在德國，任何一家想要在未來幾年內保持競爭力的企業(yè)，都已經在致力于工業(yè)4.0的研究。
《工業(yè)4.0手冊》由來自德國的148位專家和學者編寫而成。全書共分3篇，在系統(tǒng)上它們互為基礎。第1篇為智能工廠，闡述了智能工廠中流程的變化，流程中涉及的組織、技術、法律、人性化等方面的內容，并介紹了新的商業(yè)模型及其相關的轉型策略。第2篇為機電一體化（信息-物理融合）的自動化組件，描述了生產過程中所需要的信息物理系統(tǒng)元件，包括從具有產品記憶能力的智能組件，到將其與工具、機床以及連接設備一起延展為信息物理系統(tǒng)，*后到安裝、物流、自動化等內容。第3篇為工業(yè)4.0的應用實例，介紹了工業(yè)4.0在加工技術領域、飛機制造領域、電子品生產、小批量個性化生產、汽車制造領域等方面的應用。
《工業(yè)4.0手冊》可為我國工業(yè)企業(yè)從事工業(yè)4.0研發(fā)的科學技術人員提供重要參考，也可作為企事業(yè)單位的管理人員政策制定者學習工業(yè)4.0、具體實施工業(yè)4.0的參考用書。
目錄
譯者序
作者簡介
前言
導語——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從產品供應商到解決方案提供商的轉型2
1.2數(shù)字孿生作為預測分析的基礎6
1.3通過新的創(chuàng)新流程引入新的商業(yè)模式和
客戶導向的創(chuàng)新類型8
1.4網(wǎng)絡式增值系統(tǒng)11
1.5協(xié)作平臺13
1.6轉型為工業(yè)4.0企業(yè)15
參考文獻17
第2章生產計劃與控制的變化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任務的數(shù)字化潛力23
2.3.1生產計劃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生產需求規(guī)劃27
2.3.6自產計劃27
2.3.7自產控制27
2.3.8庫存管理28
2.3.9生產控制29
2.4關于PPS 4.0的幾種說法30
參考文獻33
第3章未來生產中人的工作35
3.1工業(yè)4.0對員工的意義35
3.2基礎概念和模型37
3.2.1人-技術-組織（MTO）的概念37
3.2.2負荷-要求模型38
3.2.3輔助系統(tǒng)設計39
3.2.4系統(tǒng)人體工程學分析40
3.3工業(yè)4.0中生產員工的技能培訓41
3.3.1由工業(yè)4.0帶來的生產工作的發(fā)展
趨勢41
3.3.2未來生產員工的特征42
3.3.3未來生產員工的培訓需求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生產技術環(huán)境的影響57
3.6.4示例：為管理人員減輕認知負擔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62
4.1.1云平臺和云服務的導入62
4.1.2生產云的潛力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應用程序70
4.2.4可能的應用70
4.3通信72
4.3.1生產通信技術：為工業(yè)4.0做
準備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中間設備和標準：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)絡安全的要求81
5.3網(wǎng)絡安全：解決方案84
5.3.1安全指南84
5.3.2產品和專有技術保護85
5.3.3應用程序的安全性88
5.3.4數(shù)據(jù)主權：工業(yè)數(shù)據(jù)空間90
5.4總結93
參考文獻94
第6章用于規(guī)劃和生產的組織、質量及
IT系統(tǒng)96
6.1業(yè)務流程系統(tǒng)96
6.1.1用于業(yè)務流程規(guī)劃和生產的系統(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質量和信息技術（IT）107
6.3.1計算機化的質量108
6.3.2工業(yè)4.0背景下的趨勢110
6.3.3結論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精細規(guī)劃127
7.2.4執(zhí)行129
7.2.5運營、調整和適應129
7.3總結與展望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133
8.2.1概念上的保護方向133
8.2.2直接影響范圍內的保護134
8.2.3知識產權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137
8.2.6數(shù)據(jù)所有權138
8.2.7小結138
8.3責任和合法交易139
8.3.1責任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的調查權力144
8.6小結144
參考文獻145
第9章生產環(huán)境的轉型戰(zhàn)略150
9.1確定行動需求150
9.2生產中的變更管理153
9.2.1生產中變更管理的結構和背景153
9.2.2數(shù)字化生產的變更流程154
9.2.3生產變更的分析156
9.2.4小結158
9.3CPPA要求的定義159
9.3.1生產中設計規(guī)范創(chuàng)建現(xiàn)狀159
9.3.2CPPA設計規(guī)范創(chuàng)建的流程及清單160
9.4構思與實現(xiàn)方法164
9.4.1產品開發(fā)及系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)狀164
9.4.2信息物理生產設備（CPPA）的開發(fā)
方法171
9.5總結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187
10.4從大規(guī)模定制到客戶創(chuàng)新產品189
10.5敏捷開發(fā)過程189
10.6可適應和可定制產品的產品結構193
10.7可適應和可定制產品的成本評估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
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應用223
1.4.1加工制造階段的應用223
1.4.2使用階段的應用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251
3.2產品開發(fā)過程中的工藝過程與機床特性
仿真251
3.2.1加工準備階段數(shù)控程序的優(yōu)化252
3.2.2來自生產工具開發(fā)階段的知識
反饋255
3.2.3小結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用于服務壽命預測的機床部件
模型263
3.4.3集成到生產環(huán)境265
3.4.4小結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計268
3.5.6中間件270
3.5.7小結270
3.6結論270
參考文獻270
第4章加工設備和包裝機273
4.1消費品生產4.0273
4.1.1消費品大規(guī)模生產的設備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品276
4.2.1可變流程276
4.2.2加工設備的變體層279
4.3可變加工設備的要素281
4.3.1質量控制工藝281
4.3.2優(yōu)質材料和優(yōu)質產品283
4.3.3可變的作用對284
4.4可變加工設備287
4.4.1可變設備結構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設備連接309
5.1.1自動化生產中的連接310
5.1.2傳輸系統(tǒng)的柔性化310
5.1.3經典布置結構中柔性連接的潛力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318
5.3.1功能集成的夾持系統(tǒng)318
5.3.2具有適應能力的夾持系統(tǒng)321
參考文獻322
第6章物流4.0324
6.1供應鏈4.0的數(shù)字化和網(wǎng)絡化325
6.1.1食品供應鏈中智能承載裝置（冷藏箱）
的使用325
6.1.2以刀具供應鏈為例的云中協(xié)同生命
周期管理329
6.2數(shù)字工具在物流規(guī)劃中的應用333
6.2.1虛擬現(xiàn)實在人工分揀系統(tǒng)規(guī)劃中的
應用333
6.2.2物流系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃和調試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產品和設備實例365
7.2.1產品實例365
7.2.2設備實例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產品分析-產品要求的生成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目標系統(tǒng)的分配和代碼生成387
7.7以供應系統(tǒng)為例的自動硬件設計389
7.7.1基礎389
7.7.2物理仿真389
7.7.3邊界條件389
7.7.4基于仿真的設計390
7.7.5加工和驗證391
7.7.6小結391
7.8總結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借助智能產品的分散式工藝
控制396
8.1.2借助智能現(xiàn)場設備的現(xiàn)場任務和
控制任務的融合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的通信標準403
8.2.2自動化技術中的以太網(wǎng)405
8.2.3自動化技術中信息建模的標準409
參考文獻413
第3篇 工業(yè)4.0的應用實例
第1章聯(lián)網(wǎng)設備在切削加工中的
應用416
1.1機械組件的柔性小批量生產416
1.1.1邊界條件和生產環(huán)境416
1.1.2聯(lián)網(wǎng)生產的解決方案417
1.2網(wǎng)絡化大批量生產中的輔助解決
方案418
1.2.1輔助解決方案的結構418
1.2.2操作員引導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)模生產中的珩磨420
1.3.2珩磨機床的遠程維護解決方案420
1.3.3通過機床連接實現(xiàn)云服務422
1.4注塑機部件的生產423
1.4.1注塑機423
1.4.2機器部件的生產設備424
1.4.3智能制造設備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結論426
參考文獻427
第2章裝配系統(tǒng)：“全球生產”學習
工廠中的可擴展自動化428
2.1工業(yè)4.0背景下的學習工廠428
2.1.1“全球生產”學習工廠的目標
設定428
2.1.2學習工廠中的工業(yè)4.0觀點428
2.1.3學習工廠的結構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論431
2.3可擴展自動化在“全球生產”學習工廠中
的實施432
2.3.1學習工廠的擴展等級432
2.3.2學習工廠中可擴展自動化的技術性
實施435
2.4展望438
參考文獻438
第3章工業(yè)4.0在加工技術領域的
應用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442
3.2自動化的火腿精細分割442
3.2.1問題提出442
3.2.2設備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)絡的方法445
3.2.6總結445
3.3印刷業(yè)的認知系統(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調節(jié)方法447
3.3.4技術評估447
3.3.5膠印機的經濟性評估447
3.3.6總結448
參考文獻448
第4章工業(yè)4.0在飛機制造領域的
應用449
4.1對行業(yè)的考量449
4.1.1經濟的應用條件449
4.1.2技術和組織上的特征449
4.1.3工業(yè)4.0方法及實際情況450
4.2用于重要任務的支持技術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453
4.3.1用于機身外部結構的移動機器人454
4.3.2用于加工任務的可移動機器人
系統(tǒng)455
4.3.3人機系統(tǒng)455
4.4集成技術457
4.4.1目標和方法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)在電子品生產中的
應用461
5.1電子系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎和典范461
5.1.1基于先進電子制造技術的物聯(lián)網(wǎng)
推動者461
5.1.2電子系統(tǒng)生產是工廠數(shù)字化的
典范462
5.2生產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個性化的產品配置470
5.3.2優(yōu)化的訂單處理470
5.3.3柔性生產系統(tǒng)473
5.4零出錯生產474
5.4.1質量保證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的智能
工廠491
6.1智能工廠KL系統(tǒng)架構493
6.1.1系統(tǒng)架構的概念493
6.1.2系統(tǒng)構架的要求與規(guī)范493
6.1.3總結495
6.2系統(tǒng)構架的實現(xiàn)496
6.2.1產品層496
6.2.2生產層497
6.2.3供應層499
6.2.4集成層499
6.2.5系統(tǒng)層499
6.3應用場景500
6.4總結與展望502
參考文獻502
第7章工業(yè)4.0在汽車制造領域的
應用504
7.1以物料流分析為例：生產物流中的
大數(shù)據(jù)分析504
7.1.1生產物流中的分析技術和數(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目標設定506
7.2.3方式方法506
7.2.4結論507
7.3機器人測量系統(tǒng)的自校準507
7.3.1初始狀態(tài)507
7.3.2目標設定508
7.3.3方式方法508
7.3.4結論509
7.4電動汽車電池生產中的數(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構建和實施工業(yè)4.0環(huán)境中維護人員
技能的培訓環(huán)境512
參考文獻513
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