集成化智能制造 前景与推动力

2019-07-08 15:04

1. 引言

众所周知,制造业是当今世界创造财富过程中最重 要的资源,制造业是所有地区经济增长的关键因素。随 着德国“工业4.0”概念的引进,近年来,世界各地不 论发达国家或发展中国家都极其重视制造技术的发展。 而制造技术的发展进步则需要在政府和私营部门的共同 努力以及工业界和学术界的密切合作下得以实现,它引 领着制造业向更加光明的未来大步前进。

本文研究了制造技术的发展趋势以及集成化制造 和智能制造的独特特征,介绍了先进制造系统的技术 推动力,并讨论了其未来潜在的发展方向以及所面临 的挑战。

1.1. 第四次工业革命纵观制造系统技术的历史发展进程,人们常常使用


三个基本的标准去衡量其发展:质量、生产力和成本,这三个重要的衡量标准相互关联、密不可分。然而,相对于质量和成本两个标准,早期的工业革命更侧重于对生产力的衡量,换句话说,制造生产力和效率是制造技术进步的焦点,而质量和成本则成为制约因素。在这种情况下,如何提高制造系统的生产力和效率是工业革命中的关键问题。


图1显示出了工业革命的发展进程和特点。第一次工业革命时期,随着18世纪末瓦特蒸汽机技术的引进,生产方式由手工工艺转变为机械生产,由此生产力得到了极大的提高。第二次工业革命期间的20世纪初,亨利·福特(Henry Ford)率先引进电力和传输线,使得 高速批量生产成为标准的生产实践,这使得生产力水平 显著提高并达到了一个全新的高度。第三次工业革命期 间,由于信息技术(IT)和自动化系统相结合[比如弹 性制造系统(FMS)和机器人技术的结合],生产力和 生产效率得到了进一步提高。而如今,迎着第四次工业 革命的曙光,互联网和智能设备正被广泛地应用,以进 一步提高制造系统的生产力和灵活性。

1.2. 不同地区的制造计划 2013年,德国揭开了“工业4.0”战略的帷幕,由

此得到了世界各国对制造系统技术发展的广泛关注[1]。 2011年,美国政府推出“先进制造业伙伴关系”(AMP) 计划。此后,美国其他各种计划蜂拥而出,包括2013年 发布的先进制造业伙伴关系指导委员会“2.0”、2014年 的“国家制造业创新网络”(NNMI)计划,以及美国总 统于2014年12月签署的《振兴美国制造业和创新法案 2014》[2]。近来,美国政府正式推出“美国制造业”计划, 旨在通过促进工业界、学术界和政府伙伴间的密切合 作,进一步“利用现有资源......培育制造业创新能力并 加速商业化进程”[3]。2015年,中国政府正式出台《中 国制造2025》这一面向制造业发展的十年规划和路线图 [4]。由日本牵头的最大的国际合作项目“智能制造系统”

(IMS)计划,也在其IMS2020项目中规划了下一步的发 展路线。

2. 一种新的模式:集成化智能制造

在诸如精益、虚拟以及拥有快速反应系统等当今现 代制造系统技术的众多特征中,有两个突出的特征必定 会延续到下一代制造业中,即集成化制造和智能制造。 如图2所示,市场需求和工艺需求已经将技术的发展模

图1. 工业革命的发展进程和特点。CNC:计算机数值控制器;PLC: 可编程逻辑控制器;ICT:信息和通信技术;CPS:信息物理系统。

式由信息密集型转变为知识密集型,其中,大数据分析 和知识库在当前的生产环境中扮演着重要的角色。

集成化智能制造(i2M)技术的发展受市场需求和 技术进步的驱动,有10项主要技术可以被划定为新的制 造模式的关键元素。如图3所示,这些技术包括:三维

(3D)打印或增材制造、机器人自动化、先进材料、虚 拟现实或增强现实、工业互联网和信息物理系统(CPS) 六大支持元素以及大数据分析、云计算、应用程序和移 动设备四大基本元素。下文将会介绍这些元素是如何影 响先进制造系统的,又或者更具体地说,它们是如何影 响i2M的。

2.1. 集成化制造 制造系统概念的引入始于20世纪60年代数字计算

能力的进步,在当时,制造业中就开始应用了一些集成 化操作。在这种情况下,制造过程中的机器和设备不再 是孤立的,相反,它们成为了同一个系统的组成部分, 所有组件可以高效地协作以提高生产力。例如,计算机 集成化制造系统(CIMS)就已被公司广泛地采用。

物联网(IoT)和CPS技术为将这种集成化提升到 全新的高度,并使其更广泛、更深入、更开放而提供了 绝好的机会。因此,制造系统控制装置不再局限于处理 如材料和机器等实物和设备,如今它们也能够实时地对 大量的数据、信息和知识进行加工处理。这一处理过程 是通过制造中三个层次的集成实现的,即纵向集成、横 向集成和端到端集成[1]。