看見四化
中國制造業(yè)到了轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時刻，本質(zhì)仍然離不開四個關(guān)鍵詞語：自動化、信息化、數(shù)字化和智能化。并非所有制造業(yè)都要通過這“四化”實現(xiàn)技術(shù)升級;同一個企業(yè)的不同發(fā)展階段也需要兼顧不同的升級策略;不同類型的制造業(yè)也需要考慮適合自身發(fā)展規(guī)律的升級路線。
圖1 歷史上中國制造轉(zhuǎn)型升級路線
工業(yè)4.0的確可以助力企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，從什么角度切入是個問題。我們不妨通過中國企業(yè)在歷史上發(fā)生過的幾次大的轉(zhuǎn)型升級來一探究竟。
從歷史發(fā)展上來看，信息化升級和自動化升級基本上可以視為中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的兩大主線和理念載體。
信息化升級大體經(jīng)歷了MIS、ERP和后CIMS時代，企業(yè)在進行信息化改造的同時，往往要對企業(yè)的管理流程進行梳理甚至改制，使其與國際接軌。甚至可以說中國企業(yè)歷次信息化升級實際上都是與國際接軌的歷程。例如，最初的進行信息化升級的是金融財務(wù)系統(tǒng)，因為當(dāng)時由于財務(wù)報表必須按照國際通行財會準則進行修改，同時計算機開始普及，所以企業(yè)最初是通過上計算機和電算化軟件項目，客觀上實現(xiàn)了會計準則與國際接軌。隨著計算機的普及和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的成熟，各單位紛紛開發(fā)自己的小型管理信息系統(tǒng)(MIS)，之后標準的產(chǎn)品越來越多，MIS公司也蓬勃發(fā)展，這時的MIS產(chǎn)品如庫存管理、圖書管理、車輛管理、客戶信息管理等。
ERP的產(chǎn)生經(jīng)歷了MRP、MRPII等幾個過程，后來集成了對企業(yè)外部的CRM和SCM，成為企業(yè)管理。
后來隨著跨國企業(yè)越來越多地進入中國，客觀上要求中國的分公司或者本地的供應(yīng)商采用與之相兼容的企業(yè)信息系統(tǒng)和供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)。同時要求中國企業(yè)按照現(xiàn)代企業(yè)業(yè)務(wù)流程進行改制。所以BPR企業(yè)流程再造幾乎是伴隨ERP同時的概念。當(dāng)時普遍公認的理念時是，引進ERP絕非采購軟件，而是引進一套現(xiàn)代化管理體系，是思想變革。
當(dāng)時在學(xué)界出現(xiàn)了CIMS概念熱，即消除信息孤島等。也產(chǎn)生了諸如并行制造、成組技術(shù)等概念。
后CIMS時代應(yīng)該說是信息系統(tǒng)大發(fā)展時期，除了管理部門，在產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計部門，也經(jīng)歷著無紙化的升級，CAD、CAM相繼大量使用，CAE開始應(yīng)用，生產(chǎn)部門開始使用CAPP 和MES。
另一條主線是自動化升級。應(yīng)該說從建國以后開始就已經(jīng)引進國外的成套設(shè)備，重點行業(yè)(流程制造)直接進入2.0甚至3.0時代。
90年代開始，流程行業(yè)開始大量上馬DCS項目。電力、石化、水泥、鋼鐵行業(yè)自動化程度提高迅速，同時也引進了國外的先進控制工藝。相比之下離散制造的自動化程度要遠遠落后，主要義采購先進數(shù)控機床為主，同時，通過設(shè)備供應(yīng)商和刀具供應(yīng)商快速積累工藝經(jīng)驗，提升工藝水平。可見自動化升級除了引進裝置、設(shè)備，還間接引進了工藝。
由于設(shè)備越來越多，所以需要對設(shè)備和生產(chǎn)參數(shù)進行統(tǒng)一監(jiān)控，于是出現(xiàn)了大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并利用這些數(shù)據(jù)做成可視化界面，同時供給現(xiàn)有管理系統(tǒng)使用的需求。于是基于工業(yè)通訊技術(shù)的自動化升級繼續(xù)蓬勃發(fā)展。升級也是從流程行業(yè)開始：油田數(shù)據(jù)采集、智能電表、煤礦自動化和信息采集、水泥系統(tǒng)監(jiān)控。MES在重石油的應(yīng)用。
可以說在這個時期，自動化和信息化的產(chǎn)品開始交會，自動化和信息化公司也開始業(yè)務(wù)競爭，而西門子也將自動化和信息化事業(yè)部門統(tǒng)一為一個部門，中國人開始提出兩化融合。中國制造與世界先進水平的接軌基本完畢。下一步是考慮如何在工業(yè)4.0時代，繼續(xù)進行產(chǎn)業(yè)升級。
(1)自動化
首先需要考慮“自動”與“手動”。與“自動化生產(chǎn)”相對應(yīng)的是“手工生產(chǎn)”。通常講的自動化升級都是指用自動化設(shè)備和裝置替代人工。因此，凡是人做不了或者不愿意做的工作都可以通過自動化進行升級，越是動作簡單、重復(fù)、繁重的生產(chǎn)模式，越適合采用自動化升級策略，例如搬運、包裝、噴涂等;而動作越復(fù)雜，對人手靈活性依賴越大的生產(chǎn)模式就不適合自動化升級，例如電子產(chǎn)品裝配、皮具制作、制衣、航空發(fā)動機裝配等。當(dāng)然，這里考慮的僅僅是技術(shù)層面，經(jīng)濟層面還需要考量生產(chǎn)規(guī)模和模式等問題。
按照工業(yè)4.0的定義，1968年出現(xiàn)的莫迪康可編程控制站器Modicon PLC(后來被施耐德收購)，被視為自動化的一個劃時代意義的產(chǎn)品。
(2)信息化管理
應(yīng)該說“企業(yè)信息化”這個詞是伴隨著ERP的普及而流行的，而ERP的前身是MRP和MRPII。再往前推則是會計電算化軟件、庫存管理軟件等。這類軟件的流行基于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的成熟。
隨著這類軟件的普及，“MIS(管理信息系統(tǒng))”應(yīng)運而生，同時MIS市場迅速膨脹。出于對會計制度與國際接軌的需要，當(dāng)時MIS的主力是會計電算化軟件，當(dāng)時火爆的市場也成就了金蝶、用友這樣的國產(chǎn)軟件公司。
上世紀末期，跨國公司全球布局的黃金時期。外企進入中國不僅帶來了先進的管理模式，也帶來了對企業(yè)管理信息系統(tǒng)的市場需求。跨國公司要求中國本土供應(yīng)商的管理系統(tǒng)與之對接，倒逼中國企業(yè)大干快上ERP項目。這個時期除了捧紅了一些ERP公司，還造就了不少ERP軟件實施和信息系統(tǒng)咨詢公司，諸如畢博和埃森哲。
2000年初的時候，業(yè)內(nèi)對ERP的態(tài)度也是褒貶不一，但大家陸陸續(xù)都是一點一點地實踐了。這樣成就了當(dāng)前歐洲第一軟件公司SAP。
一個普遍的共識是，企業(yè)上ERP不是簡單買個軟件，更需要對管理流程進行梳理，破舊立新。隨之而來就出現(xiàn)了一個流行詞叫“企業(yè)流程再造BPR”，很大程度上也算是商家為了配合ERP項目搞的噱頭。到目前為止，ERP通用功能已經(jīng)非常成熟，而跟業(yè)務(wù)深水區(qū)的結(jié)合，正在出現(xiàn)全新的升級考驗。
包括ERP在內(nèi)，本段所提及的軟件都是用MIS把企業(yè)管起來，本質(zhì)上是企業(yè)商業(yè)和運營的信息化。與此同時，在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)備、質(zhì)量管理等直接與制造相關(guān)的環(huán)節(jié)也在進行著信息化。
(3)信息化制造與數(shù)字化制造
這里不得不提CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))。CIMS要集成的對象是一個一個獨立的計算機輔助軟件(CAX)，消除信息孤島。這個源于美國的概念，在德國也進行了嘗試，但都沒有在中國的動靜大。在中國，其興起也要早于ERP。可以說ERP是面向商業(yè)的信息集成，而CIMS是面向制造業(yè)的信息集成，當(dāng)時都是被當(dāng)作信息化所理解的。CIMS除了要集成CAD(計算機輔助設(shè)計)、CAM(計算機輔助制造)、CAT(計算機輔助檢測)、CAPP(計算機輔助工藝)等系統(tǒng)模塊，還明確提出了邏輯層次結(jié)構(gòu)，并整合了敏捷制造、并行工程、虛擬制造等方法論范疇的理論概念。
然而，技術(shù)為它的早產(chǎn)付出了代價。中國也為“沒想清楚就大干快上”付出了代價。
CIMS的失敗就是因為它提出的時代太超前，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品都還沒成熟。而在它之后便迎來了工業(yè)軟件市場的大整合時代：例如，由對CAD產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理發(fā)展而來的PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)，通過對產(chǎn)品BOM的信息化管理實現(xiàn)了產(chǎn)品“數(shù)字化”?！皵?shù)字化”這個概念盡管現(xiàn)在被濫用，但是它應(yīng)該是脫胎于3D數(shù)模的。至少在商業(yè)語境里，“數(shù)字化”要與3D圖形和動態(tài)仿真同時出現(xiàn)。例如，“產(chǎn)品數(shù)字化”是指用3D數(shù)模構(gòu)建產(chǎn)品模型，“工廠數(shù)字化”則需要面向工廠建模。
當(dāng)前數(shù)字制造所處的環(huán)境，已遠遠超越CIMS所處的年代。大量設(shè)計軟件廣泛使用，大量數(shù)字化資源和虛擬化產(chǎn)品，已經(jīng)進入主流，Digital Thread(數(shù)字主線)、Digital Twin(數(shù)字孿生)被更廣泛地應(yīng)用。
在過去30年中國企業(yè)現(xiàn)代化進程中，除信息化項目大干快上之外，還有一條自動化升級的主線。在流程制造行業(yè)(如石化、水泥、食品等)，一大批分散控制系統(tǒng)DCS和儀表自動化項目迅速崛起，而國產(chǎn)的DCS如浙大中控、和利時，甚至被GE收購之前的新華控制系統(tǒng)，都得到了長足的發(fā)展;而在離散制造行業(yè)的是企業(yè)采購了大量數(shù)控和自動化物流設(shè)備。隨之而來出現(xiàn)的問題就是如何獲得這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并把這些實時數(shù)據(jù)用起來。
10年前做方案時，往往會在示意圖中用云彩和墻的圖標兩端分別畫上服務(wù)器和筆記本電腦，筆記本和云彩圖標之間畫一個閃電符號，意為有防火墻的無線數(shù)據(jù)交換。現(xiàn)在的“云”方案只是在筆記本旁邊加上了手機和pad圖標。事物的發(fā)展，只是在增添要素而已。
說到數(shù)字化，就不能不說數(shù)據(jù)采集，就不得不提組態(tài)軟件。這類產(chǎn)品最早是DCS或PLC廠家為方便客戶開發(fā)界面而配備的開發(fā)套件，后來出現(xiàn)了許多獨立的組態(tài)軟件廠商，可以通過圖形界面直觀地看到數(shù)據(jù)的變化。由此產(chǎn)生了“人機界面(HMI)”，所以“圖形化”往往指的是人機交互相關(guān)的產(chǎn)品或項目，比如工作站的面板和電子看板等。
現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集SCADA，正是自動化與信息化的鏈接節(jié)點，是自動化設(shè)備和信息化管理軟件的承上啟下的層級，也是自動化與信息化相融合的過渡區(qū)域。
而這些早年軟件留下的數(shù)據(jù)，正是當(dāng)下的工業(yè)大數(shù)據(jù)“黑金”。它們深埋在設(shè)備、模塊和系統(tǒng)之中，不見天日。工業(yè)大數(shù)據(jù)從業(yè)者，需要有非常的智慧，來解救這些黑金。
(4)智能化
智能化定義眾說紛紜，就沒有統(tǒng)一標準了。現(xiàn)在許多復(fù)雜一點的控制系統(tǒng)，似乎都被叫做“智能控制”，好像更新一代的控制系統(tǒng)叫做智能化。
嚴格意義上的智能化，必須要借助大量的建模和算法，和一些必要的人工智能技術(shù)，包括啟發(fā)式算法、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等。如果按照這個標準，目前不少先進的控制系統(tǒng)的控制算法已經(jīng)可以算是智能化，但真正智能化的管理信息系統(tǒng)市面上還不存在。信息系統(tǒng)的智能化趁勢應(yīng)該說是很明確的，特別是AI項目開始受到大量資金關(guān)注后，那些原本只在學(xué)術(shù)期刊上出現(xiàn)的，服務(wù)于制造調(diào)度算法的復(fù)雜公式才開始有了一些用武之地。
當(dāng)下很多遠程監(jiān)控的事情，都會當(dāng)成是“智能制造”或者“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的典范，人工智能也頻繁攪在其中。其實這種“遠程監(jiān)控”前身是“遠程抄表”。最早在油田、礦井等野外設(shè)備需要監(jiān)控運行狀態(tài)——早期用的是電報技術(shù)(RTU)，后來通過短信。在智能手機尚未普及的時代，還用過手機網(wǎng)頁客戶端，而現(xiàn)在基本就是成熟的3G/4G網(wǎng)絡(luò)，外加APP客戶端。
關(guān)于信息化或智能化級。簡而言之：生產(chǎn)管理越復(fù)雜，對信息化軟件的智能程度要求越高。
適合智能化升級，或者說適合選擇智能化程度高的信息系統(tǒng)的企業(yè)通常具備以下特征：
☆ 產(chǎn)品系列多，工序變化多，零部件品種多，供應(yīng)鏈管理復(fù)雜;
☆ 多以組裝工序為主，多為勞動密集型企業(yè);
☆ 典型行業(yè)：家電、服裝、數(shù)碼產(chǎn)品等。
最適合搞智能制造的比較極端的例子是產(chǎn)品維修，維修業(yè)務(wù)具有下列特性：
☆ 每一個維修項目都各不相同，因此生產(chǎn)模式屬于單件定制;
☆ 每一個維修項目的工序都比較復(fù)雜，沒有既定模式，幾乎無章可循;
☆ 維修(生產(chǎn))數(shù)據(jù)難以定義，更難以度量，難以采集;
☆ 每一個維修項目的周期無法量化，產(chǎn)品復(fù)雜程度越高，維修周期不確定性越大。
因此在面臨這樣復(fù)雜問題的時候就只有通過“智能化”才能解決問題。
當(dāng)前對于智能化，大家都各自假設(shè)了外延界定，使得自動化和智能化之間、數(shù)字化與智能化之間的界線十分模糊。而當(dāng)“智能制造成為國家的主戰(zhàn)場”以后，許多稀松平常的自動化項目也被冠以智能制造之名。
生產(chǎn)柔性的四大象限
工業(yè)4.0體系中，個性化定制被反復(fù)提及。這就特別需要考慮生產(chǎn)“柔性”與“剛性”。所謂剛性生產(chǎn)是指大批大量生產(chǎn)單一或少量品種的產(chǎn)品，這種生產(chǎn)模式特別適合自動化，例如，緊固件等工業(yè)標準件的生產(chǎn)就是通過自動化專機實現(xiàn)的;所謂柔性生產(chǎn)是指多品種小批量，甚至單件定制化生產(chǎn)，這種生產(chǎn)模式對自動化系統(tǒng)的智能化程度要求較高(從某種意義上接近或等同于智能制造)，比較典型的行業(yè)是汽車的混線生產(chǎn)和非標零件的機械加工。
圖2將目前國內(nèi)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的方向進行了劃分：
X向表示產(chǎn)品種類的復(fù)雜程度;Y向表示生產(chǎn)工序要求動作的靈活程度。
圖2 四類生產(chǎn)模式及典型行業(yè)
象限 I、手工柔性生產(chǎn)
該象限的特點是：產(chǎn)品種類復(fù)雜且動作靈巧度高。典型行業(yè)如飛機、航天器等復(fù)雜機電產(chǎn)品裝配，成衣、皮具定制，家電、數(shù)碼產(chǎn)品組裝，以及前文所論述過的產(chǎn)品維修或返修。
這類生產(chǎn)對動作靈活性要求高，因此無法通過自動化手段替代人工或者替代人工的自動化設(shè)備研發(fā)投入過高。例如，目前的機器人或運動控制技術(shù)都難以達到人手的復(fù)雜和靈活程度，因此諸如皮具制作和縫紉等工作在相當(dāng)長的時間內(nèi)無法被機器所取代。
適合這類制造企業(yè)的生產(chǎn)模式，稱為手工柔性生產(chǎn)，即生產(chǎn)管理組織復(fù)雜且無法實現(xiàn)自動化。實際上這類企業(yè)非常適合走“信息化”或“智能化”軟件升級路線，既通過專家決策系統(tǒng)或相關(guān)的軟件產(chǎn)品管理生產(chǎn)并指導(dǎo)工人操作。信息化或智能化軟件的作用在于指導(dǎo)生產(chǎn)，避免人為失誤。
實操方案一：自動配料系統(tǒng)
例如，保時捷發(fā)動機在裝配過程中大量工序無法實現(xiàn)自動化，而產(chǎn)品多品種小批量的特點又難以避免工人在裝配過程中犯錯誤。為調(diào)和這個矛盾，該生產(chǎn)系統(tǒng)采用集中備料的方案，發(fā)動機上的小型零部件隨托盤運動到各個裝配工位，裝配工直接在托盤上取用配套的部件并按照電子操作終端的指示進行裝配和自檢即可。
此外，有類似成熟系統(tǒng)的汽車企業(yè)還有寶馬，但它的配料仍需要工人根據(jù)物料車的指示在指定的倉庫托盤中拾取，沒有實現(xiàn)自動化。
實際上比較成熟的軟件應(yīng)用是在服裝行業(yè)，包括紅領(lǐng)在內(nèi)的許多國內(nèi)企業(yè)，成衣定制的服裝集團都已經(jīng)采用自動下料，配料系統(tǒng)：一件成衣所需要的全部布料和配件等，會通過該系統(tǒng)配送給某個工位或制作單元，而工人只需要按照設(shè)計要求縫制即可。
實操方案二：操作輔助終端
(電子作業(yè)指導(dǎo)書 + 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))
視頻1中值得注意的是每個工位上都有操作輔助終端，工人在裝配過程中嚴格按照電子作業(yè)指導(dǎo)書的每個步驟進行，同時輔助終端也記錄相應(yīng)的生產(chǎn)組裝數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機。
以上兩個方案可以看成是智能制造的雛形。自動配料方案實現(xiàn)柔性和單件定制化生產(chǎn)，操作輔助終端實現(xiàn)人與生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互;至于自動化排產(chǎn)、動態(tài)調(diào)度、專家決策等系統(tǒng)都可以在這兩個技術(shù)方案的基礎(chǔ)上實施。
象限 II、手工剛性生產(chǎn)
該象限的制造特點是：產(chǎn)品種類單一且動作靈巧度高。
典型行業(yè)如傳統(tǒng)的服裝、鞋帽業(yè)等，這類行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量大，但生產(chǎn)過程基本上只能通過手工實現(xiàn)。這種靠薄利多銷生存的行業(yè)除非在產(chǎn)品設(shè)計和工藝上做文章，否則在自動化或智能化層面幾乎沒有改良的余地。當(dāng)然，自動裝配技術(shù)在不斷改進，而這也需要模塊化設(shè)計理念的完善。
值得注意的是，有一些產(chǎn)業(yè)原本難以實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)成本極高的自動化生產(chǎn)，但隨著自動化技術(shù)的進步，新的自動化生產(chǎn)方式也逐漸浮出水面，而這也正是中國制造轉(zhuǎn)型升級的重要契機。其技術(shù)策略相當(dāng)于從第II象限向第III象限轉(zhuǎn)移。例如，我國有大量制造企業(yè)從事鈑金焊接，由于焊接工作很辛苦環(huán)境差，所以歐美國家已經(jīng)把大量低附加值的需要手工焊接的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)包給中國企業(yè)，本土只留下容易實現(xiàn)自動化的電阻焊、氣體保護焊、等離子焊等高附加值工藝。在這樣一個市場需求下，歐美的設(shè)備制造商就缺乏開發(fā)面向低成本鈑金件的自動化焊接設(shè)備。對于中國本土的設(shè)備制造商來說，這無疑是個巨大的商機。面向中國制造業(yè)特定市場的自動化專機也是中國制造彎道超車的絕佳時機。
象限 III、自動化剛性生產(chǎn)
該象限的特點是產(chǎn)品種類單一且動作靈巧度低。
典型行業(yè)就是工業(yè)標準件生產(chǎn)如緊固件、軸承、齒輪、五金件、連接端子、微電子等行業(yè)，以及相對簡單日用品，如食品、飲料行業(yè)、紡織、印刷和制筆業(yè)等。
這類產(chǎn)品通常是通過專機和自動化設(shè)備實現(xiàn)的，而且技術(shù)非常成熟。中國大量低端制造業(yè)企業(yè)都屬于這種類型的制造業(yè)，都可以通過自動化專機實現(xiàn)量產(chǎn)。
而且，這種行業(yè)一旦開發(fā)出全自動高效量產(chǎn)的專用設(shè)備，那么就極有可能實現(xiàn)對該行業(yè)的壟斷，為其他競爭對手設(shè)置投資門檻。
中國 “圓珠筆芯困境”實際上就是這個道理：幾大筆業(yè)集團壟斷了筆芯制造設(shè)備，使筆芯的生產(chǎn)成本降至最低，因此中國這種市場追隨者就很難獲得同樣的自動化系統(tǒng)，如果自行研發(fā)同類設(shè)備在投資上也并不劃算，所以倒不如放棄這個行業(yè)，或者另辟蹊徑，開發(fā)替代性產(chǎn)品和技術(shù)。
中國的中小制造企業(yè)里，有非常多是從事單一產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)的，如USB線、鼠標、攝像頭、拉鏈、打火機等。相信在未來的5年內(nèi)必定會出現(xiàn)生產(chǎn)這些通用產(chǎn)品的全自動化生產(chǎn)線，也一定會在中國出現(xiàn)世界級的行業(yè)寡頭。
中國制造發(fā)展于特定的歷史時期，因此具有鮮明的特色。具體表現(xiàn)就是II、III象限制造業(yè)的轉(zhuǎn)化。由于II象限的中國制造企業(yè)規(guī)模和市場占有率通常極大，所以通過改進設(shè)計和工藝就可以把II象限的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)到III象限。在III象限里通過開發(fā)專機實現(xiàn)全自動，再配合智能化管理軟件，實現(xiàn)柔性自動化，向IV象限進軍，占領(lǐng)國際制造業(yè)的頂端。
象限 IV、自動化柔性生產(chǎn)
該象限的特點是產(chǎn)品種類復(fù)雜且動作靈巧度低。
最典型的行業(yè)就是汽車，目前國際上主流車型均采用混線生產(chǎn)模式，即自動化柔性線。這種生產(chǎn)系統(tǒng)對設(shè)備的自動化程度和軟件的智能化程度要求極高，是目前復(fù)雜程度最高的生產(chǎn)系統(tǒng)。與汽車類似的還有電子行業(yè)，如電路板的生產(chǎn)。事實上木工是最容易實現(xiàn)自動化柔性生產(chǎn)的行業(yè)。理由是木工制造的工序簡單，零件結(jié)構(gòu)標準化程度較高，產(chǎn)品的多樣性要求較高。說得更通俗些，就是木工行業(yè)與樂高積木的相似性最大。
視頻2中所顯示的系統(tǒng)，CAD軟件為木屋設(shè)計提供了非常多的標準件庫，并且可以自動生成項目BOM表;CAM軟件具備下料計算功能，可以在標準尺寸木料上優(yōu)化毛坯下料尺寸并自動生成每個零件的NC代碼;同時ERP系統(tǒng)將所需木料尺寸和數(shù)量發(fā)送給供應(yīng)商并進行采購;木料到達車間后，生產(chǎn)系統(tǒng)可根據(jù)木料編碼和尺寸決定下料毛坯，并對毛坯進行機械加工;加工好的零件被貼上標簽，連同五金件打包送往建造工地，建筑團隊可以根據(jù)圖紙把送來的這批木料零件拼裝成木屋。
從這個案例可知，由于木屋的木料零件都是直的，基本上都可以通過切割和鉆孔完成，工序簡單，可以在CNC上完成所有工序，因此容易實現(xiàn)自動化。此外，木梁的拼接相對簡單，零件種類少且標準化程度高，給PLM系統(tǒng)的簡化帶來便利。與之相似的還有樓梯加工系統(tǒng)。
需要注意的是，實現(xiàn)柔性自動化絕不是單純設(shè)備自動化升級可以實現(xiàn)的。它需要從設(shè)計到工藝到設(shè)備到軟件的全方位統(tǒng)籌。
下面案例是FESTO柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了單一產(chǎn)品訂單的實時響應(yīng)，也就是說，哪怕只有一個氣缸的訂單，F(xiàn)ESTO可以生產(chǎn)。為了實現(xiàn)這個戰(zhàn)略要求，首先在型材毛坯上進行簡化，盡量采用通用截面的型材毛坯，以便避免頻繁更換夾具。
圖3 FESTO氣缸型材毛坯
鋁型材毛坯的更換可以自動實現(xiàn)，但是固定截面的夾具則只能通過手動更換，因為人工更換夾具的速度遠快于機器人，機器人的實現(xiàn)成本也較高，所以最終該系統(tǒng)采用了手動換裝的方案。除了通過標準化型材降低夾具更換頻率，在夾具設(shè)計上也采用便于精準定位和快速更換的零點卡盤。
圖4 氣缸鋁型材固定夾具
夾具的位置是可以通過程序控制的，那么通過更換刀具和5自由度加工，該系統(tǒng)就可以很容易地實現(xiàn)根據(jù)訂單要求截斷不同長度的氣缸毛坯，并對其進行高精度的五軸加工。
圖5 活動空間靈活的五軸加工頭
軟件上開發(fā)了小型APS系統(tǒng)，可以讀取現(xiàn)場ERP的訂單，并對其進行優(yōu)化。對同類截面零件的訂單進行匯總，實現(xiàn)了多目標優(yōu)化。這個生產(chǎn)系統(tǒng)通過APS實現(xiàn)了從ERP到生產(chǎn)設(shè)備的無縫連接。APS僅僅向NC傳達需要調(diào)用的程序編號，生產(chǎn)過程的可靠性控制仍然由設(shè)備PLC進行，同樣貫徹了分級管理分層實現(xiàn)的原則。
“智能”體現(xiàn)在APS系統(tǒng)的實時排產(chǎn)和現(xiàn)場調(diào)度;“柔性自動化”體現(xiàn)在自動化夾具和五軸聯(lián)動加工中心，以及快速更換工裝的解決方案。
圖6 可以連接設(shè)備和信息系統(tǒng)的小型APS及工藝監(jiān)控系統(tǒng)
制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的四大基礎(chǔ)原則
總的說來，由于自動化和信息化程度的不斷加深，對于從業(yè)人員來說，生產(chǎn)制造過程的管理變得越來越容易。從歷史經(jīng)驗看，制造升級與人力解放是同一過程。
機器(機械)設(shè)備的出現(xiàn)解放了重體力勞動，如鐵匠、礦工等;自動化技術(shù)的出現(xiàn)，解決了繁瑣體力勞動，如流水線裝配工和搬運工;信息化管理系統(tǒng)則解放了從事繁瑣的腦力工作的勞動者，如會計、倉庫管理員等;數(shù)字化軟件讓產(chǎn)品設(shè)計和工藝人員不必趴在圖板上畫圖并反復(fù)修改，同時給現(xiàn)場管理者更直觀的圖形化調(diào)度決策支持;下一步的智能化升級或?qū)⒔夥艣Q策層的腦力勞動。
可見，人類的制造系統(tǒng)在不斷地更新?lián)Q代，每次升級都會解放體力和腦力，使人的創(chuàng)造力可以有更大限度地發(fā)揮。未來制造業(yè)的從業(yè)人員將僅進行創(chuàng)造性的工作，可以模式化的體力和腦力工作將完全交給智能制造系統(tǒng)完成。
圖7 制造升級過程
從圖7中可以歸納出生產(chǎn)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一般規(guī)律：
產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)工藝是制造的基礎(chǔ)，永遠具備升級空間;
由于產(chǎn)品是制造業(yè)創(chuàng)造價值的最終載體，而制造業(yè)的產(chǎn)品永遠是實物，所以產(chǎn)品被設(shè)計成什么樣子(產(chǎn)品設(shè)計)和如何把實體產(chǎn)品做出來(生產(chǎn)工藝)是制造業(yè)永恒的話題。
在任何階段投入精力研究產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)工藝幾乎都是正確的戰(zhàn)略選擇。
值得中國制造企業(yè)注意的是：設(shè)計和工藝是不可分的，生產(chǎn)設(shè)備和工藝現(xiàn)狀可能制約著設(shè)計，而設(shè)計的好壞又直接影響到工藝/工序路線的選擇，影響到產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、可靠性、生產(chǎn)成本等。所以將資源投入在生產(chǎn)的前段(設(shè)計和工藝)要比投入在中段(設(shè)備及自動化)和后段(管理信息系統(tǒng))會產(chǎn)生更大的效益。
智能制造轉(zhuǎn)型升級的四大基礎(chǔ)原則
一是只有在設(shè)計和工藝都明確的基礎(chǔ)上才可能談設(shè)備升級和自動化升級;
☆ 設(shè)備升級和自動化升級都是機器替代繁瑣重復(fù)性體力勞動;專機的設(shè)計研發(fā)耗時費力，而且只有穩(wěn)定定型后才成為標準機;
☆ 設(shè)備升級是基于產(chǎn)品工藝的自動化集成;
☆ 自動化升級是基于生產(chǎn)工序和車間物流的自動化集成;
二是只有基于管理流程的自動化才能信息化升級，用以替代繁瑣重復(fù)性腦力勞動;
三是只有產(chǎn)品和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，具有數(shù)字化表達的基礎(chǔ)，才能談到數(shù)字化;
四是只有基于復(fù)雜生產(chǎn)狀態(tài)的決策系統(tǒng)才需要智能化。
夕陽產(chǎn)業(yè)也瘋狂
即使是像木工機械、紡織機械這種被很多政府官員和企業(yè)家都認為是落后的夕陽行業(yè)，也在迅速地轉(zhuǎn)型升級。瑞士、德國和奧地利等制造業(yè)最發(fā)達的國家已經(jīng)通過技術(shù)升級，正在將木工行業(yè)改造成最接近“智能制造”和“工業(yè)4.0”理想的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)。這個思路值得中國企業(yè)學(xué)習(xí)，不斷用新技術(shù)改造舊產(chǎn)業(yè)和就產(chǎn)能，而不是一刀切地推倒重來。
實際上，采用柔性自動化生產(chǎn)模式的行業(yè)，比較適合進行“智能制造”升級。
在筆者看來，智能制造的特征是對復(fù)雜生產(chǎn)情形的決策。決策算法的有效性以及對復(fù)雜約束條件的適應(yīng)性決定了智能化程度的高低。
盡管很多自動控制產(chǎn)品具備一定的智能算法，例如，有些加工中心可以在切削過程中根據(jù)切削力和震動頻率等參數(shù)實時優(yōu)化進給速度和主軸轉(zhuǎn)速;或者根據(jù)床身熱變形量對刀具軌跡進行補償，但是這些技術(shù)歸根結(jié)底都是工藝過程的一種前饋控制，只是控制算法更加復(fù)雜而已。這種方式，其實是歸于“工藝自動化”，當(dāng)然也可以叫“智能設(shè)備”。
智能化應(yīng)強調(diào)對不可知事件的判斷和決策，而自動化則強調(diào)對既定動作和已知事件的執(zhí)行。
一臺柔性制造系統(tǒng)可以自動識別和檢測零件，并根據(jù)識別碼自動選擇工裝，自動裝夾，自動調(diào)用不同的程序完成全部加工，由于完成的這一系列活動都是既定的，并沒有根據(jù)約束條件和目標進行決策，因此只能算是比較高級的自動化系統(tǒng)，不能算智能。
下面案例實現(xiàn)了按訂單全柔性生產(chǎn)，但是由于無法進行動態(tài)調(diào)度，因此即便自動化程度已經(jīng)很高，那么在我看來也不能稱為真正意義的智能制造。
可見，智能化和自動化是兩個獨立的概念，二者只是產(chǎn)生的歷史時期有先后。但是在項目實施過程中并沒有必然的先后順序。
結(jié)尾
生產(chǎn)制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級是一個系統(tǒng)工程問題，絕不是單靠幾個項目、幾套軟件、幾套自動化生產(chǎn)線就可以解決的。說白了，它是一次戰(zhàn)略意義的考量，或者是對傳統(tǒng)工廠戰(zhàn)略的一次清洗和重生。需要從市場定位、產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、供應(yīng)體系規(guī)劃等整體入手。在前期決策時投入的研究精力越大，實施起來就越容易，轉(zhuǎn)型升級成功的可能性也就越高。
（轉(zhuǎn)載）
