從過程進化維度看智能制造

0
2021-08-10 來源:?智造苑
「 1. 過程進化的目的 」
 
 
企業過程進化的目的就是為了更好地實現企業的目標。在數字智能化時代,制造企業紛紛希望通過數字智能技術(或說實施智能制造)實現轉型,實質上是謀求企業進化。但在實施智能制造的過程中,有的企業專業人員更多地聚焦在數字智能技術上,如此很容易流于為數字化而數字化,為智能化而智能化。無論是從學術上還是實踐上,都不能忘記:
 
 
企業轉型/企業過程進化/企業智能制造必須圍繞企業的目標。
 
一般而言,企業目標無非是高效、高質量、低成本、綠色等。
 
1)高效
 
高效是所有企業追求的目標,它和低成本緊密聯系在一起。自動線、機器人等技術是實現高效的常用方式。以雷柏公司為例,他們通過標準化無線鍵鼠生產過程用到的電子元器件的托盤,按固定位置存放不同種類、不同形狀電子元器件,固化了用工業機器人抓取電子元器件的動作,為不同生產線模塊化且柔性生產提供了可能性。他們用機器人替代無線接收器的傳統組裝,降低了人工之不良因素,確保效率和品質的提升,其實施效果如圖1所示。也就是說雷柏通過應用機器人等自動化和智能技術,使無線鍵鼠生產過程進化,達到了提高效率的目的。
 
 
 
圖1 機器人自動組裝無線接收器實施效果
 
很多場合,軟件是提高效率的很好手段。如某企業使用開目三維CAPP(計算機工藝輔助規劃)軟件,其主要特點是:基于知識,提高可復用性;具有三維工藝模型和G代碼自動生成;能進行三維工藝仿真驗證,試樣次數少;工藝開發項目管理化,周期短。軟件的應用使工藝開發周期從120天降為80天,縮短周期30% 。
 
2)質量
 
質量是企業的生命線。數字-智能技術的應用可以更好地控制裝備的加工過程,或者說讓加工過程進化,達到提高加工質量的目的。
 
內蒙伊利集團是目前中國規模最大、產品線最全的乳制品企業。伊利為了保證乳品質量,在乳品生產中通過應用先進技術,保證質量安全可追溯。通過相關環節物料的信息化記錄來溯源產品的整個生產加工過程,并延伸至供應鏈管理與銷售終端客戶。該體系可清晰記錄整個供應鏈中涉及的物料品質信息、 流向信息、工藝信息等,一旦發現問題可以快速召回和追溯。產品信息追溯系統整體架構涉及生產鏈條的各個環節,如圖2所示。伊利通過應用數字化技術使原料采集和生產過程改善(進化),從而達到保證質量的目的。
 
 
圖2 產品信息追溯系統整體架構
 
3)綠色
 
綠色應該成為現代企業的常識。綠色制造不僅要解決污染問題,而且要考慮減少能源和原材料消耗。這是因為制造業能耗占全球能量消耗的33%,CO2排放的38%。當前許多制造企業通常優先考慮效率、成本和質量,對降低能耗認識不夠。實際上,不僅化工、鋼鐵等流程行業,而且在汽車、電力裝備等離散制造行業,對節能降耗都有迫切的需求。以離散機械加工行業為例,我國機床保有量世界第一,約800多萬臺。若每臺機床額定功率按平均為5~10kW計算,我國機床裝備總的額定功率為4000萬~8000萬kW,相當于三峽電站總裝機容量2250萬kW的1.8~3.6倍。智能制造技術能夠有力地支持高效可持續制造。首先,通過傳感器等手段可以實時掌握能源利用情況;其次,通過能耗和效率的綜合智能優化,獲得最佳的生產方案并進行能源的綜合調度,提高能源的利用效率;還可以與電網開展深度合作等,進一步從大系統層面實現節能降耗。
 
 

應該從設備、車間工廠乃至大系統(電網)層面,
改善生產過程,達到節能目的。
 
用戶體驗、個性化、服務等都可以作為企業的目標。本質上這些可看成是“客戶為中心”理念衍生的具體目標。
 
 
「 2. 過程進化的載體 」
 
 
企業過程的進化,除了要圍繞目標,還要落實在具體的載體。
 
數字化和智能化技術越來越多地用到裝備上。圖3所示為華中數控開發的新一代智能機床(iMT),其中包括溫度、振動、視覺、電流等傳感器和編碼器,伺服PID實時調節控制等。不僅有智能硬件,還有一些智能軟件,如機床全生命周期數字雙胞胎、大數據分析、機器學習等。正是這些智能硬軟件賦能機床,致使加工過程進化,保證高效率、高質量。
 
 
圖3 華中數控新一代智能機床(iMT)控制框圖
 
智能制造系統無論多“智能”,不能不考慮人。GE在其工業互聯網項目中就非常重視人這一要素,強調在任何時候聯結工作中的人,支持他們進行智能設計、運行、維護、以及高質量的服務等。企業中的大量軟件信息系統,實際上也是使人更能。如CAD軟件幫助設計者更快更好地完成設計工作;MES(制造執行系統)幫助車間人員的調度工作。企業中信息的互聯,不僅是機器之間,而且機器與人、人與人之間都需要信息的交換。各種工作過程中的人,只有對信息的充分掌握,才可能使過程最快最好。因此進行任何過程的優化,一定要體現在人這一載體上。
 
某種意義上,給設備賦能也意味著給人賦能。圖4是數控機床的信息物理系統。CPS系統由設備層、感知層、網絡層、認知層和控制層組成,形成人、產品、物理空間和信息空間的深度融合,是實現智能制造系統的基礎。在CPS認知層上,建立機器的CPS模型是機器實現智能制造的關鍵。注意,這里存在人機交互,人機融合。
 
 
圖4 數控機床的信息物理系統(來源:陳吉紅)
 
 
「 3. 過程進化的方式 」
 
 
不同領域、不同業務活動的過程千差萬別,這里僅討論兩個最主要的、共性的方式:互聯,重組。
 
1)互聯
 
對應第四次工業革命的“工業4.0”的基本思想是CPS,即數字-物理世界的深度融合,也就是比特世界與原子世界的深度交叉融合,由此而使人類更易洞察現實和物理世界,并創建更多的人類不斷追求向往的“超自然存在”(自然世界原本不存在的東西)。融合就需要互聯,尤其是物聯網技術出現之后?;ヂ摷夹g深刻地改變著世界,當然也深刻地改變著制造業。
 
通過互聯能使過程進化,互聯主要表現在兩個方面:過程內部的互聯和不同過程之間的互聯。
 
過程內部的各環節各要素的信息要互聯。如加工過程中,材料、刀具、溫度、振動、電流、功率、尺寸……甚至噪聲、圖像,這些信息并不是相互獨立的,是耦合在一起的,而且是隨時間動態變化的;有些信息轉換成普通的數據,有些還是非結構化的。在無法互聯的時代,過程中的關聯細節就像一個黑洞。一旦互聯,再加上大數據分析、智能分析工具,人類當然就有可能更深刻地洞察過程的規律,從而使過程進化。
 
處于一個系統中不同的過程之間其實也有關聯,因此不同過程之間也應該有信息互聯。上下游過程自不待言,非上下游關聯的過程間也會有關聯。如某一零件的加工過程,車間里其它很多過程與其相關,如物流過程、生產計劃過程、質量監控過程等等。更有甚者,不同企業之間可能存在過程聯系,如遠程診斷服務。圖5是馬扎克遠程診斷系統(Maza-Care)??蛻舻腗azak機床的運行狀況信息能夠即時傳遞到馬扎克在線服務中心的24小時無線監控系統,可以短時間內掌握正確的機床狀況。若出現故障,通過在線服務中心的操作,可以實現遠程技術支持,迅速支持客戶在發生故障時進行恢復,盡可能減少停機時間。這是典型的不同企業之間的過程信息互聯。
 
 
圖5 馬扎克遠程診斷系統
 
2)重組
 
企業的業務過程顯然不是一成不變的,早期作坊式工場和后來的大批量流水式生產,似乎天淵之別?,F在的個性化定制以及大批量個性化定制與大批量流水線模式又有很大區別,其過程自然有別。業務過程的重組是企業過程進化的一個重要方面。重組可因技術變化而自然演進,也會因為管理理念或模式的改變而催生。
 
(1)技術進步導致過程重組。圖6是GE的渦輪螺旋槳發動機,據GE聲稱,他們通過增材制造技術把原來855個零件合并成11個。發動機重量減輕,燃油消耗降低20%,功率提高10%。從制造流程而言,因為增材制造技術的應用而致的流程改變可想而知。
 
 
圖6 GE渦輪螺旋槳發動機
 
(2) 管理進化需要過程重組。20世紀90年代,一些管理學者開始意識到企業流程重組的意義。Hammer和Champy將業務流程再造(BPR)定義為:“針對企業業務流程的基本問題進行反思,并對它進行徹底的重新設計,以便在衡量績效的重要指標上,如成本、質量、服務和效率等方面,取得顯著的進展”。
 
 
「 4. 主要過程的進化 」
 
 
一個制造企業,尤其是大企業,涉及到的部門、環節、活動難以計數,包含的過程林林總總。這里僅介紹值得企業特別關注的主要過程(供應鏈過程除外)。
 
1)產品設計開發過程進化
 
設計的意義不僅在于獲得好產品,還直接影響到下游的制造、裝配、服務乃至產品報廢的過程。產品設計開發相關的過程很多,幾個重要的過程改善有:
 
(1)并行工程。集成地、并行地設計產品及其相關過程(包括制造及其支持過程)的系統方法。特別注意的是,并行工程的理念強調來自多領域的開發人員需要在集成環境下并行工作。在數字化和網絡化時代,多領域的人員可以在網絡環境中協同工作,而不必時刻坐在一起。也就是說:
 

并行工程需要包括某些軟件工具組成的數字化、網絡化的集成環境
 
 
(2)在數字(虛擬)空間中進化。既然人類正在迎來一個數字和物理世界深度融合的年代,這就注定了人類的很多活動會在虛擬世界中進行。工業正是虛實融合的前沿領域,而產品設計開發自然首當其沖。圖7是數字化設計與制造的考慮,表明數字化技術可應用到從需求分析、概念設計、仿真分析、工藝驗證、制造、質量驗證、乃至運維服務以及報廢處理。當然這種思維的實踐最初還是局限在產品設計和制造(加工)的范圍。
 
 
圖7 數字化設計與制造
 
(3)在云中進化。在這樣一個互聯的時代,人們突然發現天上飄著的朵朵白云并非虛無縹緲。云平臺既然走進千家萬戶,沒有理由不在產品開發過程中一試身手。圖8是海爾開的工業互聯網平臺COSMOPlat,此平臺也是一個開放性的創新平臺,形成了一個中國獨創的工業互聯網生態。
 
 
圖8 海爾COSMOPlat 開放創新平臺(來源:海爾)
 
2) 工藝過程進化
 
制造業中,工藝(這里包括裝配工藝)過程至關重要,直接影響產品質量和生產成本。因此,改善工藝過程是制造企業的永恒話題。
 
(1)利用數字化技術改善工藝操作及過程管理。通過數字化工藝軟件改善工藝過程是很多離散制造企業常用的方式?,F在大多數機械制造企業都應用CAPP(計算機輔助工藝規劃)軟件。圖9是開目基于三維的裝配工藝設計。
  
 
圖9 開目基于三維的工藝設計(來源:開目)
 
(2)利用數字化技術進行工藝控制。生產線中工藝過程的監控需要利用數字化、傳感等技術。例如伊利液態奶數字化工廠,實現了從收奶到產品入/出庫所有環節由中央控制系統控制。具體的生產工藝流程如下:收奶系統(原奶過磅→原奶檢驗→過濾→儲存)→標準化系統(凈乳→標準化→巴氏殺菌→儲存)→超高溫(UHT)滅菌工藝段(脫氣→均質→預保溫→超高溫UHT滅菌)→無菌輸送→無菌灌裝→噴碼→全自動二次包裝(貼管→裝箱)→碼垛→檢測合格→出廠”,如圖10所示。
 
 
圖10 液態奶數字化工廠生產工藝流程
 
(3)數字化+3D打印技術助力工藝流程變革。新技術的應用有可能變革甚至顛覆傳統的工藝方法和流程。例如,3D打印技術可以成形出常規工藝無法制造出的任意復雜形狀零件,但由于打印金屬種類限制和成本原因,目前無法取代傳統的成形技術。但3D打印技術與某些傳統成形工藝結合卻能產生意想不到的結果。
 
 
圖11高性能復雜零件的整體鑄造思路
 
(4)仿真加速工藝開發。材料技術的發展使新材料的應用越來越迫切,新材料的制造工藝往往是阻礙其應用的瓶頸。因此,需要尋求合適的工具加速新材料工藝的開發。近些年來,ICME(集成計算材料工程)成為受到學界和業界關注的方法和工具。ICME是材料基因工程的基本組成元素,它在計算材料科學的基礎上,整合計算材料模型、數據和工具,使其成為一個有機的系統,實現材料開發、制造工藝優化、新產品設計一體化。在制造領域,ICME在成形制造方面的作用比較明顯。如,塑性加工過程的ICME是針對整個塑性加工過程的材料變形和微結構演變及其與性能的關系,建立穩健的并經過全面驗證的模擬方法,使之大部分替代或完全替代物理實驗過程,確保加工過程的合理性及產品力學性能達到要求。圖12顯示ICME在塑性加工方面的應用范圍。
 
 
圖12 塑性加工ICME技術應用的范圍
 
(5)智能元件監控工藝過程。在美國德克薩斯大學,W.M.Keck中心的Wicker教授團隊研發出嵌入了微處理器和加速度計的模具(通過3D打印技術),使得成形過程中更好地監測工藝參數,以保證加工質量,如圖13所示。
 
 
圖13 帶有微處理器和加速度計的模(W.M.KeckCenter,UniversityofTexas, ElPaso)
 
3)車間生產過程進化
 
企業的目標,如效率、成本、質量、綠色等都應該落實在車間,智能制造自然也應該落實到車間。車間是制造生產的關鍵環節,工藝、生產計劃調度、物料配送、質量控制等任何一個環節足以影響全局。一般而言,在車間生產過程控制中,MES(制造執行系統)起著關鍵作用。很多企業在數字化轉型過程中往往首先關注產品開發以及生產管理銷售,而車間的信息化卻很薄弱,如圖14所示。但缺少中間環節的數字化支撐,即使有一個功能強大的ERP系統,也不可能真正發揮作用。
 
 
  圖14 車間層的數字化很關鍵
 
4)服務過程進化
 
有些企業已經把服務上升到企業的目標之一。不同的行業服務的形式不一樣,這里僅介紹裝備制造業中兩種常見的服務過程進化形式。
 
(1)基于設備運維的服務。很多裝備制造企業不僅賣產品,而且賣服務。一方面是客戶為中心之理念所致,另一方面也是企業價值鏈的延伸。例如,陜鼓動力形成了基于全生命周期運行與維護信息驅動的復雜動力裝備可持續改進的制造服務及系統保障體系,如圖15所示。值得注意的是,通過對設備運行數據的監測、診斷,設備的狀態、故障及服務信息可以反饋回來,以供產品改造升級之用。
 
 
圖15 陜鼓企業網絡服務平臺智能服務構架圖
 
(2)基于設備施工作業的服務。對于某些行業(如工程機械),其產品在工程現場運行的具體問題,以前設備制造商無需顧及。隨著客戶為中心理念的普及以及數字化、網絡化技術的發展,制造企業開始關注設備的施工作業問題。以日本小松為例,它讓工程人員通過無人機進行航空測繪(圖16),生成高精度的施工現場三維數據模型,并根據模型智能精準匹配相應數量和種類的小松工程機械。這款無人機采用的是美國Skycatch商用無人機,由大疆提供部分硬件,并搭載上世界上最先進的三維測量技術和Skycatch強大的數據處理能力。
 
 
圖16無人機在工地上進行三維測量
較之傳統的施工方法,智能施工可以使用戶方便地提高施工質量、效率且降低成本。這里用到的技術,除了視角傳感、數據分析、三維建模、仿真外,很重要的是“云”,它是實現數據交換、計算等功能的樞紐。小松開發的智能施工云服務平臺(SmartConstructionCloud)——“小松云”,如圖17所示。
 
 
圖17 小松智能服務云
 

改編自:《智能制造概論》(作者:李培根,高亮) 

相關新聞

版權聲明

1、凡本網注明“來源:中國輕工業網” 的作品,版權均屬于中國輕工業網,未經本網授權,任何單位及個人不得轉載、摘編或以其它方式使用。已經本網授權使用作品的,應在授權范圍內使用,并注明“來源:中國輕工業網”。違反上述聲明者,本網將追究其相關法律責任。
2、凡本網注明 “來源:XXX(非中國輕工業網)” 的作品,均轉載自其它媒體,轉載目的在于信息之傳播,并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責。
3、如因作品內容、版權和其它問題需要同本網聯系的,請于轉載之日起30日內進行。
4、免責聲明:本站信息及數據均為非營利用途,轉載文章版權歸信息來源網站或原作者所有。

返回頂部
国产一级A片