發布日期：2022-07-14 點擊率：39
未來的生產模式
如何破解呢?首先我們一起思考：未來的產品的生產模式是什么。應該分為三種：原來傳統的單件大批量，后來的多件小批量，再到單件個性化的定制。當然個性化的定制是最困難的。
圖1：未來三種生產模式
我認為在今后幾十年內三種生產方式并存，單件定制重點是解決不確定性，尤其是復雜產品的不確定性，個性化訂制解決了，多件和大批量生產方式都簡單了。如何解決個性化訂制：簡單說就是用軟件來解決復雜產品的不確定性問題。這就是智能制造的思維邏輯。
這就和美國國防部2011年提出的AVM(航空航天運載器自適應制造)計劃異曲同工。AVM計劃源自對衛星產業的思考。一年發射100顆火箭已經不得了了。每個衛星都不一樣。北斗衛星發完之后每個都在修改，北斗36顆衛星是最多衛星的定位與導航系統。相比而言，一個車企一年生產幾百萬輛汽車，飛機生產幾百架。因此，航天個性化程度很高，難以形成產業。
每個衛星不一樣，如何解決快速生產和經濟性問題?美國國防部推出AVM計劃，就是考慮“只換軟件不換硬裝備”，也就是同一條生產線從設計研發到工藝到制造生產，可以用不換生產線設備和工裝夾具，只換軟件的方法來解決不同產品的制造問題。這是一個非常具有挑戰性的難題。
智能制造提出的挑戰
廣義而論，智能制造是一個大概念，是先進制造技術與先進信息技術的深度融合，也是一個不斷演進的過程和大系統。工程院提出來三個范式：第一個是數字化，數字化+網絡化納入第二代智能制造，新一代智能制造則是數字化、網絡化、智能化。
圖2：工程院的智能制造三個范式
這里有一個重要的概念就是CPS (Cyber-Physical-Systems)。Cyber不是信息，Cyber可以翻譯成賽博，可以翻譯成智能，但是翻譯成“信息”卻不太準確。美國人2006年定義的CPS中，賽博是一個虛擬空間，是一個數字虛體。但是，賽博由誰定義呢?只能由人定義。有了智能的意識人體，創建了數學和物理方法、化學方法，發明了電腦，開發了軟件，才可以把物理實體建模建成數字虛體。
既然是范式變化，智能制造勢必會帶來重大挑戰，促使既有模式的重大轉變。這需要首先了解傳統的產品研制的四階段。
第一步是方案階段，從產品策劃、需求分析到方案設計，方案設計階段一定是做了多種方案，再評價、優選、確認出來一種進入工程研制階段。
圖3：設計制造四個階段
進入第二個階段的工程研制。就是初步設計、詳細設計、試制、實驗測試，反復迭代;直至完成設計定型和生產定型。然后進入第三個階段，就是開始批產和批量交付;交付完之后進入第四個階段：運行維護維修和回收報廢。
這是傳統的產品研制流程。那么面向未來的制造，未來產品研發的四個階段會不會變化?如果采用全新的數字化、網絡化、智能化研制方式，不變的智能要素是什么，變化的智能要素是什么，這些要素如何變化，都成為關鍵要思考的。
設計、制造、試驗，一直被認為是制造業三大關鍵技術。
圖4：制造三大技術
但在賽博世界中要怎么辦呢?那就需要數字模型一通到底，單一數據模型一直走到底，從方案論證模型、數字模型、初步設計，后面全要用，工藝制造全要用，到實驗全要用。這個階段被全部打通了，打通之后帶來的智能要素哪些要轉變?這是整個生產組織結構的變化。
圖5：Cyber空間的引入
在賽博空間中做反復的虛擬迭代設計，在CYBER空間中完成產品方案、產品設計、工藝、裝配、試驗等工作，不僅內部多作業、多學科迭代復雜，外部迭代更復雜、更多。拿國內某飛機的研制為例，有900多家直接參研單位，配套單位數千家，直接參加結構研制的企業就有將近200家。在整個賽博空間工作的工程師估計會超過四萬人。這就是非常復雜的協同制造。在這個過程中，在虛擬空間中，完成設計、仿真、工藝、制造、試驗，反復迭代來不斷發現問題，解決問題。
沒有問題后，首先映射到生產過程中，過去是手工生產線，現在要建成數字化生產線，未來還要建成智能化生產線。這一切都是從賽博空間到物理空間的映射結果。
圖6： 設計與制造的映射
當然。也要映射到試驗過程中去。這個映射關系也非常重要。傳統的實驗過程，過去是每件必試;今天有了虛擬的原型，可以做大量的CAE仿真分析(CAE軟件在全球可能有成千甚至上萬個，結構的靜力、動力、強度、疲勞、光學分析、聲學分析、震動分析、電磁場等的復雜計算分析，都可以做仿真)。
傳統制造模式中，每個都要做實驗的;而現在進行驗證型的實驗，將會減少很多。整個飛機研制進度和研制質量，都會有質的提高。
智能制造的五個分工
智能制造新技術新要素，出現很多新的內容，主要體現在五個不同的分工。
圖7：智能要素的五分工
第一個人機分工。既有機器也有電腦，智能化的機器，這個人類和機器的分工始終在演進和變化。
第二個虛實分工。就是CPS，哪些是虛的(CYBER空間)，哪些必須實體驗證(物理空間)的，這個也是動態演進的過程。
第三個黑白分工，黑是指的復合材料，橡膠、編制材料等，白指的傳統材料如金屬，而未來的黑材料可能會用的越來越多，而且環保價格低。
第四個加減分工，也就是增材制造和減材制造。
最后一個制服分工，智能制造的一個重要概念，有些企業是從生產型企業轉型為生產服務型企業;而另外一些企業是從服務型企業轉型為生產服務型企業，制造和服務動態調整的分工怎么調整，也一個是動態演進的過程。
未來15年后的先進制造業是什么?可以看成是“時空人機一體化”：不分時間，不分空間，不管什么人和設備都能干出來，對人的要求和設備要求低了。不管任何時間，空間不論在火星還是月球、太空飛船上還是深海的潛艇上都可以制造出來。也是動態演進的過程。
隨時制造、隨地制造，不隨人和設備的制造，這個構成智能制造的需求。
圖8：智能制造的核心
面向循環的制造
對中國的資源和環境而言，還有一個很重要的問題，在智能制造的大背景下，綠色設計、綠色制造該怎么做?
創新從設計開始，不妨可以借鑒既有的面向制造的設計(DFM)、面向裝配設計(DFA)，提出一個面向循環制造生產設計DFR(DESIGN FOR RECYCLE)。
圖9：面向循環的制造
數字化產品研制的綠色生產循環系統，從需求產品策劃到方案設計、試驗、試制、批產、交互、運行維護，比如說造電動汽車，中國制造電動汽車，幾種底盤、幾種模板，要報廢的拆開之后，有些是報廢的，有些回收再生產，可以繼續進入生產環節。這樣，報廢的汽車、報廢的自行車，都可以提前進入可回收的系統規劃中。以后的生產，可以變成一個綠色的生產再循環系統。
實際上，世界已經行動起來。福特的孫子在2012年決定投資20億美元，重塑福特時代經典的胭脂河舊工廠的時候，就雇傭了最為頂級的生態設計概念的建筑師，建立了面向友好環境的工廠。而西門子在2015年4月，跟ThinkStep合作，實現了材料全生命周期的管理，目的就是簡化材料驅動的產品設計過程;能夠把設計、工程、分析、合規和制造連接到一個單一的材料信息源，從而幫助提升產品性能和可靠性。在2017年底，Epson的辦公用紙循環機已經開始運轉起來，送進廢紙，吐出新紙。
可循環的制造對中國，是一個巨大的機遇。如果能將這個循環系統和賽博這種研發體系關聯起來，那么，就可以建立中國的自主的制造業的綠色生態系統。
本文轉自公眾號：知識自動化
