372

7.4.3确定零件接口372

7.5自动装配规划373

7.5.1引言及系统概况373

7.5.2利用已知布局生成设备能力

模型374

7.5.3自动装配规划中的要求-能力

平衡375

7.5.4平衡模块的举例说明378

7.5.5推荐操作的自动导出379

7.5.6备选规划方案的评估和选择379

7.5.7自动生成装配规程380

7.6自动化集成380

7.6.1生产组件的自动配置（即插

即用）380

7.6.2时间最优的机器人系统路径

规划384

7.6.3目标系统的分配和代码生成387

7.7以供应系统为例的自动硬件设计389

7.7.1基础389

7.7.2物理仿真389

7.7.3边界条件389

7.7.4基于仿真的设计390

7.7.5加工和验证391

7.7.6小结391

7.8总结391

参考文献391

第8章可变模块化的自动化系统395

8.1自动化金字塔395

8.1.1借助智能产品的分散式工艺

控制396

8.1.2借助智能现场设备的现场任务和

控制任务的融合399

8.1.3纵向集成和基于云的模块化IT

系统401

8.2智能联 402

8.2.1工业4.0的通信标准403

8.2.2自动化技术中的以太 405

8.2.3自动化技术中信息建模的标准409

参考文献413

第3篇　工业4.0的应用实例