数控技术与柔性技术推进智能制造

　　在中国制造企业看来，德国“工业4.0”其实是一个目标。无论企业把产品设计得如何精准，在生产过程中也难免会出现各类问题，而这些问题却能由这个目标有效避免。不过，完成这个目标的第一要素就是实现智能制造。为了满足客户的多样性需求，以及跟随信息时代的前进步伐，很多制造型企业开始逐渐引进高科技的数控技术、柔性技术，为实现全自动化夯实基础。如北京航星机器制造有限公司已引进两台放于生产线上作业的机器人;菲尼克斯亚太电气(南京)有限公司在组建电子产品生产线时，将柔性和自动化作为取得综合成本优势和小批量生产和快速交付的重要手段。

　　随着科技的不断发展进步，以德国“工业4.0”为代表的新一代制造体系，对数控技术、柔性制造提出了新的挑战，尤其在航天、电子等领域中，提升技术的需求更加迫切。

　　进阶数控技术应用

　　随着现代航天制造业的高速发展，数控加工技术已经成为航天产品制造的关键技术之一。

　　在北京航星机器制造有限公司总经理助理兼技术创新中心主任姚为看来，数控技术突飞猛进的最根本原因在于客户需求的不断变化，从加工对象的单一品种大批量变为多品种变批量，从生产交付的长周期充分准备变成短周期快速响应，为了满足客户的需求、适应市场的发展，很多制造型企业开始大量引进或研发新的数控技术。

　　德国“工业4.0”吹响了向智能制造前进的号角，作为基础支撑的数控技术更需要不断创新，跨越发展。姚为认为，德国“工业4.0”并不是完全陌生的东西，从“十七大”正式提出“两化融合”到“十八大”提到的“两化深度融合”，其实就是“工业3.0”向“工业4.0”转变的国家政策层面的要求。在这个转变过程中，制造企业针对自身特点，逐步在用不同的融合方法把数字化技术、柔性化技术植入到每个制造环节，让它实现快速响应和及时生产。

　　不同专业数控化程度不一

　　在德国“工业4.0” 的实施方案里，所涉及的两个领域是：智能工厂与智能制造。姚为认为，搭建智能工厂的核心是硬件需实现智能化，智能化的前提是数控化，而目前不同专业数控化程度差别较大。

　　北京航星机器制造有限公司一直在推进数字化制造工作。据记者了解，该公司早在10年前就开始用数控机床逐步替代传统机械式机床，目前在机械加工环节已全部实现数控化，各式车床、铣床、刨床、磨床等设备都能实现离线编程以及分布式数字化控制，技术人员可在办公室用产品3D模型直接生成加工程序，经过软件后处理变成机器代码，再通过车间数据网络把加工程序与机器代码一起传送到加工设备上。这样一来，技术人员不用去现场就能指导操作者把产品加工到位。姚为告诉记者，数控机床在所有数控设备中是发展最迅速的，也是应用效果最显著的。

　　不过，产品在制造环节里，不止机械加工这一道工序，以航天产品为例，需要经过铸造、锻造、热处理、热成形、焊接、机械加工、表面处理、装配调试等一系列复杂工艺流程，才能产出最终交付用户的实物产品，如果只在机械加工一个专业点上实现数控化，即便做得再好，也只是提高了整个生产链的一块长板，并没有解决短板问题。

　　除了机械加工，在其他专业制造领域里，数控化程度相当不均衡，尤其是在热加工领域。姚为向记者介绍，大部分产品的铸造专业仍然完全依靠人工去做造型、制砂、浇铸等工作，劳动强度大，质量一致性差。在国外，先进的铸造企业也在进行数控化改造，但数控化程度相对机械加工专业仍然很低，且多数只能在局部工序实现，替代简单规范的人工操作，对于复杂环节，因为需要知识经验与判断，所以目前的数控技术尚未发展到如此智能的程度。另外，在焊接、热处理、热成形、装配调试等专业中，也需要进一步提升数控化程度，才能满足柔性化生产的需求。

　　数字化制造才起步

　　在“工业4.0”升级过程中，需要大量的数字化制造技术作支撑。机械加工领域中的数字化制造，后续将集中在提升数控设备自适应能力、完善车间制造执行系统、加强物流与信息流的及时准确配套等环节，最终体现为提高产品交付速度、降低产品制造成本、保障产品质量稳定、提升企业盈利能力等方面。在这方面，国内企业仍处在起步阶段，正在经历从量变到质变的积累期。

　　在铸造、热处理等专业领域中，因为工艺过程涉及到产品本体性能的变化，影响因素很多，数字化控制过程更加复杂。比如，在铸造过程，天气因素就是一个重要影响，晴天、阴天和雨天、环境温度与湿度的差异等都会显著影响铸件本体性能。这些环境因素还无法用一个标准化的数学模型进行定义与描述，现有的铸造模拟仿真软件，也仅能将其简化为一个环境变量进行处理，由此得到的优化结果给出的只是定性描述的趋势化建议，无法精确指导铸造过程以达到稳定一致的铸件质量。除了天气因素外，原材料的纯度、砂型的紧实程度、合金元素的分散度等，需要考虑的影响因素纷繁复杂，所以想通过数字化控制达到十全十美非常不易。据姚为介绍，目前对涉及到产品本体性能的各专业，其工艺过程的仿真模型还无法定量描述全部内外在影响因素，它只会说大概有影响，影响到大约什么程度，但这种影响是以何种函数关系作用到产品性能中去，这个规律尚未掌握，没有这个规律就无法用数字化控制的方法进行精确控制，就不能像机械加工那样精确控制到毫米、微米，甚至纳米级，它只能作宏观评判。因此这些专业领域的数字化控制更是处于一种起步阶段。

　　最后， 姚为建议， 在铸造、热处理、焊接等专业领域中，企业需要联合高校和科研院所，共同建立冶金标准化模型，这样才能加快搭建数字工厂的步伐。不管是数字化制造也好、智能制造也罢，与国外一样，整体行业都处在起步阶段。随着专业认识逐渐的深入，数字化水平逐渐提升，企业才能针对自身特点与需求，制订出自己的数字化工厂乃至智能工厂解决方案，这也是未来制造企业追求效益的必经之路。

　　柔性制造流于生产线

　　从电子制造领域来谈，随着科技的进步和生活水平的提高，客户对产品需求日趋多样化与个性化、低制造成本及短制造周期等，传统的制造技术已不能满足市场对小批量多品种要求，也不符合顾客要求的样式和产品功能的需求。据记者了解，上世纪90年代后，由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展，制造业自动化进入一个崭新的时代，技术日臻成熟。

　　进入21世纪之后，信息技术正在加速向电子制造领域渗透，制造系统也开始大规模地向大批量低成本向小批量多品种与快速换型方式转变，并重点强调交付速度和生产系统的柔性，实现以客户为导向和总成本最低化。

　　目前，柔性制造技术已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点。据菲尼克斯亚太电气(南京)有限公司工业电子生产部经理叶庆介绍，在小批量、多品种的生产模式中，柔性制造生产系统基本占据了整条电子制造生产链。

　　在菲尼克斯整个电子制造生产线上一眼望去，看到更多的是设备，而不是人。在这些先进设备里，都有柔性技术的因素。

　　柔性技术之所以能在电子制造领域大显身手，是因为电子制造引进信息化技术最具优势。

　　从微笑曲线分析，研发和营销的利润率较大，而制造业恰巧处在中间，是微笑曲线最低的一段，其利润往往很低，如果不控制原材料和生产制造成本的话，就意味着制造企业的总成本将变得更高，利润就更小，长期下去，成本代价更加无法计较。同时，随着中国人口红利的消失，人力成本在中国每年都呈现出上涨的趋势，这就意味着制造企业用的工人越多，成本就越高，如若持续下去，这个成本将无法进行估算。而电子制造领域涉及的大部分都是简单重复性的工作，因此引进信息化技术能直接降低成本、提高质量、加快交付速度。

　　柔性“价值”

　　叶庆向记者介绍，柔性制造系统最大的优势体现在：有适应外部环境变化的能力、能衡量满足新产品要求的程度;有适应内部变化的能力，可用在有干扰(如机器出现故障)情况下，且系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值均衡。同时他告诉记者，“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。但价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件，难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代逐渐被动态的市场变化所替换，“刚性”自动化生产渐渐被“柔性”自动化生产所取代。在叶庆看来，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种的产品。

　　随着柔性技术的不断深入，传统的生产模式正逐渐被精益生产的模式代替。叶庆告诉记者，传统的生产方式是按工艺流程布局，比如工人把产品放在车床上做，做完后再全拿到铣床上铣，铣完后再拿到钻床上钻，当有了加工中心后，车钳洗刨均可在一台机器里做出来。同一台设备，可替代此前多种加工设备，只需调用不同的程序就可以生产出各种产品。这虽是柔性生产的理想状态，但不意味着企业为了使生产线达到柔性化而不计成本地投入巨资。这需要企业以成本核算为基础，结合自身的生产制造基础和产品特点来规划和逐步向柔性生产方式转变。若制造系统与产品、客户需求相匹配，使柔性的投入能被其产生的优势所消化，这就是成本最优化的方案。

　　弱基础的转变

　　制造企业使用柔性技术来提高自动化水平，最终的目的就是实现中国版的“工业4.0”。在叶庆看来，自动化只是“工业4.0”的基础，就如人的四肢，它以硬件和技术为基础;信息化就如神经，使各单元协同合作。在“工业4.0”的模式中，自动化只是系统的基础零件，配合信息化软件系统才可构建“工业4.0”的生态环境。企业发展自动化的推进将为提高生产质量、缩短交付速度、便捷管理管理，以及优化工作效率提供重要的手段，并打下坚实的基础。

　　不过，我国制造行业目前自动化的基础还不够强大，与“工业4.0”的高度自动化还有很大差距，特别是在生产制造的各环节还不能有效连接起来、信息交换依旧不够灵活和高效。但实现全自动化、构建数字工厂是中国制造企业未来的方向。如今，中国制造正在这条道路上行走着。它的未来发展，我们充满信心!