工業(yè)4.0背景下的機(jī)械加工業(yè)優(yōu)化升級(jí)

葉智勇

2003德國(guó)提出了工業(yè)4.0戰(zhàn)略，其目的是為了提高德國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。德國(guó)的工業(yè)4.0戰(zhàn)略得到了我國(guó)政府積極響應(yīng)，之后中德雙方簽署了《中德合作行動(dòng)綱要》，工業(yè)4.0進(jìn)入中德合作新時(shí)代。在此背景下我國(guó)的機(jī)械加工業(yè)的優(yōu)化升級(jí)顯得很迫切也很必要。

一、工業(yè)4.0下的機(jī)械加工業(yè)

1.工業(yè)4.0。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可以這樣來(lái)劃分：【工業(yè)1.0】蒸汽時(shí)代，生產(chǎn)方式進(jìn)入機(jī)械化；【工業(yè)2.0】電器時(shí)代，生產(chǎn)方式進(jìn)入自動(dòng)化；【工業(yè)3.0】信息時(shí)代，生產(chǎn)方式變?yōu)殡娮踊弧竟I(yè)4.0】智能時(shí)代，生產(chǎn)方式智能化。云計(jì)算下的云敏捷生產(chǎn)。其核心是信息物理系統(tǒng)的深度融合。

所謂的工業(yè)4.0（Industry4.0）指的是企業(yè)將產(chǎn)品、機(jī)械、物流系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)施、服務(wù)通過(guò)信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IOT）整合成一個(gè)全球網(wǎng)絡(luò)。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)里，這種 CPS 網(wǎng)絡(luò)由智能機(jī)械、智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)和智能生產(chǎn)設(shè)施組成，這些組成部分之間能夠獨(dú)立自主地交換數(shù)據(jù)和信息、觸發(fā)行動(dòng)指令和交互控制。這種 CPS 網(wǎng)絡(luò)將根本性地改變生產(chǎn)制造、工程設(shè)計(jì)、材料使用、供應(yīng)鏈和產(chǎn)品生命周期管理等環(huán)節(jié)。每一個(gè)智慧產(chǎn)品都是可以通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)簽來(lái)確定的，隨時(shí)在線(xiàn)，隨時(shí)定位，記載自己生命周期的全部歷史，目前狀態(tài)完全可查，并且實(shí)現(xiàn)目標(biāo)狀態(tài)的路徑可選，最后達(dá)到快速、有效、個(gè)人化的產(chǎn)品供應(yīng)。

工業(yè)4.0項(xiàng)目主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D打印技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等。

2.工業(yè)4.0對(duì)機(jī)械加工的新要求。三次工業(yè)革命以來(lái)，通過(guò)大規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，人們的基本需求得到了滿(mǎn)足，但是人們的個(gè)性化需求受到了壓制。個(gè)性化或定制化的產(chǎn)品不可能依照現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化流水線(xiàn)生產(chǎn)來(lái)大批量生產(chǎn)，這就對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械加工業(yè)提出了新的要求。

工業(yè)4.0對(duì)機(jī)械加工業(yè)的新要求：（1）滿(mǎn)足客戶(hù)的個(gè)性化需求；（2）低成本的個(gè)性化生產(chǎn)；（3）大規(guī)模的的個(gè)性化生產(chǎn)；（4）“少人化”生產(chǎn)。

工業(yè) 4.0 最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)也不光是自動(dòng)化，而且是分散地自動(dòng)化生產(chǎn)。未來(lái)客戶(hù)的需求會(huì)及時(shí)得到響應(yīng)，但不一定集中在一個(gè)工廠，可能是在消費(fèi)者周邊就近自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)每個(gè)客戶(hù)的需求是不一樣的，個(gè)性化或定制化的產(chǎn)品不可能大批量生產(chǎn).這使得 3D 打印技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景。

二、當(dāng)前的機(jī)械加工流程

目前我國(guó)的傳統(tǒng)機(jī)械加工業(yè)還處于離線(xiàn)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和服務(wù)和離線(xiàn)的營(yíng)銷(xiāo)和合作模式中，消費(fèi)者的需求不能及時(shí)反饋到生產(chǎn)廠家，兩者沒(méi)有交流和互動(dòng)，這使得產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)不夠及時(shí)、不能滿(mǎn)足消費(fèi)者的真實(shí)、個(gè)性化需求。生產(chǎn)廠家的信息化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化程度還很低，主要依靠人力，這會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、廢物率高、生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。

傳統(tǒng)的機(jī)械加工流程如圖1所示：

如上圖所示，目前我國(guó)機(jī)械加工業(yè)的現(xiàn)狀為：（1）信息化低。機(jī)械設(shè)備的信息化程度低，組織管理信息化低；（2）網(wǎng)絡(luò)化低。沒(méi)有高效網(wǎng)絡(luò)將企業(yè)的人、設(shè)備、原料、環(huán)境等有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，不能進(jìn)行及時(shí)人與人、人與設(shè)備的聯(lián)系交流；（3）自動(dòng)化程度低。生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品與設(shè)備沒(méi)有信息交流只能依靠工人的直接操作來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，設(shè)備和設(shè)備之間也沒(méi)有聯(lián)系，甚至需要工人將半場(chǎng)品從一個(gè)設(shè)備搬運(yùn)到另一個(gè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行下一步的加工。

三、機(jī)械加工的升級(jí)優(yōu)化

工業(yè)4.0以CPS為基礎(chǔ)。這意味著網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入工廠大生產(chǎn)，是一個(gè)嶄新的工業(yè)制造邏輯和方式。所謂CPS，就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)體物件進(jìn)行相互連接，應(yīng)用相同的語(yǔ)言，進(jìn)行溝通并相互理解。過(guò)去是以中心控制指揮系統(tǒng)為核心來(lái)指揮生產(chǎn)，現(xiàn)在有了CPS就會(huì)產(chǎn)生完全不同的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。CPS運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品和機(jī)器之間可以進(jìn)行信息互聯(lián)和溝（下轉(zhuǎn)第31頁(yè)）（上接第10頁(yè)）通，由產(chǎn)品所附帶的信息告訴機(jī)器需要什么樣的生產(chǎn)過(guò)程，以制造出符合客戶(hù)要求的產(chǎn)品。

工業(yè)4.0 的愿景是在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)論原料、半成品還是待交付的產(chǎn)品，均有各自編碼標(biāo)簽，在原料上生產(chǎn)線(xiàn)之后，可全程自動(dòng)確定每道工序、生產(chǎn)的每個(gè)流程，包括加工、裝配或物流包裝等，一切過(guò)程數(shù)據(jù)也都記錄在案可供追溯；更重要的是在一條生產(chǎn)線(xiàn)上，可通過(guò)預(yù)先設(shè)置控制程序，自動(dòng)裝配不同元件，生產(chǎn)出各具特性的產(chǎn)品。由于“產(chǎn)品”與“機(jī)器”實(shí)現(xiàn)了“溝通”，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程都實(shí)現(xiàn)IT控制，生產(chǎn)效率會(huì)大大提高，而且可以對(duì)所有元件及工序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和處理，工廠可做到24小時(shí)內(nèi)為客戶(hù)供貨。此外，由于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以挖掘分析質(zhì)量數(shù)據(jù)，使得次品率大大降低。

根據(jù)工業(yè)4.0的概念要求和現(xiàn)有機(jī)械加工的情況，提出了對(duì)現(xiàn)有機(jī)械加工業(yè)的升級(jí)優(yōu)化建議：

1.創(chuàng)造滿(mǎn)足定制化生產(chǎn)的設(shè)備，客戶(hù)的需求是個(gè)性化的，這就要求在一條生產(chǎn)線(xiàn)上需要生產(chǎn)不同風(fēng)格類(lèi)型的產(chǎn)品。沒(méi)有能滿(mǎn)足定制化生產(chǎn)的設(shè)備是不可能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生產(chǎn)的。以互聯(lián)網(wǎng)為載體基于功能強(qiáng)大、嵌入操作系統(tǒng)和高性能應(yīng)用程序軟件的機(jī)床智能設(shè)備（比如3D打印技術(shù)）可通過(guò)預(yù)先設(shè)置控制程序，自動(dòng)裝配不同元件，流水生產(chǎn)出各具特性的產(chǎn)品。減少加工成本、提高加工工件質(zhì)量、改善工藝流程、提升生產(chǎn)效率增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.智能化車(chē)間。機(jī)器不僅是生產(chǎn)工具和設(shè)備，更是工廠信息網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，機(jī)器不僅延伸人的體力，也延伸了人的腦力，能夠識(shí)別工件，與人交互，按照人編制的控制程序工作，機(jī)器與機(jī)器（物與物）之間也能夠相互進(jìn)行通信，感知相關(guān)設(shè)備和環(huán)境的變化，協(xié)同完成加工任務(wù)，構(gòu)成基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化車(chē)間。

3.建立高效的數(shù)字化企業(yè)平臺(tái)。數(shù)字化企業(yè)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)智能制造的載體。它可以實(shí)現(xiàn)包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程，到生產(chǎn)執(zhí)行和服務(wù)的全生命周期的高效運(yùn)行，以最小的資源消耗獲取最高的生產(chǎn)效率。該平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)需要企業(yè)以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)的強(qiáng)力支持下，集成最先進(jìn)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)及軟件和硬件，如產(chǎn)品生命周期管理（PLM）軟件和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）軟件以及控制和驅(qū)動(dòng)技術(shù)等。最終實(shí)現(xiàn)不管你身處何處，都好像在辦公室和車(chē)間一樣，與你的同事和客戶(hù)保持密切聯(lián)系，調(diào)閱各種文件和檔案，處理各種生產(chǎn)問(wèn)題。

4.將重心調(diào)整到技術(shù)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的早期階段。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程和生產(chǎn)流程中的所有環(huán)節(jié)在生產(chǎn)開(kāi)始之前在設(shè)計(jì)階段就已在虛擬環(huán)境達(dá)到了最優(yōu)化。產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)任務(wù)配置所消耗的時(shí)間、人力、設(shè)備和原材料資源會(huì)得到大幅縮減，生產(chǎn)流程也會(huì)大大改進(jìn)。

（作者單位：中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)股份公司十五工程局有限公司）