葉智勇

2003德國提出了工業(yè)4.0戰(zhàn)略，其目的是為了提高德國工業(yè)的競爭力，在新一輪工業(yè)革命中占領先機，將制造業(yè)向智能化轉型。德國的工業(yè)4.0戰(zhàn)略得到了我國政府積極響應，之后中德雙方簽署了《中德合作行動綱要》，工業(yè)4.0進入中德合作新時代。在此背景下我國的機械加工業(yè)的優(yōu)化升級顯得很迫切也很必要。

一、工業(yè)4.0下的機械加工業(yè)

1.工業(yè)4.0。簡單來說，可以這樣來劃分：【工業(yè)1.0】蒸汽時代，生產方式進入機械化；【工業(yè)2.0】電器時代，生產方式進入自動化；【工業(yè)3.0】信息時代，生產方式變?yōu)殡娮踊?；【工業(yè)4.0】智能時代，生產方式智能化。云計算下的云敏捷生產。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)將產品、機械、物流系統(tǒng)、生產設施、服務通過信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）和物聯(lián)網（Internet of things，IOT）整合成一個全球網絡。在生產環(huán)節(jié)里，這種 CPS 網絡由智能機械、智能倉儲系統(tǒng)和智能生產設施組成，這些組成部分之間能夠獨立自主地交換數(shù)據(jù)和信息、觸發(fā)行動指令和交互控制。這種 CPS 網絡將根本性地改變生產制造、工程設計、材料使用、供應鏈和產品生命周期管理等環(huán)節(jié)。每一個智慧產品都是可以通過數(shù)據(jù)標簽來確定的，隨時在線，隨時定位，記載自己生命周期的全部歷史，目前狀態(tài)完全可查，并且實現(xiàn)目標狀態(tài)的路徑可選，最后達到快速、有效、個人化的產品供應。

工業(yè)4.0項目主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點研究智能化生產系統(tǒng)及過程以及網絡化分布式生產設施的實現(xiàn)；二是“智能生產”，主要涉及整個企業(yè)的生產物流管理、人機互動以及3D打印技術在工業(yè)生產過程中的應用等。

2.工業(yè)4.0對機械加工的新要求。三次工業(yè)革命以來，通過大規(guī)模的標準化生產，人們的基本需求得到了滿足，但是人們的個性化需求受到了壓制。個性化或定制化的產品不可能依照現(xiàn)有的標準化流水線生產來大批量生產，這就對現(xiàn)有的機械加工業(yè)提出了新的要求。

工業(yè)4.0對機械加工業(yè)的新要求：（1）滿足客戶的個性化需求；（2）低成本的個性化生產；（3）大規(guī)模的的個性化生產；（4）“少人化”生產。

工業(yè) 4.0 最終要實現(xiàn)的目標也不光是自動化，而且是分散地自動化生產。未來客戶的需求會及時得到響應，但不一定集中在一個工廠，可能是在消費者周邊就近自動化生產，同時每個客戶的需求是不一樣的，個性化或定制化的產品不可能大批量生產.這使得 3D 打印技術擁有廣闊的應用前景。

二、當前的機械加工流程

目前我國的傳統(tǒng)機械加工業(yè)還處于離線的產品開發(fā)和服務和離線的營銷和合作模式中，消費者的需求不能及時反饋到生產廠家，兩者沒有交流和互動，這使得產品的開發(fā)不夠及時、不能滿足消費者的真實、個性化需求。生產廠家的信息化、自動化、網絡化程度還很低，主要依靠人力，這會導致生產效率低、廢物率高、生產時間長等問題。

傳統(tǒng)的機械加工流程如圖1所示：

如上圖所示，目前我國機械加工業(yè)的現(xiàn)狀為：（1）信息化低。機械設備的信息化程度低，組織管理信息化低；（2）網絡化低。沒有高效網絡將企業(yè)的人、設備、原料、環(huán)境等有機的聯(lián)系起來，不能進行及時人與人、人與設備的聯(lián)系交流；（3）自動化程度低。生產過程中產品與設備沒有信息交流只能依靠工人的直接操作來進行生產，設備和設備之間也沒有聯(lián)系，甚至需要工人將半場品從一個設備搬運到另一個設備來進行下一步的加工。

三、機械加工的升級優(yōu)化

工業(yè)4.0以CPS為基礎。這意味著網絡進入工廠大生產，是一個嶄新的工業(yè)制造邏輯和方式。所謂CPS，就是通過網絡將實體物件進行相互連接，應用相同的語言，進行溝通并相互理解。過去是以中心控制指揮系統(tǒng)為核心來指揮生產，現(xiàn)在有了CPS就會產生完全不同的生產結構。CPS運用到工業(yè)生產中，產品和機器之間可以進行信息互聯(lián)和溝（下轉第31頁）（上接第10頁）通，由產品所附帶的信息告訴機器需要什么樣的生產過程，以制造出符合客戶要求的產品。

工業(yè)4.0 的愿景是在整個生產過程中，無論原料、半成品還是待交付的產品，均有各自編碼標簽，在原料上生產線之后，可全程自動確定每道工序、生產的每個流程，包括加工、裝配或物流包裝等，一切過程數(shù)據(jù)也都記錄在案可供追溯；更重要的是在一條生產線上，可通過預先設置控制程序，自動裝配不同元件，生產出各具特性的產品。由于“產品”與“機器”實現(xiàn)了“溝通”，整個生產過程都實現(xiàn)IT控制，生產效率會大大提高，而且可以對所有元件及工序進行實時監(jiān)測和處理，工廠可做到24小時內為客戶供貨。此外，由于實時監(jiān)測可以挖掘分析質量數(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)有機械加工的情況，提出了對現(xiàn)有機械加工業(yè)的升級優(yōu)化建議：

1.創(chuàng)造滿足定制化生產的設備，客戶的需求是個性化的，這就要求在一條生產線上需要生產不同風格類型的產品。沒有能滿足定制化生產的設備是不可能實現(xiàn)個性化生產的。以互聯(lián)網為載體基于功能強大、嵌入操作系統(tǒng)和高性能應用程序軟件的機床智能設備（比如3D打印技術）可通過預先設置控制程序，自動裝配不同元件，流水生產出各具特性的產品。減少加工成本、提高加工工件質量、改善工藝流程、提升生產效率增強市場競爭力。

2.智能化車間。機器不僅是生產工具和設備，更是工廠信息網絡的節(jié)點，機器不僅延伸人的體力，也延伸了人的腦力，能夠識別工件，與人交互，按照人編制的控制程序工作，機器與機器（物與物）之間也能夠相互進行通信，感知相關設備和環(huán)境的變化，協(xié)同完成加工任務，構成基于物聯(lián)網的智能化車間。

3.建立高效的數(shù)字化企業(yè)平臺。數(shù)字化企業(yè)平臺是實現(xiàn)智能制造的載體。它可以實現(xiàn)包括產品設計、生產規(guī)劃、生產工程，到生產執(zhí)行和服務的全生命周期的高效運行，以最小的資源消耗獲取最高的生產效率。該平臺的實現(xiàn)需要企業(yè)以數(shù)字化技術為基礎，在物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)以太網等技術的強力支持下，集成最先進的生產管理系統(tǒng)及軟件和硬件，如產品生命周期管理（PLM）軟件和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）軟件以及控制和驅動技術等。最終實現(xiàn)不管你身處何處，都好像在辦公室和車間一樣，與你的同事和客戶保持密切聯(lián)系，調閱各種文件和檔案，處理各種生產問題。

4.將重心調整到技術開發(fā)和設計的早期階段。產品開發(fā)流程和生產流程中的所有環(huán)節(jié)在生產開始之前在設計階段就已在虛擬環(huán)境達到了最優(yōu)化。產品設計和生產任務配置所消耗的時間、人力、設備和原材料資源會得到大幅縮減，生產流程也會大大改進。

（作者單位：中國水電建設集團股份公司十五工程局有限公司）