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从过程进化维度看智能制造

  在数字智能化时代,制造企业纷纷希望通过数字智能技术(或说实施智能制造)实现转型,实质上是谋求企业进化。但在实施智能制造的过程中,有的企业专业人员更多地聚焦在数字智能技术上,如此很容易流于为数字化而数字化,为智能化而智能化。无论是从学术上还是实践上,都不能忘记:

  高效是所有企业追求的目标,它和低成本紧密联系在一起。自动线、机器人等技术是实现高效的常用方式。以雷柏公司为例,他们通过标准化无线键鼠生产过程用到的电子元器件的托盘,按固定位置存放不同种类、不同形状电子元器件,固化了用工业机器人抓取电子元器件的动作,为不同生产线模块化且柔性生产提供了可能性。他们用机器人替代无线接收器的传统组装,降低了人工之不良因素,确保效率和品质的提升,其实施效果如图1所示。也就是说雷柏通过应用机器人等自动化和智能技术,使无线键鼠生产过程进化,达到了提高效率的目的。

  很多场合,软件是提高效率的很好手段。如某企业使用开目三维CAPP(计算机工艺辅助规划)软件,其主要特点是:基于知识,提高可复用性;具有三维工艺模型和G代码自动生成;能进行三维工艺仿真验证,试样次数少;工艺开发项目管理化,周期短。软件的应用使工艺开发周期从120天降为80天,缩短周期30% 。

  质量是企业的生命线。数字-智能技术的应用可以更好地控制装备的加工过程,或者说让加工过程进化,达到提高加工质量的目的。

  内蒙伊利集团是目前中国规模最大、产品线最全的乳制品企业。伊利为了保证乳品质量,在乳品生产中通过应用先进技术,保证质量安全可追溯。通过相关环节物料的信息化记录来溯源产品的整个生产加工过程,并延伸至供应链管理与销售终端客户。该体系可清晰记录整个供应链中涉及的物料品质信息、 流向信息、工艺信息等,一旦发现问题可以快速召回和追溯。产品信息追溯系统整体架构涉及生产链条的各个环节,如图2所示。伊利通过应用数字化技术使原料采集和生产过程改善(进化),从而达到保证质量的目的。

  绿色应该成为现代企业的常识。绿色制造不仅要解决污染问题,而且要考虑减少能源和原材料消耗。这是因为制造业能耗占全球能量消耗的33%,CO2排放的38%。当前许多制造企业通常优先考虑效率、成本和质量,对降低能耗认识不够。实际上,不仅化工、钢铁等流程行业,而且在汽车、电力装备等离散制造行业,对节能降耗都有迫切的需求。以离散机械加工行业为例,我国机床保有量世界第一,约800多万台。若每台机床额定功率按平均为5~10kW计算,我国机床装备总的额定功率为4000万~8000万kW,相当于三峡电站总装机容量2250万kW的1.8~3.6倍。智能制造技术能够有力地支持高效可持续制造。首先,通过传感器等手段可以实时掌握能源利用情况;其次,通过能耗和效率的综合智能优化,获得最佳的生产方案并进行能源的综合调度,提高能源的利用效率;还可以与电网开展深度合作等,进一步从大系统层面实现节能降耗。

  用户体验、个性化、服务等都可以作为企业的目标。本质上这些可看成是“客户为中心”理念衍生的具体目标。数字化和智能化技术越来越多地用到装备上。图3所示为华中数控开发的新一代智能机床(iMT),其中包括温度、振动、视觉、电流等传感器和编码器,伺服PID实时调节控制等。不仅有智能硬件,还有一些智能软件,如机床全生命周期数字双胞胎、大数据分析、机器学习等。正是这些智能硬软件赋能机床,致使加工过程进化,保证高效率、高质量。

  智能制造系统无论多“智能”,不能不考虑人。GE在其工业互联网项目中就非常重视人这一要素,强调在任何时候联结工作中的人,支持他们进行智能设计、运行、维护、以及高质量的服务等。企业中的大量软件信息系统,实际上也是使人更能。如CAD软件帮助设计者更快更好地完成设计工作;MES(制造执行系统)帮助车间人员的调度工作。企业中信息的互联,不仅是机器之间,而且机器与人、人与人之间都需要信息的交换。各种工作过程中的人,只有对信息的充分掌握,才可能使过程最快最好。因此进行任何过程的优化,一定要体现在人这一载体上。某种意义上,给设备赋能也意味着给人赋能。图4是数控机床的信息物理系统。CPS系统由设备层、感知层、网络层、认知层和控制层组成,形成人、产品、物理空间和信息空间的深度融合,是实现智能制造系统的基础。在CPS认知层上,建立机器的CPS模型是机器实现智能制造的关键。注意,这里存在人机交互,人机融合。

  对应第四次工业革命的“工业4.0”的基本思想是CPS,即数字-物理世界的深度融合,也就是比特世界与原子世界的深度交叉融合,由此而使人类更易洞察现实和物理世界,并创建更多的人类不断追求向往的“超自然存在”(自然世界原本不存在的东西)。融合就需要互联,尤其是物联网技术出现之后。互联技术深刻地改变着世界,当然也深刻地改变着制造业。过程内部的各环节各要素的信息要互联。如加工过程中,材料、刀具、温度、振动、电流、功率、尺寸甚至噪声、图像,这些信息并不是相互独立的,是耦合在一起的,而且是随时间动态变化的;有些信息转换成普通的数据,有些还是非结构化的。在无法互联的时代,过程中的关联细节就像一个黑洞。一旦互联,再加上大数据分析、智能分析工具,人类当然就有可能更深刻地洞察过程的规律,从而使过程进化。处于一个系统中不同的过程之间其实也有关联,因此不同过程之间也应该有信息互联。上下游过程自不待言,非上下游关联的过程间也会有关联。如某一零件的加工过程,车间里其它很多过程与其相关,如物流过程、生产计划过程、质量监控过程等等。更有甚者,不同企业之间可能存在过程联系,如远程诊断服务。图5是马扎克远程诊断系统(Maza-Care)。客户的Mazak机床的运行状况信息能够即时传递到马扎克在线小时无线监控系统,可以短时间内掌握正确的机床状况。若出现故障,通过在线服务中心的操作,可以实现远程技术支持,迅速支持客户在发生故障时进行恢复,尽可能减少停机时间。这是典型的不同企业之间的过程信息互联。

  企业的业务过程显然不是一成不变的,早期作坊式工场和后来的大批量流水式生产,似乎天渊之别。现在的个性化定制以及大批量个性化定制与大批量流水线模式又有很大区别,其过程自然有别。业务过程的重组是企业过程进化的一个重要方面。重组可因技术变化而自然演进,也会因为管理理念或模式的改变而催生。图6是GE的涡轮螺旋桨发动机,据GE声称,他们通过增材制造技术把原来855个零件合并成11个。发动机重量减轻,燃油消耗降低20%,功率提高10%。从制造流程而言,因为增材制造技术的应用而致的流程改变可想而知。

  20世纪90年代,一些管理学者开始意识到企业流程重组的意义。Hammer和Champy将业务流程再造(BPR)定义为:“针对企业业务流程的基本问题进行反思,并对它进行彻底的重新设计,以便在衡量绩效的重要指标上,如成本、质量、服务和效率等方面,取得显著的进展”。一个制造企业,尤其是大企业,涉及到的部门、环节、活动难以计数,包含的过程林林总总。这里仅介绍值得企业特别关注的主要过程(供应链过程除外)。设计的意义不仅在于获得好产品,还直接影响到下游的制造、装配、服务乃至产品报废的过程。产品设计开发相关的过程很多,几个重要的过程改善有:集成地、并行地设计产品及其相关过程(包括制造及其支持过程)的系统方法。特别注意的是,并行工程的理念强调来自多领域的开发人员需要在集成环境下并行工作。在数字化和网络化时代,多领域的人员可以在网络环境中协同工作,而不必时刻坐在一起。也就是说:

  既然人类正在迎来一个数字和物理世界深度融合的年代,这就注定了人类的很多活动会在虚拟世界中进行。工业正是虚实融合的前沿领域,而产品设计开发自然首当其冲。图7是数字化设计与制造的考虑,表明数字化技术可应用到从需求分析、概念设计、仿真分析、工艺验证、制造、质量验证、乃至运维服务以及报废处理。当然这种思维的实践最初还是局限在产品设计和制造(加工)的范围。

  在这样一个互联的时代,人们突然发现天上飘着的朵朵白云并非虚无缥缈。云平台既然走进千家万户,没有理由不在产品开发过程中一试身手。图8是海尔开的工业互联网平台COSMOPlat,此平台也是一个开放性的创新平台,形成了一个中国独创的工业互联网生态。

  制造业中,工艺(这里包括装配工艺)过程至关重要,直接影响产品质量和生产成本。因此,改善工艺过程是制造企业的永恒线)利用数字化技术改善工艺操作及过程管理。通过数字化工艺软件改善工艺过程是很多离散制造企业常用的方式。现在大多数机械制造企业都应用CAPP(计算机辅助工艺规划)软件。图9是开目基于三维的装配工艺设计。

  生产线中工艺过程的监控需要利用数字化、传感等技术。例如伊利液态奶数字化工厂,实现了从收奶到产品入/出库所有环节由中央控制系统控制。具体的生产工艺流程如下:收奶系统(原奶过磅原奶检验过滤储存)标准化系统(净乳标准化巴氏杀菌储存)超高温(UHT)灭菌工艺段(脱气均质预保温超高温UHT灭菌)无菌输送无菌灌装喷码全自动二次包装(贴管装箱)码垛检测合格出厂”,如图10所示。

  新技术的应用有可能变革甚至颠覆传统的工艺方法和流程。例如,3D打印技术可以成形出常规工艺无法制造出的任意复杂形状零件,但由于打印金属种类限制和成本原因,目前无法取代传统的成形技术。但3D打印技术与某些传统成形工艺结合却能产生意想不到的结果。

  材料技术的发展使新材料的应用越来越迫切,新材料的制造工艺往往是阻碍其应用的瓶颈。因此,需要寻求合适的工具加速新材料工艺的开发。近些年来,ICME(集成计算材料工程)成为受到学界和业界关注的方法和工具。ICME是材料基因工程的基本组成元素,它在计算材料科学的基础上,整合计算材料模型、数据和工具,使其成为一个有机的系统,实现材料开发、制造工艺优化、新产品设计一体化。在制造领域,ICME在成形制造方面的作用比较明显。如,塑性加工过程的ICME是针对整个塑性加工过程的材料变形和微结构演变及其与性能的关系,建立稳健的并经过全面验证的模拟方法,使之大部分替代或完全替代物理实验过程,确保加工过程的合理性及产品力学性能达到要求。图12显示ICME在塑性加工方面的应用范围。

  在美国德克萨斯大学,W.M.Keck中心的Wicker教授团队研发出嵌入了微处理器和加速度计的模具(通过3D打印技术),使得成形过程中更好地监测工艺参数,以保证加工质量,如图13所示。图13 带有微处理器和加速度计的模(W.M.KeckCenter,UniversityofTexas, ElPaso)

  企业的目标,如效率、成本、质量、绿色等都应该落实在车间,智能制造自然也应该落实到车间。车间是制造生产的关键环节,工艺、生产计划调度、物料配送、质量控制等任何一个环节足以影响全局。一般而言,在车间生产过程控制中,MES(制造执行系统)起着关键作用。很多企业在数字化转型过程中往往首先关注产品开发以及生产管理销售,而车间的信息化却很薄弱,如图14所示。但缺少中间环节的数字化支撑,即使有一个功能强大的ERP系统,也不可能真正发挥作用。

  有些企业已经把服务上升到企业的目标之一。不同的行业服务的形式不一样,这里仅介绍装备制造业中两种常见的服务过程进化形式。很多装备制造企业不仅卖产品,而且卖服务。一方面是客户为中心之理念所致,另一方面也是企业价值链的延伸。例如,陕鼓动力形成了基于全生命周期运行与维护信息驱动的复杂动力装备可持续改进的制造服务及系统保障体系,如图15所示。值得注意的是,通过对设备运行数据的监测、诊断,设备的状态、故障及服务信息可以反馈回来,以供产品改造升级之用。

  对于某些行业(如工程机械),其产品在工程现场运行的具体问题,以前设备制造商无需顾及。随着客户为中心理念的普及以及数字化、网络化技术的发展,制造企业开始关注设备的施工作业问题。以日本小松为例,它让工程人员通过无人机进行航空测绘(图16),生成高精度的施工现场三维数据模型,并根据模型智能精准匹配相应数量和种类的小松工程机械。这款无人机采用的是美国Skycatch商用无人机,由大疆提供部分硬件,并搭载上世界上最先进的三维测量技术和Skycatch强大的数据处理能力。

  较之传统的施工方法,智能施工可以使用户方便地提高施工质量、效率且降低成本。这里用到的技术,除了视角传感、数据分析、三维建模、仿真外,很重要的是“云”,它是实现数据交换、计算等功能的枢纽。小松开发的智能施工云服务平台(SmartConstructionCloud)“小松云”,如图17所示。

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