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智能制造的關鍵技術與最新應用

來源:互聯網

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞:智能制造 產能設計 柔性化

    一、智能制造產業(yè)與技術背景

      制造技術的發(fā)展趨勢很明確,首先是個性化,產品全生命周期(設計、制造、運作等)需滿足客戶個性化需求。其次是定制化,從產能設計到制造,需要柔性化的生產線支撐,實現多品種產品生產的動態(tài)配置資源,最后是綠色化,企業(yè)應考慮如何提高能源利用效率,實現工業(yè)生產“綠色環(huán)?!?。所以從制造的趨勢來看,以后的需求是多品種多批量、高質量低成本、柔性制造快速響應、節(jié)能減排環(huán)境友好等。

      智能制造的核心定義是什么?以前認為企業(yè)規(guī)模越大越好,但現在我們認為大企業(yè)不一定好,比如手機行業(yè),以前的巨無霸諾基亞被小企業(yè)所擊敗。那么這些小企業(yè)的核心競爭力是什么?第一是效率,電子類產品的產品更換周期非???,這個時候就看誰能夠抓住機遇,充分利用能源和資源,滿足客戶的需求。第二是開發(fā),從概念設計到方案到制造出來,能夠快速的把產品送到客戶手上,有更短的創(chuàng)新周期,產品有創(chuàng)新不行,還要把它制造出來,而且是低成本的制造,所以需要柔性化的制造方式,我們希望制造一批產品和制造一個產品的成本是一樣的。制造業(yè)的核心從以前的以規(guī)模為主變成現在的效率為王,快魚吃慢魚。

      目前,全世界都對制造業(yè)高度重視,美國90年代的時候制造業(yè)是一個夕陽行業(yè),所以對制造業(yè)不是很重視,大力發(fā)展的是新興產業(yè),比如芯片、軟件、計算機等。奧巴總統(tǒng)上臺以后發(fā)現,尤其是2008年金融危機以后,如果只發(fā)展新興產業(yè),沒有制造業(yè)支撐,整個國家的創(chuàng)新能力會消退,對經濟、就業(yè)也有很大的影響。所以他最近提出“再工業(yè)化”的口號,希望通過再工業(yè)化奪回制造業(yè)第一的地位,美國是市場經濟,國家對市場的投入非常少?,F在推出國家制造業(yè)創(chuàng)新技術聯盟計劃,每年投10億美金做這件事情。農業(yè)方面,因為能源對制造業(yè)的影響非常大,現在美國在油氣方面有新的進步,制造成本比中國更低。德國最近提出工業(yè)4.0的計劃,目標是保持德國在世界工業(yè)中的領先地位,主要有兩點,第一是創(chuàng)新,第二是提高出口量。中國要從大國變成強國,是一個很大的挑戰(zhàn),也是一個機遇?,F在中國勞動力緊缺,并且中國產品質量低,所以中國的產品要提高質量是很關鍵的,還有節(jié)能立法的問題。

      如果把制造的勞動力成本、能耗成本、原材料成本都考慮進去,把美國作為標準,設定為100,德國比美國高一些是116,日本比美國也高,中國是美國低一些,但是只低了5%,以前中國制造業(yè)的發(fā)展是勞動力成本比較低,制造成本比較低,所以吸引一批企業(yè)到中國大陸做生產。而現在靠成本吸引制造已經不夠了,如果再考慮其他因素,那么中國和美國相比,制造上已經沒有優(yōu)勢了。

      舉例說明,富士康是全球最大的電子制造企業(yè),富士康以前在臺灣,后來遷到深圳,又從深圳往北方、西部遷移,去年遷到貴陽、河南、武漢。最近發(fā)現中國的成本也很高,所以下一步可能會遷到東南亞國家。這種企業(yè)對成本的敏感度非常強,中國制造業(yè)勞工成本的上升趨勢是不可逆的。

      中國以前處在微笑曲線的最低端,消耗的資源很大,附加值低,現在中國要往微笑曲線的兩端發(fā)展,就是提高附加值,向服務和設計轉移,所以產業(yè)要升級。同時勞動力成本上升已經不可避免,并且在世界節(jié)能減排會上各國對我國政府施加的壓力很大,以后排放要作為政府對企業(yè)的硬性指標,就是企業(yè)不但要生產產品,而且要保證以低消耗的方式生產產品。而且以后資源的消耗排放,可能會作為一種資源進行交易,比如說這個企業(yè)的消耗比較低,可以把配額賣給其他企業(yè)。中國制造業(yè)的機遇是發(fā)展先進制造技術,實現產業(yè)的升級。

      面對制造技術的發(fā)展,美國提出了第三次浪潮的概念,德國提的是工業(yè)4.0,第一次浪潮是機械技術生產的出現,從手工時代過度到大規(guī)模的生產時代,主要的載體是煙斗、機器和工廠,主要在英國、歐洲大陸發(fā)生。第二次工業(yè)革命是在上世紀50年代發(fā)生的,就是IT技術的時代,美國走在全世界的最前面,現在的芯片、軟件、相應的IT技術,基本上都由美國公司主導。第三次浪潮,美國希望利用它的信息技術與制造技術的相結合,從而奪回工業(yè)第一的地位,所以提出了“工業(yè)互聯網”的概念,實際上這個概念和德國的工業(yè)4.0概念是一致的,就是把大數據和機器結合起來,把制造業(yè)的經驗、知識變成數字化。

      德國提出了工業(yè)4.0的概念,德國工業(yè)的1.0是工業(yè)革命,蒸汽動力取代了動力;第二次工業(yè)革命是電機發(fā)明和電能使用,使長距離的分配和大規(guī)模生產成為可能;第三次工業(yè)革命使用的是RT技術,德國人做的是PRC、數控,所以德國人在自動化方面非常強。在自動化的基礎上,德國人把信息技術和自動化技術結合,實現智能化,因此第一次工業(yè)革命是機械化時代,第二次工業(yè)革命是電氣化時代,第三次工業(yè)革命是數字化時代,第四次工業(yè)革命是智能化時代。

      我有幸的參加了中國的一些智能制造的規(guī)劃,中國對智能化很重視,前段時間習近平總書記在兩院院士大會上,對機器人有一段專門的講述?,F在機器人也是智能制造的一部分,各個部委,包括發(fā)改委、科技部認為機器人以后可能是國家的重大專項。

    二、智能制造基本內涵與關鍵技術

      到底什么是智能制造?我們認為智能制造是先進制造技術與信息技術的深度融合,是我國傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級和戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展的共同使能技術。智能制造是制造科學的研究前沿,革新傳統(tǒng)制造的科學基礎、技術體系與應用模式,使制造技術從“經驗試湊”轉向“科學計算”從而實現基于科學的制造。數字化和智能化是新一代產業(yè)變革的切入點和核心。

      我們可以分析一下,目前我國比較重要的行業(yè),比如航天航空航海;國家支柱產業(yè),比如汽車制造、電子制造,目前主要存在三個問題,第一“造不出”,第二“造不好”,第三“造不及”。解決了這三個問題最后才能實現快速產品開發(fā)、高效開發(fā)。智能制造的概念是一個系統(tǒng)概念,從裝備到車間,到整個系統(tǒng)都涉及到概念與體系。這里面涉及到智能設備、智能系統(tǒng)和智能檢測,最后要實現信息、數據在這個系統(tǒng)里面采集、分析、優(yōu)化。智能制造和大數據應該是緊密相關的,做PLM的人都知道,如果沒有數據就沒有經驗知識,物聯網時代使大數據的采集非常方便。

     

    大數據循環(huán)

      智能制造包括幾個方面,第一是產品,中國制造業(yè)要升級,首先是產品升級,要做一些高附加值的產品,或者說我們做的產品價錢很低,制造成本非常高,那肯定是沒有辦法持續(xù)的。第二是全產品生命周期、全價值鏈的考慮。第三,能夠適應不同行業(yè)工況的變化,可以靈活決策。德國工業(yè)4.0也好,智能化以后,實際上是信息化和工業(yè)化的融合,就是CPS的概念。

      智能制造的技術路線,通過軟件和網絡進行產品開發(fā)、產和服務溝通,在設計和制造商,機器與產品實時進行信息和指令交互,進行全過程的虛擬仿真。設備和工藝要能支持智能制造,所以自主控制和優(yōu)化。

      智能制造不是可以一蹴而就的,要分階段實施。首先是數字化,數字化沒有做好就想做智能化是比較困難的。第二網絡化,利用自組織網絡,動態(tài)配置資源,實現研究、設計、生產和銷售各種資源重組。第三智能化,這里面存在發(fā)展周期的問題。

      智能制造有三個集成,第一個是產品集成,從客戶需求到產品開發(fā)到產品生產、產品服務,整個過程的數據每個產品都是唯一的,是可以檢測的。第二制造過程集成,從設計、生產、物流、營銷,怎么利用全行業(yè)的資源組織生產。第三個是制造體系集成,從單個裝備到生產線,然后到整個制造車間,全面實現PCM、MES、ERP集成。

      智能制造的發(fā)展方向,第一產品智能化,產品的提升是制造業(yè)的根本,產品智能化可以分為幾個階段,比如說汽車,汽車以前是一個機械產品,現在汽車變成了電子產品,因為汽車里面的傳感器價值已經超過了機械,以后會變成智能產品?,F在比較簡單,是人機交互,語言可以識別你的身份,進一步發(fā)展可以咨詢工況,最高階段是無人駕駛。不只是在汽車行業(yè)如此,像家電、飛機、航空都是這樣的發(fā)展過程。

      智能制造發(fā)展方向的裝備智能化,以后智能裝備特點可能是將專家的知識和經驗融合感知、決策、執(zhí)行等制造中,賦予產品制造在線學習和知識進化能力,這樣會使產品越用越好用,實現自學自律制造。在車間智能化,這里面需要對裝備、生產線、物流,包括整個生態(tài)體系做全面的監(jiān)控,這樣生產一件產品和一批產品質量是一樣的,所以這是一個柔性化生產。還有供應鏈智能化,現在很多大企業(yè)都是做總裝的,供應鏈、零部件依托其他的供應商,以前的物流是純物流,零部件到廠里儲備好了才能開始組裝。現在先進的企業(yè)是拉的,需要多少供應商提供多少,是零庫存。

      再看一下制造模式的改變,現在制造企業(yè)的形態(tài),從第一次工業(yè)革命以后發(fā)生了很大的變化,從生產線的組織然后到工廠,再向公司轉變,又向網絡轉變。網絡改變了溝通方式,現在很多人都用手機溝通。網絡也改變了交易模式,馬云的阿里巴巴在美國上市,成為全球第一大企業(yè),以前的工廠模式是不可能實現的,所以網絡改變了交易模式。再看網絡改變生產的模式,現在生產是全自動生產方式,我們認為這個生產模式是有可能的,以后資源的配置可能需要通過網絡招標組織,利用全球最好的資源做制造?,F在資源的分配相對不均衡,未來的企業(yè)會有兩種企業(yè),一種是極小型一種是極大型,極小型企業(yè)做一些概念創(chuàng)新,可以在家里工作,幾個人就可以把這個概念設計制造出來,制造出來以后通過3D打印把它制造出來。制造的概念有很多,最核心的是人工智能技術、集成技術和數字制造技術。

      人是很智能的,人的大腦對應的是決策和學習,人的四肢相當于電機,人的感官就相當于傳感器。這里面包含數字化制造的核心技術,還有機器人技術,現在機器人非常熱,以后每個制造車間里面有大量的機器人工作。我們最近得出一個數據,2012年中國工業(yè)機器人銷量為達到8萬臺,已經成為世界第一了。另外還有智能傳感,要想把數據采集基礎就必須和物聯網、傳感器結合。

    三、智能機器人技術及應用

      我下面簡單介紹一下我們做的工作,機器人是一個綜合概念。機器人在工業(yè)的應用比較早,我國最早是噴涂機器人,漆對人體有傷害。第一條生產線在十堰東風,之后做焊接工作,現在機器人用的最多的還是焊接車間,需要速度很快。現在最新的發(fā)展是機械加工,用機器人打磨,前段時間上海有一個企業(yè)發(fā)生粉塵爆炸,用機器人可以避免這個問題,因為人工打磨對人體傷害很大,而且效率很低,機器人打磨可以提高效率和精度。現在中國的產品想要出口到國外就必須是機器人打磨,他們認為工人打磨是非人道的。

    四、基于RFID的智能工廠技術

      RFID是非劫持式的自動知識技術,可讀可寫,而且可以批量進行。RFID技術有很多功能,第一可識別,第二可定位,第三可感知,第四可聯網。RFID技術應用在各個方面,比如車間、物流等等。RFID在智能制造中有很多應用,可以提升產品智能化形象,提高產品設計、生產、銷售、售后、維修全程的質量和服務水平,實現產品全生命周期。

      在數字化車間中,RFID也有幾方面的應用,包括輔具管控、智能維護和混流制造?;炝骶褪窍Ma線上的每一個產品都不一樣。我們在上海通用五菱、美的家用空調產線上都有采用到RFID技術。在物流方面,RFID的使用面也非常廣泛,物流以前是被動的,RFID可以由被動向主動感知。

    五、華中科技大學機械科學與工程學院簡介

      華中科技大學機械科學與工程學院是華中科技大學最強的學院,在2012年教育部的評估里面排名全國第一,這個學院有三個特點,第一人才非常強,第二國家機創(chuàng)新平臺很強,建成了“課程教學—基礎研究—技術研發(fā)—成果轉化”的國家級創(chuàng)新平臺鏈。第三,我剛才說了制造業(yè)有兩個發(fā)展趨勢,一個是往極敏化發(fā)展,一個是往速度化發(fā)展。我們在數字化、自動化、智能化的研究都處在全國前沿。華中科技大學有三個企業(yè)已經上市了,人才隊伍非常強。學科方向就是制造裝備數字化、智能化。無論是教學還是科研、成果轉化方面,我們的創(chuàng)新經驗非常強。我們也承擔一批重大科研開發(fā)項目,實現行業(yè)引領。

      適應性(adaptive)與自律性(autonomous):數字化智能化制造不懈的追求。

      本文根據發(fā)言整理,未經本人確認!


    (審核編輯: 智匯小新)

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