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上海鼎湘自动化科技有限公司

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智能制造的核心定义  

2015-04-03 10:44:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、智能制造产业与技术背景

    制造技术的发展趋势很明确,首先是个性化,产品全生命周期(设计、制造、运作等)需满足客户个性化需求。其次是定制化,从产能设计到制造,需要柔性化的生产线支撑,实现多品种产品生产的动态配置资源,最后是绿色化,企业应考虑如何提高能源利用效率,实现工业生产“绿色环保” 。所以从制造的趋势来看,以后的需求是多品种多批量、高质量低成本、柔性制造快速响应、节能减排环境友好等。

    智能制造的核心定义是什么?以前认为企业规模越大越好,但现在我们认为大企业不一定好,比如手机行业,以前的巨无霸诺基亚被小企业所击败。那么这些小企业的核心竞争力是什么?第一是效率,电子类产品的产品更换周期非常快,这个时候就看谁能够抓住机遇,充分利用能源和资源,满足客户的需求。第二是开发,从概念设计到方案到制造出来,能够快速的把产品送到客户手上,有更短的创新周期,产品有创新不行,还要把它制造出来,而且是低成本的制造,所以需要柔性化的制造方式,我们希望制造一批产品和制造一个产品的成本是一样的。制造业的核心从以前的以规模为主变成现在的效率为王,快鱼吃慢鱼。

    目前,全世界都对制造业高度重视,美国90年代的时候制造业是一个夕阳行业,所以对制造业不是很重视,大力发展的是新兴产业,比如芯片、软件、计算机等。奥巴总统上台以后发现,尤其是2008年金融危机以后,如果只发展新兴产业,没有制造业支撑,整个国家的创新能力会消退,对经济、就业也有很大的影响。所以他最近提出“再工业化”的口号,希望通过再工业化夺回制造业第一的地位,美国是市场经济,国家对市场的投入非常少。现在推出国家制造业创新技术联盟计划,每年投10亿美金做这件事情。农业方面,因为能源对制造业的影响非常大,现在美国在油气方面有新的进步,制造成本比中国更低。德国最近提出工业4.0的计划,目标是保持德国在世界工业中的领先地位,主要有两点,第一是创新,第二是提高出口量。中国要从大国变成强国,是一个很大的挑战,也是一个机遇。现在中国劳动力紧缺,并且中国产品质量低,所以中国的产品要提高质量是很关键的,还有节能立法的问题。 2015年中国长三角地区的制造成本仅比美国低5%

是制造业成本的比较图,如果把制造的劳动力成本、能耗成本、原材料成本都考虑进去,把美国作为标准,设定为100,德国比美国高一些是116,日本比美国也高,中国是美国低一些,但是只低了5%,以前中国制造业的发展是劳动力成本比较低,制造成本比较低,所以吸引一批企业到中国大陆做生产。而现在靠成本吸引制造已经不够了,如果再考虑其他因素,那么中国和美国相比,制造上已经没有优势了。

    举例说明,富士康是全球最大的电子制造企业,富士康以前在台湾,后来迁到深圳,又从深圳往北方、西部迁移,去年迁到贵阳、河南、武汉。最近发现中国的成本也很高,所以下一步可能会迁到东南亚国家。这种企业对成本的敏感度非常强,中国制造业劳工成本的上升趋势是不可逆的。

    中国以前处在微笑曲线的最低端,消耗的资源很大,附加值低,现在中国要往微笑曲线的两端发展,就是提高附加值,向服务和设计转移,所以产业要升级。同时劳动力成本上升已经不可避免,并且在世界节能减排会上各国对我国政府施加的压力很大,以后排放要作为政府对企业的硬性指标,就是企业不但要生产产品,而且要保证以低消耗的方式生产产品。而且以后资源的消耗排放,可能会作为一种资源进行交易,比如说这个企业的消耗比较低,可以把配额卖给其他企业。中国制造业的机遇是发展先进制造技术,实现产业的升级。

    面对制造技术的发展,美国提出了第三次浪潮的概念,德国提的是工业4.0,第一次浪潮是机械技术生产的出现,从手工时代过度到大规模的生产时代,主要的载体是烟斗、机器和工厂,主要在英国、欧洲大陆发生。第二次工业革命是在上世纪50年代发生的,就是IT技术的时代,美国走在全世界的最前面,现在的芯片、软件、相应的IT技术,基本上都由美国公司主导。第三次浪潮,美国希望利用它的信息技术与制造技术的相结合,从而夺回工业第一的地位,所以提出了“工业互联网”的概念,实际上这个概念和德国的工业4.0概念是一致的,就是把大数据和机器结合起来,把制造业的经验、知识变成数字化。

    德国提出了工业4.0的概念,德国工业的1.0是工业革命,蒸汽动力取代了动力;第二次工业革命是电机发明和电能使用,使长距离的分配和大规模生产成为可能;第三次工业革命使用的是RT技术,德国人做的是PRC、数控,所以德国人在自动化方面非常强。在自动化的基础上,德国人把信息技术和自动化技术结合,实现智能化,因此第一次工业革命是机械化时代,第二次工业革命是电气化时代,第三次工业革命是数字化时代,第四次工业革命是智能化时代。

    中国的一些智能制造的规划,中国对智能化很重视,前段时间习近平总书记在两院院士大会上,对机器人有一段专门的讲述。现在机器人也是智能制造的一部分,各个部委,包括发改委、科技部认为机器人以后可能是国家的重大专项。

二、智能制造基本内涵与关键技术

    到底什么是智能制造?我们认为智能制造是先进制造技术与信息技术的深度融合,是我国传统产业转型升级和战略性新兴产业发展的共同使能技术。智能制造是制造科学的研究前沿,革新传统制造的科学基础、技术体系与应用模式,使制造技术从“经验试凑”转向“科学计算”从而实现基于科学的制造。数字化和智能化是新一代产业变革的切入点和核心。

    我们可以分析一下,目前我国比较重要的行业,比如航天航空航海;国家支柱产业,比如汽车制造、电子制造,目前主要存在三个问题,第一“造不出”,第二“造不好”,第三“造不及”。解决了这三个问题最后才能实现快速产品开发、高效开发。智能制造的概念是一个系统概念,从装备到车间,到整个系统都涉及到概念与体系。这里面涉及到智能设备、智能系统和智能检测,最后要实现信息、数据在这个系统里面采集、分析、优化。智能制造和大数据应该是紧密相关的,做PLM的人都知道,如果没有数据就没有经验知识,物联网时代使大数据的采集非常方便。

 图2 大数据循环 智能制造的核心定义 - 上海鼎湘自动化科技 - 上海鼎湘自动化科技有限公司

图2 大数据循环

    智能制造包括几个方面,第一是产品,中国制造业要升级,首先是产品升级,要做一些高附加值的产品,或者说我们做的产品价钱很低,制造成本非常高,那肯定是没有办法持续的。第二是全产品生命周期、全价值链的考虑。第三,能够适应不同行业工况的变化,可以灵活决策。德国工业4.0也好,智能化以后,实际上是信息化和工业化的融合,就是CPS的概念。

    智能制造的技术路线,通过软件和网络进行产品开发、产和服务沟通,在设计和制造商,机器与产品实时进行信息和指令交互,进行全过程的虚拟仿真。设备和工艺要能支持智能制造,所以自主控制和优化。

    智能制造不是可以一蹴而就的,要分阶段实施。首先是数字化,数字化没有做好就想做智能化是比较困难的。第二网络化,利用自组织网络,动态配置资源,实现研究、设计、生产和销售各种资源重组。第三智能化,这里面存在发展周期的问题。

    智能制造有三个集成,第一个是产品集成,从客户需求到产品开发到产品生产、产品服务,整个过程的数据每个产品都是唯一的,是可以检测的。第二制造过程集成,从设计、生产、物流、营销,怎么利用全行业的资源组织生产。第三个是制造体系集成,从单个装备到生产线,然后到整个制造车间,全面实现PCM、MES、ERP集成。

    智能制造的发展方向,第一产品智能化,产品的提升是制造业的根本,产品智能化可以分为几个阶段,比如说汽车,汽车以前是一个机械产品,现在汽车变成了电子产品,因为汽车里面的传感器价值已经超过了机械,以后会变成智能产品。现在比较简单,是人机交互,语言可以识别你的身份,进一步发展可以咨询工况,最高阶段是无人驾驶。不只是在汽车行业如此,像家电、飞机、航空都是这样的发展过程。

    智能制造发展方向的装备智能化,以后智能装备特点可能是将专家的知识和经验融合感知、决策、执行等制造中,赋予产品制造在线学习和知识进化能力,这样会使产品越用越好用,实现自学自律制造。在车间智能化,这里面需要对装备、生产线、物流,包括整个生态体系做全面的监控,这样生产一件产品和一批产品质量是一样的,所以这是一个柔性化生产。还有供应链智能化,现在很多大企业都是做总装的,供应链、零部件依托其他的供应商,以前的物流是纯物流,零部件到厂里储备好了才能开始组装。现在先进的企业是拉的,需要多少供应商提供多少,是零库存。

    再看一下制造模式的改变,现在制造企业的形态,从第一次工业革命以后发生了很大的变化,从生产线的组织然后到工厂,再向公司转变,又向网络转变。网络改变了沟通方式,现在很多人都用手机沟通。网络也改变了交易模式,马云的阿里巴巴在美国上市,成为全球第一大企业,以前的工厂模式是不可能实现的,所以网络改变了交易模式。再看网络改变生产的模式,现在生产是全自动生产方式,我们认为这个生产模式是有可能的,以后资源的配置可能需要通过网络招标组织,利用全球最好的资源做制造。现在资源的分配相对不均衡,未来的企业会有两种企业,一种是极小型一种是极大型,极小型企业做一些概念创新,可以在家里工作,几个人就可以把这个概念设计制造出来,制造出来以后通过3D打印把它制造出来。制造的概念有很多,最核心的是人工智能技术、集成技术和数字制造技术。

    人是很智能的,人的大脑对应的是决策和学习,人的四肢相当于电机,人的感官就相当于传感器。这里面包含数字化制造的核心技术,还有机器人技术,现在机器人非常热,以后每个制造车间里面有大量的机器人工作。我们最近得出一个数据,2012年中国工业机器人销量为达到8万台,已经成为世界第一了。另外还有智能传感,要想把数据采集基础就必须和物联网、传感器结合。

三、智能机器人技术及应用

    机器人是一个综合概念。机器人在工业的应用比较早,我国最早是喷涂机器人,漆对人体有伤害。第一条生产线在十堰东风,之后做焊接工作,现在机器人用的最多的还是焊接车间,需要速度很快。现在最新的发展是机械加工,用机器人打磨,前段时间上海有一个企业发生粉尘爆炸,用机器人可以避免这个问题,因为人工打磨对人体伤害很大,而且效率很低,机器人打磨可以提高效率和精度。现在中国的产品想要出口到国外就必须是机器人打磨,他们认为工人打磨是非人道的。

四、基于RFID的智能工厂技术

    RFID是非劫持式的自动知识技术,可读可写,而且可以批量进行。RFID技术有很多功能,第一可识别,第二可定位,第三可感知,第四可联网。RFID技术应用在各个方面,比如车间、物流等等。RFID在智能制造中有很多应用,可以提升产品智能化形象,提高产品设计、生产、销售、售后、维修全程的质量和服务水平,实现产品全生命周期。

    在数字化车间中,RFID也有几方面的应用,包括辅具管控、智能维护和混流制造。混流就是希望生产线上的每一个产品都不一样。我们在上海通用五菱、美的家用空调产线上都有采用到RFID技术。在物流方面,RFID的使用面也非常广泛,物流以前是被动的,RFID可以由被动向主动感知。

五、华中科技大学机械科学与工程学院简介

    华中科技大学机械科学与工程学院是华中科技大学最强的学院,在2012年教育部的评估里面排名全国第一,这个学院有三个特点,第一人才非常强,第二国家机创新平台很强,建成了“课程教学—基础研究—技术研发—成果转化”的国家级创新平台链。第三,我刚才说了制造业有两个发展趋势,一个是往极敏化发展,一个是往速度化发展。我们在数字化、自动化、智能化的研究都处在全国前沿。华中科技大学有三个企业已经上市了,人才队伍非常强。学科方向就是制造装备数字化、智能化。无论是教学还是科研、成果转化方面,我们的创新经验非常强。我们也承担一批重大科研开发项目,实现行业引领。

    适应性(adaptive)与自律性(autonomous):数字化智能化制造不懈的追求。

 

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