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制造業智能化發展趨勢簡介
http://www.gcppfm.live 物聯中國
日期:2016-10-28 14:36:46來源:物聯中國 點擊:1444
核心提示:制造業國國民經濟的基礎產業,在國民經濟占據重要地位。制造業的發展直接影響到我國國民經濟的發展,影響到國計民生和國防建設。放眼全球,

       制造業國國民經濟的基礎產業,在國民經濟占據重要地位。制造業的發展直接影響到我國國民經濟的發展,影響到國計民生和國防建設。放眼全球,智能化科技極大地改變著制造業。制造業特別是機械制造業正在全方位地走向智能化。

       1.我國機械制造業現狀

       當前,我國制造業總體技術水平較低。產品自主開發能力和研究創新能力相對薄弱。研制開發資金投入欠缺。企業技改力度不足。制造技術落后、生產資料等基礎配套跟不上等一系列因素影響到產品的質量和產品智能化水平的提高。同時,產品的開發與生產工藝的有機配合不夠。這大大影響到產品的使用效果。

       中國機械制造業也有其專長優勢,譬如中國市場不斷增長所帶來的機遇遠遠大于其他國家。旺盛的地區需求促進著中國制造行業的快速發展。同時,中國勞動力使用成本相對低。中國加入WTO后,與國外發達制造企業的合作更加日益頻繁,取長補短,在競爭中尋求共同發展的市場空間。這大大促進中國制造業的快速發展,逐步縮小與歐美等一些發達國家之間的差距。

       2.智能制造的內涵

       講到智能制造離不開兩個詞:制造和智能。“制造”有廣義與狹義之分,有時候它特指加工環節,有時候則是包括市場分析、產品設計、工藝分析、生產過程、管理營銷、售后服務等在內的產品全生命周期。“智能”則是指“人工智能”。“智能制造”是兩者的結合,它泛指智能制造技術和智能制造系統。

       什么叫智能制造?我們嘗試給出定義:面向產品的全生命周期,以新一代信息技術為基礎,以制造系統為載體,在其關鍵環節或過程,具有一定自主性的感知、學習、分析、決策、通訊與協調控制能力,能動態地適應制造環境的變化,從而實現某些優化目標。首先它是面向產品全生命周期,而不只是狹義的一部分。其次,它是以新一代的信息技術為基礎,去發展信息化制造。第三,它是以智能制造系統為載體,制造系統是一個相對的概念,小到單臺設備,大到一個企業、企業聯盟都可以叫做制造系統。第四,要求在其關鍵環節或過程,具有一定自主性的感知、學習、分析、決策、通訊與協調控制能力,能動態地適應制造環境的變化。這是其區別于“自動化制造系統”和“數字化制造系統”的根本地方。

       智能化的概念目前仍相當模糊,而且一般智能化常會與自動化混淆。兩者最主要的差別在于自動化只是單純的控制,智能化運動化則是在控制端加上數據挖掘。采集后的數據必須能無縫傳送到后端數據庫。管理系統再依據數據庫的信息,分析、制定出正確決策,而這些決策同時也賦予自動化設備與以往不同的功能。

       “智能制造”應該說不是一個新概念了。早在上個世紀80年代,國際上就已經有了智能制造的專著。從90年代中期到2010年左右,將近15年的時間,較少有人去談智能制造。但到了2011年后突然爆發。從2012年的“工業互聯網”到2013年的“工業4.0”,再到去年的“中國制造2025”,它們的主題都是“智能制造”。

       3.智能化技術發展趨勢

       制造業智能化技術的愿景與發展趨勢是整合物料、能源、設備,資金、技術、信息和人力等一系列制造資源,通過先進的制造技術、先進的管理技術和先進的制造過程生產出高質量、高效率、高柔性、低成本、低勞動力、低消耗、品種多、規格全的產品。

       3.1高速高精度高效化

       現代化機械制造技術發展的方向之一是精密加工、超精密加工技術、微型機械。精密加工、超精密加工技術包括:精密和超精密切削加工、磨削加工、研磨加工以及特種加工和復合加上(如機械化學研磨,超聲磨削和電解拋光等)。目前,納米技術己在納米機械學、納米電子學和納米材料技術等領域得到了應用。納米技術促進了機械科學、光學科學、測量科學和電子科學的發展。而超精密加工技術正朝著納米技術發展。譬如美國1997年首次制造出直徑僅為60μm的靜電微型電機,以及幾十微米的微型齒輪、彈簧及微型機構。武漢大學研制成納米級超微電極,將其插入活體細胞后首次測出細胞內部神經遞質的動態信息。這些事例表明,納米技術與微型機械會逐漸成為21世紀的核心技術,機械制造業智能化技術將迎來微型機械電子技術和微型機器人的高速高精度高效化時代。

       3.2自動化智能化

       近幾十年來自動化技術的發展與應用,大大提高了生產效率,保證了產品質量。同時一些先進的機械設備可以代替人去完成危險場合的工作。機械制造業早期的實時系統通常針對相對簡單的理想環境,其作用主要是如何實施調度任務,確保任務在規定期限內完成。而自動化智能化則是用計算模型實現人類的各種智能行為的技術,讓實時系統和人工智能相互融合起來,向能夠實時響應、具有智能行為、更加復雜的應用領域發展。

       3.3柔性化

       隨著科學技術的飛速發展,人民生活水平逐步提高。人民對物質生活的需要要求現代企業產品不斷換代升級。企業產品需要具備一定的生產柔性以滿足市場多變的需要。柔性的概念就是指一個制造系統適應各種生產條件變化的能力。它與系統方案、人員和設備有關。系統方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人員柔性是指操作人員能保證加工任務,完成數量和時間要求的適應能力。設備柔性是指機床能在短期內適應新零件的加工能力。柔性制造自動化的形式很多,譬如美國提出的敏捷制造(AM),其主線就是高柔性生產。機械制造業的智能柔性化采用模塊化設計,功能覆蓋面大,可裁剪性強,便于滿足不同用戶的需求,能依據不同生產流程的要求,使物料流和信息流自動進行動態調整,從而最大限度地發揮群控系統的效能。

       3.4工藝復合性多軸化

       機械制造業智能化正在向工藝復合性多軸化發展,主要目是增強復合加工,即減少生產環節、生產工序、生產輔助時間。譬如某一臺數控機床的智能化加工,把工件在一臺機床上一次裝夾后,通過自動換刀,旋轉主軸頭或轉臺等各種措施,完成多工序、多表面的復合加工。

       4.智能化技術功能發展方向

       制造業應用自動化系統由來已久,但在競爭日趨激烈的市場環境中,自動化必須進一步提升為智能化。加速“中國制造”向“中國創造”轉變,智能制造是不二選擇。工業機器人、無人工廠、3D打印等一系列新理念不斷沖擊著企業家的思維。在企業轉型升級的壓力之下,聯姻智能化,貼上高科技的標簽,期待制造業華麗轉身成新一代的“高富帥”。

       4.1向用戶界面圖形化發展

       用戶界面的概念是通過數控系統來實現與使用者之間的對話接口。圖形化用戶界面比較直觀,操作也更簡單。大多情況下,用戶只需要通過鼠標的單擊就能完成任務,計算機系統會以窗口或者對話框的形式顯示相應信息。圖形化用戶界面是個統稱,其包括許多元素,如圖標,窗口,菜單,對話框等。圖形用戶界面大大方便了非專業人士的使用。操作工人可以通過窗口和菜單進行操作,實現了藍圖編程和快速編程,三維彩色立體動態圖形顯示、圖形模擬、圖形動態跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。

       4.2向科學計算可視化發展

       科學計算可視化的基本概念是運用計算機圖形學或者一般圖形學的原理和方法,將科學與工程計算等產生的大規模數據轉換為圖形、圖像,以直觀的形式表示出來。可視化技術可用于CAD/CAM,如自動編程設計,參數自動設定,刀具補償和刀具管理數據的動態處理和顯示,以及加工過程的可視化仿真演示。它涉及計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺,計算機輔助設計及圖形用戶界面等多個研究領域,已成為當前計算機圖形學研究的重要方向,科學計算可視化可用于高效處理數據和解釋數據,使信息交流不再局限于用文字和語言表達,而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術與虛擬環境技術相結合,進一步拓寬了應用領域,如無圖紙設計、虛擬樣機技術等,這對縮短產品設計周期、提高產品質量,降低產品成本具有重要意義。因此,科學計算可視化是機械制造業智能化發展的重要方向。

       4.3向高性能PLC與多媒體技術結合應用發展

       PLC是可編程邏輯控制器,用于控制機械的生產過程。高性能PLC控制模塊,可直接用高級語言編程,具有直觀的在線調試和在線幫助功能,用戶可在標準PLC用戶程序基礎上進行編輯修改,極大方便用戶建立自己的應用程序。而多媒體技術集計算機,聲像和通信技術于一身,讓計算機具有綜合處理聲音,文字、圖像和視頻信息的功能。在智能化機械制造業中,應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化,對實時監控系統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等方面有著重大的作用。

       4.4向集成化發展

       高度集成化CPU,RISC芯片和大規模可編程集成電路FPGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片等控制系統,大大提高了制造業智能化的性能,同時LED平板顯示技術,具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優點。制造業智能化控制系統向集成化發展是將半導體和表面安裝技術融為一體。通過提高集成電路密度,減少互連長度和數量來降低產品價格,改進性能,減小組件尺寸,大大提高了系統的可靠性。

       4.4.1模塊化

       模塊化是指解決一個復雜問題時自頂向下逐層把系統劃分成若干模塊的過程,有多種屬性,分別反映其內部特性。每個模塊完成一個特定的子功能,所有的模塊按某種方法組裝起來,成為一個整體,完成整個系統所要求的功能。模塊具有以下幾種基本屬性:接口、功能、邏輯、狀態。功能,狀態與接口反映模塊的外部特性。邏輯反映它的內部特性。在系統的結構中,模塊是可組合、分解和更換的單元。制造業智能化采用硬件模塊化,能夠提高數控系統的集成化和標準化。根據不同的功能需求,將基本模塊,如CPU、存儲器,位置伺服,PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊,做成標準的系列化產品,通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減,構成不同檔次的數控系統。

       4.4.2網絡化

       網絡化是指利用通信技術和計算機技術,把分布在不同地點的計算機及各類電子終端設備互聯起來,按照一定的網絡協議相互通信,以達到所有用戶都可以共享軟件、硬件和數據資源的目的。網絡通訊技術的迅速發展和普及,給企業的生產和經營活動帶來了革命性的變革。產品設計,物料選擇、零件制造、市場開拓與產品銷售都可以異地或跨越國界進行。此外,網絡通訊技術的快速發展加速技術信息的交流,加強產品開發的合作和經營管理的學習。近幾年計算機聯網使計算機的實際效用得到大大的提高。制造業智能化采用網絡化可實現遠程控制和無人化操作。企業生產人員通過聯網,對加工產品進行編程、設定、操作、運行。網絡化推動了企業向著既競爭又合作的方向發展。

       5.大數據驅動制造業邁向智能化時代

       “人類正從IT時代走向DT時代。”阿里巴巴集團創始人馬云在各種場合都不遺余力地推銷自己的觀點。信息社會已經進入了大數據(BigData)時代。大數據的涌現改變著人們的生活與工作方式,也改變著制造業企業的運作模式。

       5.1制造業也處于一個數據爆炸的時代

       近年來,隨著互聯網、物聯網、云計算等信息技術與通信技術的迅猛發展,數據量的暴漲成了許多行業共同面對的嚴峻挑戰和寶貴機遇。隨著制造技術的進步和現代化管理理念的普及,制造業企業的運營越來越依賴信息技術。如今,制造業整個價值鏈、制造業產品的整個生命周期,都涉及到諸多的數據。同時,制造業企業的數據也呈現出爆炸性增長趨勢。

       制造業企業需要管理的數據種類繁多,涉及到大量結構化數據和非結構化數據。

       (1)產品數據:設計、建模、工藝、加工、測試、維護數據、產品結構、零部件配置關系、變更記錄等。

       (2)運營數據:組織結構、業務管理、生產設備、市場營銷、質量控制、生產、采購、庫存、目標計劃、電子商務等。

       (3)價值鏈數據:客戶、供應商、合作伙伴等。

       (4)外部數據:經濟運行數據、行業數據、市場數據、競爭對手數據等。

       隨著大規模定制和網絡協同的發展,制造業企業還需要實時從網上接受眾多消費者的個性化定制數據,并通過網絡協同配置各方資源、組織生產,管理更多各類有關數據。

       5.2大數據構成新一代智能工廠

       消費需求的個性化,要求傳統制造業突破現有生產方式與制造模式,對消費需求所產生的海量數據與信息進行大數據處理與挖掘。同時,在進行這些非標準化產品生產過程中,產生大量的生產信息與數據需要及時收集、處理和分析,以指導生產。

       這兩方面大數據信息流最終通過互聯網在智能設備之間傳遞,由智能設備進行分析、判斷、決策、調整、控制并繼續開展智能生產,生產出高品質的個性化產品。可以說,大數據構成新一代智能工廠。

       智能工廠中的大數據,是“信息”與“物理”世界彼此交互融合所產生的大數據。大數據應用將帶來制造業企業創新和變革的新時代。在以往傳統的制造業生產管理的信息數據基礎上,通過物聯網等帶來的物理數據感知,形成“工業4.0”時代的生產數據的私有云,創新了制造業企業的研發、生產、運營、營銷和管理方式。這些創新,給制造業企業帶來了更快的速度、更高的效率和更敏銳的洞察力。

       6.結束語

       制造業智能化技術是現代技術和工業創新的集成,是國家制造業水平的重要標志,更是國家工業的基礎和支柱。因此,我們應當了解和重視制造業智能化技術的發展趨勢,使我國現代制造業與世界發達國家站在同一起跑線上。

出處:物聯中國
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