一、智能制造:傳統(tǒng)制造業(yè)的新方向
在當今激烈的市場競爭環(huán)境下,傳統(tǒng)制造業(yè)面臨著諸多挑戰(zhàn)。智能制造作為傳統(tǒng)制造業(yè)的新方向,具有至關重要的意義。一方面,消費者需求日益?zhèn)€性化和多樣化,傳統(tǒng)的大規(guī)模生產方式難以滿足市場需求。據(jù)統(tǒng)計,目前消費者對于個性化產品的需求正以每年約 20% 的速度增長。智能制造通過大數(shù)據(jù)分析和機器學習等技術,能夠實時捕捉和分析消費者的需求,實現(xiàn)快速、靈活、個性化的生產,從而提升消費者的滿意度和忠誠度。
另一方面,市場競爭日益激烈,企業(yè)需要不斷提高生產效率和降低成本,才能在競爭中立足。智能制造通過引入先進的自動化設備和智能化技術,可以大大提高生產效率,減少人力投入,同時保證產品的質量和精度。例如,某智能制造企業(yè)在生產過程中,采用自動化生產線和智能化管理系統(tǒng),生產效率提高了 30%,人力成本降低了 20%。
此外,智能制造對于環(huán)境保護也具有重要意義。傳統(tǒng)制造業(yè)能源消耗大,排放多,對環(huán)境造成了嚴重的破壞。而智能制造通過優(yōu)化生產過程,減少能源消耗,降低廢棄物排放,可以實現(xiàn)綠色生產,有助于保護環(huán)境,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
綜上所述,智能制造作為傳統(tǒng)制造業(yè)的新方向,能夠有效應對市場競爭、滿足消費者需求,同時實現(xiàn)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展,是傳統(tǒng)制造業(yè)轉型升級的必然選擇。
二、智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀
(一)國內外智能制造發(fā)展態(tài)勢
在政策支持方面,美國、德國、日本、韓國等世界主要工業(yè)大國紛紛實施 “再工業(yè)化” 戰(zhàn)略,以智能制造為主要抓手,力圖搶占全球制造業(yè)新一輪競爭制高點。例如,美國政府大力推動以發(fā)展智能制造為重點的 “制造業(yè)回流” 戰(zhàn)略,重視創(chuàng)新在其中的引領作用;德國在 2013 年正式推出德國工業(yè) 4.0 戰(zhàn)略,以信息物理系統(tǒng)為中心,促進高端制造等戰(zhàn)略性新興產業(yè)的發(fā)展;日本政府針對先進制造部門采用資金推動戰(zhàn)略,鼓勵技術創(chuàng)新和進步;韓國在 2014 年提出 “制造業(yè)革新 3.0 戰(zhàn)略”,意圖實現(xiàn)國家產業(yè)的轉型升級。
企業(yè)投入方面,全球對工業(yè)機器人的需求明顯加快。2023 年,全球工業(yè)機器人安裝量增加至 59.3 萬臺,漲幅達 7% 左右,銷售額達到 210 億美元。數(shù)控機床作為典型的機電一體化產品,需求也在不斷擴大,2023 年全球數(shù)控機床市場規(guī)模達到 1590 億美元。
技術研發(fā)和應用推廣上,我國也在積極推進智能制造。全國人大代表鐘錚提出關于加大智能制造支持力度,加快形成新質生產力的建議,加快推動 “智能制造專項” 立項實施,加快智能制造應用普及,加快形成我國自己的智能制造標準和評價體系。2023 年,我國智能制造行業(yè)產值規(guī)模達 3.2 萬億元,全球智能制造產值規(guī)模在 18247 億美元左右。
(二)河北制造業(yè)現(xiàn)狀及轉型探索
河北作為制造業(yè)大省,傳統(tǒng)制造業(yè)面臨著轉型升級的壓力。目前,河北制造業(yè)在智能化、綠色化、服務化方面積極探索轉型實踐。
在智能化方面,我省以深化新一代信息技術與制造業(yè)融合為主線,制造業(yè) “智改數(shù)轉網聯(lián)” 取得顯著成效。實施工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新發(fā)展、數(shù)字化轉型 “扶優(yōu)培強”,加快傳統(tǒng)產業(yè)數(shù)字化、網絡化、智能化轉型。例如,河鋼數(shù)字基于工業(yè)物聯(lián)網平臺的重點行業(yè)生產設備智能運維系統(tǒng)項目入選 2023 年國家產業(yè)基礎再造和制造業(yè)高質量發(fā)展專項項目計劃;我省 9 個項目入選國家 2023 年新一代信息技術與制造業(yè)融合發(fā)展示范,數(shù)量居全國第四位。
在綠色化方面,河北制造業(yè)積極踐行綠色發(fā)展理念。以嶺藥業(yè)被評選為首批*綠色工廠,建設覆蓋整個廠區(qū)的雨水回收和中水回收系統(tǒng),中藥渣經發(fā)酵處理產生沼氣等資源,實現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)能、減排、節(jié)水。
在服務化方面,實施縣域特色產業(yè)集群 “領跑者” 培育行動,建立 “領跑者” 企業(yè)與集群中小企業(yè)精準配套供需機制,舉辦資本市場賦能產業(yè)集群百縣行活動,實施特色產業(yè)集群 “共享智造” 行動,強化產業(yè)集群梯度培育。
三、智能制造的關鍵技術應用
(一)智能機床在制造業(yè)中的應用
智能機床作為最新一代加工設備,具有諸多優(yōu)勢,為智能制造注入了強勁的生產力。其優(yōu)越的減振性能,可最大程度抑制機床加工軸在加速和減速過程中產生的振動,嚴重影響加工精度和表面粗糙度等參數(shù)的問題得以有效解決。采用熱補償技術,在加工過程中產生大量熱量使工件和刀具受溫升而變形的情況能夠得到精確補償。智能防撞功能更是在人工誤操作時,可提前檢測內部干涉和撞擊的可能性,并于撞擊前立即停機,保護設備和工件免于碰撞。
智能機床對制造業(yè)的推動作用不可小覷。搭載智能數(shù)控系統(tǒng),在獲取加工對象以后,自動選擇最優(yōu)加速度、轉角、平滑度、加工路線等參數(shù)進行加工,同時對整個加工過程進行自身監(jiān)測,并實時分析周圍環(huán)境因素自動補償,以保證產品精度。智能機床的出現(xiàn),為未來裝備制造業(yè)實現(xiàn)全盤生產自動化創(chuàng)造了條件。通過自動抑制振動、減少熱變形、防止干涉、自動調節(jié)潤滑油量、減少噪音等,可提高機床的加工精度、效率。對于進一步發(fā)展集成制造系統(tǒng)來說,單個機床自動化水平提高后,可以大大減少人在管理機床方面的工作量。
(二)智能機器人在制造業(yè)中的應用
智能機器人集仿生技術、傳感技術、控制理論、信號處理等技術于一身,已在河北省的機械、汽車、化工等領域廣泛應用。在長城汽車焊接生產線,采用智能機械手完成點焊、涂膠、搬運等一系列工序。智能機器人根據(jù)各節(jié)點的工作環(huán)境和任務,獲取主動感知,執(zhí)行任務規(guī)劃,自適應調整生產進度。
智能機器人在提高生產效率方面作用顯著。首先,工業(yè)機器人具備高度自動化的特點,能夠按照預設的程序和指令,自動完成各種生產任務,這種自動化生產方式不僅提高了生產效率,還降低了人為因素對產品質量的影響。其次,工業(yè)機器人具有高精度和高穩(wěn)定性的特點,能夠確保生產過程中的精確度和一致性,提高產品質量。例如,在汽車制造廠中,機器人可以自動化焊接、組裝和噴漆等工序,能夠 24 小時不間斷工作,減少因人工疲勞導致的生產效率下降。再者,智能機器人可以替代部分人工崗位,完成一些繁重、危險和單調的工作,這不僅可以降低企業(yè)的勞動力成本,還可以提高員工的工作環(huán)境和工作質量。同時,工業(yè)機器人具有自診斷和自維護功能,能夠在出現(xiàn)異常情況時及時報警并進行維護,降低故障率。
四、智能制造實施的關鍵要素
(一)數(shù)據(jù)采集與處理
在智能制造中,數(shù)據(jù)采集與處理至關重要。數(shù)據(jù)采集是智能制造的基礎,通過傳感器、設備接口采集以及人工錄入等方法,收集生產過程中的大量數(shù)據(jù),如溫度、壓力、速度、設備運行狀態(tài)、生產進度和產品質量等信息。例如在閥門制造工廠中,安裝在生產線上的傳感器可以實時監(jiān)測閥門的尺寸、密封性和表面質量,確保產品符合嚴格的質量標準。同時,設備的運行數(shù)據(jù)可以幫助工程師及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患,提前進行維護和保養(yǎng),避免生產中斷。
數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化等步驟。數(shù)據(jù)清洗去除異常值、填補缺失值、糾正錯誤數(shù)據(jù),確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。數(shù)據(jù)分析運用統(tǒng)計分析、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘等技術,提取有價值的信息和知識,如分析生產過程中的關鍵因素、預測設備故障、優(yōu)化生產流程等。數(shù)據(jù)可視化將分析結果以直觀、易懂的形式展示出來,幫助決策者快速了解生產狀況和問題。
然而,數(shù)據(jù)采集與處理也面臨一些挑戰(zhàn)。一方面,要確保數(shù)據(jù)安全與隱私保護,企業(yè)需要采取加密技術、訪問控制、數(shù)據(jù)備份等安全措施,同時遵守相關法律法規(guī),保護用戶隱私權益。另一方面,要解決數(shù)據(jù)集成與共享的問題,由于智能制造涉及多個系統(tǒng)和設備,數(shù)據(jù)往往分散在不同的數(shù)據(jù)源中,需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和接口規(guī)范,以及有效的數(shù)據(jù)管理機制。此外,還需提升數(shù)據(jù)分析能力,企業(yè)可以通過培訓和引進人才、與高校和科研機構合作等方式,提升自身的數(shù)據(jù)分析能力,選擇適合企業(yè)需求的數(shù)據(jù)分析軟件和平臺,提高數(shù)據(jù)分析的效率和準確性。
(二)工業(yè)互聯(lián)網平臺
工業(yè)互聯(lián)網平臺在智能制造中發(fā)揮著重要作用。它能夠提供數(shù)據(jù)分析服務,通過收集和整合來自不同設備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù),進行深入分析,為企業(yè)提供決策支持。例如,通過對生產過程數(shù)據(jù)的分析,企業(yè)可以優(yōu)化生產流程,提高生產效率和產品質量。同時,工業(yè)互聯(lián)網平臺促進企業(yè)數(shù)字化轉型,為企業(yè)提供一站式的數(shù)字化解決方案,包括設備連接、數(shù)據(jù)管理、應用開發(fā)等。
工業(yè)互聯(lián)網平臺還可以實現(xiàn)產業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng)新。通過平臺,企業(yè)可以與上下游企業(yè)進行信息共享和業(yè)務協(xié)同,提高整個產業(yè)鏈的效率和競爭力。例如,在汽車制造行業(yè),工業(yè)互聯(lián)網平臺可以連接汽車制造商、零部件供應商和經銷商,實現(xiàn)生產計劃、庫存管理和銷售預測的協(xié)同優(yōu)化。
此外,工業(yè)互聯(lián)網平臺為中小企業(yè)提供了發(fā)展機遇。中小企業(yè)可以通過接入工業(yè)互聯(lián)網平臺,獲得先進的技術和服務,降低數(shù)字化轉型的成本和風險,提升自身的競爭力。例如,一些工業(yè)互聯(lián)網平臺為中小企業(yè)提供云制造服務,讓中小企業(yè)可以共享高端制造設備和技術資源,實現(xiàn)低成本、高效率的生產。
(三)人工智能技術的應用
在智能制造中,人工智能技術的應用涵蓋智能決策、感知、控制和優(yōu)化等方面。智能決策方面,人工智能可以通過對大量數(shù)據(jù)的分析和學習,為企業(yè)提供決策支持。例如,在生產排程中,人工智能可以根據(jù)訂單需求、設備狀態(tài)、原材料供應等因素,自動生成最優(yōu)的生產計劃。
感知方面,人工智能技術可以通過傳感器和圖像識別等技術,實現(xiàn)對生產環(huán)境和設備狀態(tài)的實時感知。例如,在智能工廠中,通過安裝攝像頭和傳感器,可以實時監(jiān)測生產線上的設備運行狀態(tài)和產品質量,及時發(fā)現(xiàn)問題并進行處理。
控制方面,人工智能可以實現(xiàn)對生產過程的智能控制。例如,在工業(yè)機器人的控制中,人工智能可以根據(jù)生產任務和環(huán)境變化,自動調整機器人的動作和路徑,提高生產效率和質量。
優(yōu)化方面,人工智能可以通過對生產過程的優(yōu)化,提高生產效率和產品質量。例如,在能源管理中,人工智能可以根據(jù)設備運行狀態(tài)和生產需求,自動調整能源供應,實現(xiàn)能源的高效利用。
(四)信息安全與保障
在智能制造中,信息安全至關重要。隨著智能制造的發(fā)展,企業(yè)的生產設備、管理系統(tǒng)和產品越來越智能化和網絡化,這也帶來了更多的信息安全風險。例如,黑客可以通過網絡攻擊企業(yè)的生產設備,導致生產中斷或產品質量下降;企業(yè)的敏感信息如生產工藝、客戶數(shù)據(jù)等也可能被泄露,給企業(yè)帶來巨大的損失。
為了保障信息安全,企業(yè)需要采取一系列措施。首先,加強網絡安全防護,建立健全的網絡安全防護體系,包括防火墻、入侵檢測系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等,及時發(fā)現(xiàn)和阻止網絡攻擊。其次,進行數(shù)據(jù)加密保護,對重要數(shù)據(jù)進行加密存儲和傳輸,確保數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中不被竊取或篡改。再者,定期進行安全審計,建立定期的安全審計機制,對系統(tǒng)進行安全漏洞掃描和評估,及時發(fā)現(xiàn)和修復安全隱患。同時,加強員工安全意識培訓,提高員工對網絡安全的重視程度和應對能力。
此外,企業(yè)還需要遵守相關的信息安全法規(guī)和標準,如《網絡安全法》、ISO 27001 等,建立完善的信息安全管理體系。在供應鏈協(xié)同中,企業(yè)也需要加強信息安全保障,建立嚴格的供應商準入標準,在采購合同中明確信息安全相關條款,定期對供應商的信息安全狀況進行監(jiān)控和評估。
五、智能制造實踐案例分析
(一)國內外典型企業(yè)案例
德國西門子:
西門子在智能制造領域有著深厚的積累和領先的技術。在產品設計階段,有不同的工業(yè)軟件工具,能實現(xiàn)產品的數(shù)字化設計、驗證和仿真,在軟件環(huán)境中就可進行力學、電磁感應、溫度等方面實驗,提早預知產品設計缺陷,加快設計反復和速度。在虛擬生產階段,產線的設計和仿真也在軟件環(huán)境中建立數(shù)字化雙胞胎,預先知道產能規(guī)劃、瓶頸及與人互動情況。西門子還在工業(yè)自動化方面處于業(yè)界領先地位,通過全集成自動化實現(xiàn)高效、安全的生產,并建立了縱深防御的信息安全體系。其位于德國安貝格的電子工廠,生產合格率高達 99.9988%,整個生產過程中,機器和計算機自行處理 75% 的工作量,其余由工人完成。每天上千臺掃描儀將從單件產品上采集約 5000 萬條生產過程數(shù)據(jù),通過軟件定義所有生產過程和指令,實現(xiàn)細致入微地觀察每一件產品的生命周期。
美國通用電氣:
美國通用電氣公司的 “智能制造技術” 項目通過整合各類制造數(shù)據(jù)和信息,實現(xiàn)制造過程的實時監(jiān)控和優(yōu)化調度。對制造過程中的各種數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控,掌握生產現(xiàn)場實際情況,包括設備狀態(tài)、原材料消耗、產品質量等信息,及時發(fā)現(xiàn)問題并調整。通過對制造數(shù)據(jù)和信息的整合,實現(xiàn)制造過程的優(yōu)化調度,提高生產效率。該項目還有助于提高產品質量,通過實時監(jiān)控和分析生產過程中的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)潛在質量問題并改進。同時,降低生產成本,合理安排生產資源,避免浪費,改進低效環(huán)節(jié)。通用電氣醫(yī)療的 “高端 CT 探測器智能柔性制造項目” 榮膺 “年度十大典型案例”,充分運用工業(yè)互聯(lián)網和數(shù)字化技術,融合先進管理理論和技術,打造了高柔性、高質量、高智能的高端 CT 探測器制造體系,實現(xiàn)了探測器核心部件整個生產環(huán)節(jié)各工序質量及整體質量的大幅提升,有效保障了探測器生產全供應鏈的質量管理與穩(wěn)定交付。
中國海爾:
海爾已累計擁有 9 座 “燈塔工廠” 和 1 座 “可持續(xù)燈塔工廠”,是全球擁有燈塔工廠數(shù)量最多的中國企業(yè)。海爾膠州空調互聯(lián)工廠以 “In China for Global” 的世界工廠創(chuàng)新模式,成功入選第 12 批燈塔工廠。采用大數(shù)據(jù)、高級算法和生成式人工智能等技術,優(yōu)化了整個價值鏈,將設計周期縮短了 49%,訂單交付時間縮短了 19%,海外市場故障率降低了 28%。海爾青島洗衣機互聯(lián)工廠應用了 5.5G 高頻定位、數(shù)字孿生等先進技術,打造了智能化生產線,提高制造效率,檢測線上只需 2 個人,智慧檢測的效率提高了 30%,外觀檢測效率提高了 56%,且實現(xiàn)了零漏檢。從大規(guī)模制造向大規(guī)模定制轉型,形成了以訂單為導向的生產體系,產品不入庫率達到了 85%。
富士康:
富士康在鄭州的 D06 “燈塔” 工廠車間科技感十足,節(jié)能高效,工業(yè)機器人和自動化設備高效運作,讓學生們感受到了智能制造的魅力。在貴州,富士康實踐智能制造與大數(shù)據(jù)的結合,建設 “關燈工廠”,把工人從單調的流水線上解放出來,由機器人處理。富士康在數(shù)字化轉型方面進行大量投入,引入先進的自動化生產線、人工智能技術、大數(shù)據(jù)分析等,提高生產效率、降低成本并改善質量。通過構建工業(yè)物聯(lián)網平臺,實現(xiàn)設備互聯(lián)互通和實時數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控。在人工智能和機器學習領域廣泛應用,優(yōu)化生產線調度、預測設備維護需求等。積極布局 5G 和云計算領域,支持更高效的生產和更快速的產品上市。
(二)案例成功因素與啟示
持續(xù)改進:這些企業(yè)都在不斷進行技術創(chuàng)新和管理優(yōu)化,持續(xù)改進生產流程和產品質量。例如西門子不斷打造面向智能制造的產品鏈,海爾不斷迭代升級工廠技術,通用電氣持續(xù)優(yōu)化智能制造項目,富士康也在不斷投入進行數(shù)字化轉型。
政策支持:各國政府紛紛出臺政策支持智能制造發(fā)展,為企業(yè)提供了良好的發(fā)展環(huán)境。德國推出工業(yè) 4.0 戰(zhàn)略,美國推動 “制造業(yè)回流” 戰(zhàn)略,中國也在積極推進智能制造,出臺了一系列政策支持企業(yè)轉型升級。
市場導向:這些企業(yè)都以市場需求為導向,不斷滿足消費者個性化、多樣化的需求。海爾通過大規(guī)模定制滿足用戶對智慧家庭個性化定制需求,富士康通過智能制造實現(xiàn)快速、靈活、個性化的生產,通用電氣醫(yī)療的智能柔性制造項目也是為了滿足快速增長的市場需求。
合作共贏:企業(yè)之間、企業(yè)與高校和科研機構之間的合作也是成功的重要因素。西門子與九牧共同開拓廚衛(wèi)行業(yè)智能制造轉型,通用電氣醫(yī)療與先進管理理論和技術融合,海爾旗下的卡奧斯 COSMOPlat 工業(yè)互聯(lián)網平臺為中國制造企業(yè)賦能。這些合作實現(xiàn)了資源共享、優(yōu)勢互補,共同推動了智能制造的發(fā)展。
六、智能制造的挑戰(zhàn)與對策
(一)面臨的挑戰(zhàn)
(二)應對策略
七、智能制造的未來展望
(一)重塑傳統(tǒng)制造業(yè)格局
智能制造將持續(xù)重塑傳統(tǒng)制造業(yè)格局,從生產方式、管理模式到市場競爭態(tài)勢都將發(fā)生深刻變革。在生產方式上,智能制造推動傳統(tǒng)的大規(guī)模批量生產向個性化定制和柔性生產轉變。以消費者需求為導向,通過大數(shù)據(jù)分析和智能算法,實現(xiàn)快速響應市場變化,滿足不同客戶的個性化需求。例如,根據(jù)市場調研數(shù)據(jù)顯示,未來五年內個性化定制產品的市場份額有望增長 30% 以上。在管理模式上,數(shù)據(jù)驅動的決策機制將更加普及,企業(yè)能夠實時掌握生產過程中的各種信息,精準分析并做出科學決策,提高管理效率和資源利用率。同時,智能制造將促進制造業(yè)與服務業(yè)的深度融合,制造業(yè)企業(yè)不再僅僅是產品的生產者,更是綜合服務的提供商,為客戶提供從產品設計、生產到售后服務的全流程解決方案。
(二)未來發(fā)展?jié)摿?
隨著技術的不斷進步,智能制造的未來發(fā)展?jié)摿薮?。一方面,人工智能、大?shù)據(jù)、物聯(lián)網等技術將不斷融合創(chuàng)新,為智能制造提供更強大的技術支撐。預計到 2030 年,人工智能在智能制造中的應用將實現(xiàn)跨越式發(fā)展,智能決策、智能控制和智能優(yōu)化將更加精準高效。例如,通過深度學習算法,智能設備能夠自主學習和優(yōu)化生產工藝,提高產品質量和生產效率。另一方面,工業(yè)互聯(lián)網平臺將進一步發(fā)展壯大,實現(xiàn)產業(yè)鏈上下游企業(yè)的深度協(xié)同。企業(yè)間可以實時共享生產計劃、庫存信息和市場需求,優(yōu)化資源配置,降低成本,提高整個產業(yè)鏈的競爭力。據(jù)統(tǒng)計,未來幾年工業(yè)互聯(lián)網平臺的市場規(guī)模將以每年 20% 以上的速度增長。
(三)未來發(fā)展趨勢
智能制造作為傳統(tǒng)制造業(yè)的新方向,未來將持續(xù)發(fā)揮重要作用,重塑傳統(tǒng)制造業(yè)格局,推動制造業(yè)向更高質量、更高效益、更可持續(xù)的方向發(fā)展。
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