在德国，任何一家想要在未来几年内保持竞争力的企业，都已经在致力于工业4.0的研究。

《工业4.0手册》由来自德国的148位专家和学者编写而成。全书共分3篇，在系统上它们互为基础。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。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，包括从具有产品记忆能力的智能组件，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，*后到安装、物流、自动化等内容。第3篇为工业4.0的应用实例，介绍了工业4.0在加工技术领域、飞机制造领域、电子品生产、小批量个性化生产、汽车制造领域等方面的应用。

《工业4.0手册》可为我国工业企业从事工业4.0研发的科学技术人员提供重要参考，也可作为企事业单位的管理人员政策制定者学习工业4.0、具体实施工业4.0的参考用书

目录

译者序

作者简介

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网络式增值系统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更强大的网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

联网74

4.3.5触觉互联网的潜力75

参考文献75

第5章工业4.0的网络安全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对网络安全的要求81

5.3网络安全：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

1.3.2工件识别和工件上的数据存储218

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章联网机床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链的一体化网络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的数字化和网络化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智能联网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网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

第1章联网设备在切削加工中的

应用416

1.1机械组件的柔性小批量生产416

1.1.1边界条件和生产环境416

1.1.2联网生产的解决方案417

1.2网络化大批量生产中的辅助解决

方案418

1.2.1辅助解决方案的结构418

1.2.2操作员引导419

1.2.3数据分析和错误评估419

1.3珩磨系统的数字化解决方案420

1.3.1大规模生产中的珩磨420

1.3.2珩磨机床的远程维护解决方案420

1.3.3通过机床连接实现云服务422

1.4注塑机部件的生产423

1.4.1注塑机423

1.4.2机器部件的生产设备424

1.4.3智能制造设备425

1.4.4纵向和横向联网425

1.4.5自组织的运输过程426

1.5结论426

参考文献427

第2章装配系统：“全球生产”学习

工厂中的可扩展自动化428

2.1工业4.0背景下的学习工厂428

2.1.1“全球生产”学习工厂的目标

设定428

2.1.2学习工厂中的工业4.0观点428

2.1.3学习工厂的结构429

2.2可扩展自动化的概念430

2.2.1装配自动化面临的挑战430

2.2.2可扩展自动化的原则430

2.2.3可扩展自动化的潜力431

2.2.4可扩展自动化概念的结论431

2.3可扩展自动化在“全球生产”学习工厂中

的实施432

2.3.1学习工厂的扩展等级432

2.3.2学习工厂中可扩展自动化的技术性

实施435

2.4展望438

参考文献438

第3章工业4.0在加工技术领域的

应用439

3.1　FORFood——个性化食品加工和包装的

批量定制439

3.1.1为客户个性化餐饮定制（单件批量）

的食品加工439

3.1.2适用于个性化包装的规格柔性的加工

过程440

3.1.3适用于规格柔性化热成型的数字

成型441

3.1.4基于多轮廓模具的柔性密封工艺441

3.1.5个性化合装包的自动化生产442

3.2自动化的火腿精细分割442

3.2.1问题提出442

3.2.2设备443

3.2.3火腿特征的获取444

3.2.4切割顺序445

3.2.5过程步骤和整体过程的建模与仿真的

参考Petri网络的方法445

3.2.6总结445

3.3印刷业的认知系统446

3.3.1印刷业日益增加的成本压力446

3.3.2减少浪费作为可能的控制杆446

3.3.3调节方法447

3.3.4技术评估447

3.3.5胶印机的经济性评估447

3.3.6总结448

参考文献448

第4章工业4.0在飞机制造领域的

应用449

4.1对行业的考量449

4.1.1经济的应用条件449

4.1.2技术和组织上的特征449

4.1.3工业4.0方法及实际情况450

4.2用于重要任务的支持技术451

4.2.1机身装配451

4.2.2涡轮叶片的装配452

4.2.3燃烧室检查452

4.3横截面支持技术453

4.3.1用于机身外部结构的移动机器人454

4.3.2用于加工任务的可移动机器人

系统455

4.3.3人机系统455

4.4集成技术457

4.4.1目标和方法457

4.4.2解决方案示例458

4.4.3集成的支持条件459

参考文献459

第5章智能联网在电子品生产中的

应用461

5.1电子系统是物联网的基础和典范461

5.1.1基于先进电子制造技术的物联网

推动者461

5.1.2电子系统生产是工厂数字化的

典范462

5.2生产和物流的完全自动化465

5.2.1工艺自动化和信息自动化465

5.2.2可追溯性467

5.2.3CPS的识别与互联469

5.3动态价值链470

5.3.1个性化的产品配置470

5.3.2优化的订单处理470

5.3.3柔性生产系统473

5.4零出错生产474

5.4.1质量保证474

5.4.2大数据与智能数据476

5.4.3人机交互478

5.5综合信息系统479

5.5.1产品开发481

5.5.2CAD/CAM耦合481

5.5.3与制造执行系统（MES）连接484

5.6参考模型485

5.6.1发展成为数字化企业485

5.6.2绿地方法与棕地方法487

5.6.3示例：在安贝格和成都的西门子

工厂488

参考文献488

第6章小批量个性化生产的智能

工厂491

6.1智能工厂KL系统架构493

6.1.1系统架构的概念493

6.1.2系统构架的要求与规范493

6.1.3总结495

6.2系统构架的实现496

6.2.1产品层496

6.2.2生产层497

6.2.3供应层499

6.2.4集成层499

6.2.5系统层499

6.3应用场景500

6.4总结与展望502

参考文献502

第7章工业4.0在汽车制造领域的

应用504

7.1以物料流分析为例：生产物流中的

大数据分析504

7.1.1生产物流中的分析技术和数字

孪生505

7.1.2数字孪生中的物料流分析505

7.1.3结论和展望505

7.2物流4.0-提升动态性能的优化方法506

7.2.1动力506

7.2.2目标设定506

7.2.3方式方法506

7.2.4结论507

7.3机器人测量系统的自校准507

7.3.1初始状态507

7.3.2目标设定508

7.3.3方式方法508

7.3.4结论509

7.4电动汽车电池生产中的数据挖掘509

7.5使用增材制造工艺的数字化生产510

7.5.1增材制造和工业4.0510

7.5.2现有增材制造工艺类别的简要

概述511

7.5.3案例分析：齿轮的增材制造511

7.6构建和实施工业4.0环境中维护人员

技能的培训环境512

参考文献513

前　言

一个新的工业化时代开始了：对象、机器与设备将智能化，它们能借助物联网以自然的方式与人类通信，有足够的潜力重新定义自动化生产。这样的变化不仅提升了速度，而且变得更加高效与智能。在这样一个新时代，伴随着第四次工业革命概念的提出，我们非常高兴来介绍我们工厂的转变。而在未来的几年中，这样的变革将会彻底改变产品的研发、生产与分配的方式。

通过客户、制造商和供应商的数字网络连接，全新的工作流程得以建立。本手册会伴随您了解其发展过程。手册中会写到企业如何利用无处不在的计算能力（云计算）和有意义的可用数据容量（大数据）来扩展新的商业领域。这本书也会回答我们在仪器、机器人、设备共同作用下将会产生何种信息物理生产系统，如何生产全新的自动化设备、建立自动化系统，并将其投放到工业装配的国际市场中。

不幸的是，工业4.0既不是一种产品也不是一个流程。首先，与其说它是一个项目，不如说它是在制造工业中的一种提议、一种需求。这种需要意味着要将当今信息与通信技术、新型智能化制造设备以及制造系统不断融合发展。英语中“智能工厂”的概念同样可以应用于此。每个企业都需要为自身的发展而决定他们的智能工厂是怎样的。为此，公司的高级管理层需要草拟合适的项目，旨在定义与搭建公司自己的智能网络制造系统。至少以下工业4.0的组件（也就是智能工厂的组成部分）是众所周知的：信息物理制造系统、传感器网络、云服务、大数据分析、数据保护与数据备份。简而言之就是数字化工厂。同时，也不可忽视协作机器人等感知物理辅助系统的使用。

从本手册中读者可以了解到：如何通过投入新的技术在经济上实现用于客户个性化产品与服务的新型制造系统。同时，产品与服务的联合以及以软件为基础的新型商业平台也将投入应用。本手册也将介绍我们如何将现有的资源转变为智能工厂。许多可获得的自动化元件、机床以及加工机械已经实现向工业4.0转化或者准备向其转变。而其挑战在于通过信息物理系统（CPS）实现有效的实时通信。

本手册共分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。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。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。

本手册将已经引入、并在消费市场所建立的信息技术与通信技术所属的设备同新结构、新流程的发展结合起来。任何一家想要在接下来的几年内保持竞争力的企业，都已经致力于工业4.0的研究。而本手册则是在这个工业4.0新时代道路上一个不可或缺的参考。

在这里我衷心感谢众多的作者、我的同事以及其他的工作人员。他们自发而主动地着手于本手册中观点的研究，并丰富了手册的内容。正是这样，我们才可以在如此短的时间内编写出这样的著作。同时，我非常感谢本手册的编辑们，特别是Dino Knoll先生。他和他的同事们不知疲倦地投入到书稿的排版工作，使之在内容和时间的排序上更协调，其中的概念更匹配，从而得到一个更具有实践意义的著作。最后我要感谢Hanser出版社，特别是Volker Herzberg先生和Julia Stepp女士，感谢你们为本手册提供的专业支持，使整本书能够完成并出版。

Gunther Reinhart

2017年4月于慕尼黑