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卷板機制造技術的新發展 |
| 發布時間：2022/8/21 |
卷板機制造技術的新發展
新一代信息技術的運用不僅使大型的、跨國性公司的運營得到優化，而且也大大提升了中小卷板機企業的綜合競爭力，這使得智能制造的理念對社會生產力和整個社會經濟發展的重要意義得到人們的普遍公認。
1．新的制造模式不斷產生和發展
市場需求的快速變化，社會生產力發展水平、社會需求的變化和全球性的經濟競爭，使得制造環境已經或正在發生著重大的變化，催生了許多新型制造模式，如家用電器、汽車行業的客戶化定制模式，電力：航空裝備行業的異地協同研發和云制造模式，食品、藥材、建材、鋼鐵、服裝等行業的電子商務模式，以及眾包設計、網絡協同制造、服務型制造等薪型制造模式，指導制造卷板機企業面對以個性化服務為基礎的不斷變化的市場，并在合理利用資源、可持續發展的前提下求得生存與發展。
2．從面向過程的管理走向卷板機企業策略管理
隨著科學技術的飛速發展以及全球統一市場的形成，卷板機企業迫切需要有效的管理工具來適應極度膨脹的信息和成倍增長的數據，以優化自己的經營，從而在激烈的市場競爭中達到“提供最好的產品與服務、獲得最大利潤"的目標。正是在對這一目標的不斷追求中，現代管理方法從面向生產、銷售、人事、財務、后勤等各個過程的管理發展到卷板機企業整個供應鏈、價值鏈的整合，從追求卷板機企業內部生產的協調順暢到支持卷板機企業間聯盟的管理組織以及客戶關系管理(CRM)，從MRP到ERP，再發展到電子商務時代的供應鏈管理，管理思想水平取得飛速發展，管理系統工具，特別是ERP的功能也隨之不斷拓展。
ERP結合Internet技術，可以幫助卷板機企業運用Internet進行高效的市場運作，獲取并分析客戶、供應商、雇員以及合作伙伴的相關信息，使卷板機企業做出更好的商業決策。同時，運用Internet還可以使卷板機企業的商業流程自動化，使制造、采購供應鏈系統更為暢通，保證卷板機企業在最短的時間內將正確的產品和服務傳遞給客戶，從而提高卷板機企業的競爭力。
ERP中拓展了客戶關系管理功能。CRM強調以客戶為中心，強調對客戶的快速反應，給予客戶一對一、交互式的個性化服務。它所要求的不僅僅是銷售過程的自動化，還要求商業結構能夠充分利用關鍵客戶和卷板機企業數據來優化商業決策過程。同時，它還賦予客戶與卷板機企業進行交流的能力。CRM與財物、人力資源、工程、制造和供應鏈應用系統完全集成為一體，將成為卷板機企業級的CRM解決方案，實現與客戶的高度集成。
供應鏈是在MRP一Ⅱ和ERP技術基礎上發展起來的又一種現代管理方法與技術。它強調隨著發展和變化，在把握真實需求的基礎上，對供應鏈的信息流、物流、資金流、價值流、工作流等各個流程的集成和優化。比較活躍的領域包括：①供應鏈建模技術；②供應鏈運行的參考模型；③供應鏈管理的實施、方法；④電子商務下的供應鏈管理；⑤基于模塊化、可重構、代理、分布式對象等技術的供應鏈管理；⑥支持動態聯盟的虛擬供應鏈等。這些研究成果已逐步應用到實際產品中。
從MRP到供應鏈管理的沿革可以看出，現代管理技術已經從物料的計劃發展到整個公司經濟戰略與事物的綜合管理方法，成為卷板機企業最大限度發揮現有設備、資源、人力的作用，最大限度地產生經濟效益的一種有力的支撐基礎。
3．面向全生命周期的產品并行虛擬開發技術日趨成熟
據國外資料統計分析，從19世紀70年代到20世紀90年代的100多年里，加工過程的效率提高了2000％，生產管理的效率提高了80--120％，而產品開發的效率僅提高20％，產品設計是產品整個生命周期的重要一環，近80％的成本是在這一階段確定的。尤其是當前市場競爭環境下，體現競爭能力的一個關鍵就是不斷地快速開發新產品。因而，產品開發方法與技術的研究一直是一個非常活躍的領域，并取得了很大的進展。著眼于優化產品的整個生命周期，生產具有綜合競爭力的產品，面向全生命周期的產品并行化、虛擬化、敏捷化的產品開發技術日趨成熟。
1)產品開發方式由串行向并行發展，開發的組織管理模式從嚴格分工向自主管理的項目團隊方式轉變式力圖使開發者一開始就考慮到產品全生命周期中的所有要素，包括質量、成本、進度與用戶要求。并行工程充分利用集成環境和各種協同工具，從全局優化的角度使產品生命周期內各環節的設計任務盡可能并行，側重產品全生命周期的研究。
如圖48所示，在并行設計過程中，產品開發過程各個階段的工作交叉進行，以便可以及早發現與其相關過程不匹配的地方，及時評估、決策，以達到縮短產品開發周期、提高質量、降低成本的目的。并行設計將產品開發周期分解成許多階段，每個階段都有自己的時間段，組成設計的整個過程。時間段之間重復的部分表示同時進行。一般情況下，相鄰的兩個階段可以相互重疊，需要時也可以出現兩個以上階段相互重疊。在這些相互重疊的設計階段之間進行并行設計，顯然首先要求信息集成和相互間的通信能力，此外還要求以團隊的方式工作。
圖48并行開發模式
(1)支持并行開發團隊的協同工具更加完備。
支持產品開發團隊的協同工具主要包括以下兩方面：一是集成化的產品數據管理(PDM)系統，以方便團隊成員對產品信息進行訪問；二是足夠的通信手段和協同工具，以保證設計成員之間進行信息交流，并實現設計約束的管理、設計沖突的協調和設計方案的評價等。
產品數據管理系統融合了面向對象技術、分布式數據庫技術、網絡技術與c/s結構，可對產品生命周期所有相關數據和過程進行管理與控制，實現分布環境中數據的共享與操作。許多PDM工具都將支持產品全生命周期操作作為自己追求的目標，提供API用以與其他工具集成。而基于Web技術的系統成為其發展的主流方向。
在通信與協同工具方面，有關產品開發團隊工作環境的研究包括通用的平臺(如計算機支持的協同工作環境，也稱為“群件”)以及專門的協同設計系統。計算機支持的協同工作(CSCW)領域已取得了很大的進展，并已有商業化的產品，如蓮花公司的Lotus系列、微軟公司的Microsoft NetMeeting等。
專門的協同設計系統在連接不同CAD系統、進行協同設計信息訪問的基礎上，可以進行實時的二維、三維協同建模，使團隊成員對圖形、屬性等信息進行查看、檢驗，并相互交換不同的設計思想，方便團隊最終達成一致的設計方案。
(2)面向產品全生命周期的并行開發工具逐漸成熟。
面向產品全生命周期的并行開發方式。已超越了設計與銷售、制造等系統之間簡單的信息共享，而形成一種同時考慮產品生命周期各階段目標和約束的系統性方法，這就是面向制造(M)、面向質量(Q)、面向環境(E)等多方面的設計方法，綜合稱為Design For X(DFX)的設計模式。DFX的方法包括經驗法、定量評估法、基于特征的方法以及人工智能的方法。當前研究的關鍵技術包括計算機輔助概念設計、集成產品信息模型、產品可制造性模型及其評價方法、并行設計過程分析等。DFX系列產品主要包括面向制造和裝配的設計(DFMA)工具、面向維護(Service)的設計(DFS)工具、面向環境的設計(DFE)工具。DFMA工具可在設計的早期分析產品結構的優化程度、裝配難易程度以及整體的可制造性評價。DFE則用于對產品循環利用的經濟性，以及產品設計對環境的影響進行分析，并對拆裝順序進行優化。DFS可對產品維護的難易程度進行分析。所有這些工具的分析結果都將作為概念設計的約束，而且這些工具還可以為改良設計提供建議。
2)產品開發系統功能更加強大，并向集成化、虛擬化發展
隨著C刪CAE/CAM系統功能的不斷增強以及仿真、可視化技術的發展，產品開發過程中的仿真技術應用范圍不斷擴展，從面向單個零部件的應用發展到整個產品乃至設計、制造、加工的過程的仿真，虛擬產品開發(Virtual Product Development，VPD)、虛擬原型(Virtual Prototyping)與虛擬制造技術(Virtual Manufacturing)研究與開發受到廣泛關注。
如圖49所示，虛擬產品開發能夠在虛擬狀態下構思、設計、制造、測試和分析產品，以解決那些反映在時間、成本、質量諸方面存在的重大壓力問題。
VPD是實際產品開發過程在計算機上的本質實現，即采用計算機仿真與虛擬現實技術，在計算機上群組協同工作，通過三維模型與動畫，實現產品的設計開發的本質過程，是一種通過計算機虛擬模型來模擬和預測產品功能、性能以及可加工性等各方面可能存在的問題，提高產品的預測和決策水平，使得產品開發走出主要依賴于經驗的狹小天地，發展到全方位預測的新階段，從根本上解決TQCS(時間，質量，成本，服務)的難題。
目前，VDP的開發研究熱點包括：①基于META建模的VPD建模理論、方法、框架的研究；②支持VPD全過程的產品數字模型的數據組織與管理技術；③面向設計、裝配、生產的產品數字模型的映射技術；④基于PDM的虛擬產品創新設計系統、產品樣機數字化技術；⑤逆向設計中的產品反求技術；⑥工業設計美學原則及設計手法在產品設計中的運用技術以及美學評價技術；⑦產品機構的運動學、動力學分析與仿真；⑧產品結構的分析與仿真。
4．制造技術繼續向柔性化、集成化和智能化方向發展
柔性制造、集成制造、智能制造是智能制造技術發展的三個階段。近年來，超精密加工、束流加工、快速原型(Rapid Prototyping，RP)等底層加工技術發展迅速，這些技術具有高柔性、容易集成和智能化等特點。
高效柔性化和高精化分別反映了制造業在競爭激烈且具有不確定性市場環境下的兩個最主要的要求，即數控卷板機產品生產變換的靈捷性和產品質量持續的提高。當前制造技術柔性化的發展將沿著以下四個方向推進：①加速數控機床向高速化和高精化發展和應用的步伐；②加強發展多功能復合加工的數控機床來提高單件和中小批量生產的加工精度和高效柔性化；③對于中、大批量生產提出發展快速重組制造系統(Rapidly Reconfigurable
Manufacturing SysteIn，RRMS)和可重構機床(Reconfigurable Machine Tool，RMT)將是一個合理的解決方案；④發展網絡化制造單元，以適應數字化卷板機企業的構建。
集成制造強櫥信息流和物質流的集成。集成制造是實現智能制造的重要丈撐和基礎。全生命周期下，面向產品形成過程的制造信息集成除了傳統的CAD/CAPP/CAM/PDM集成外，目前基于Web的CAx/PDM/ERP等應用系統的信息集成已經成為發展方向。其中，需要解決的關鍵問題包括：①接口的開發。接口的開發是與系統的結構和工作方式密切相關的，且必須考慮整個功能和各個分系統的作用。②標準化工作。卷板機企業標準化包括有關數據和文檔的標準化、零部件名稱的標準化、編號系統的標準化和卷板機企業業務流程的標準化等工作。③面向對象的應用與關系數據的匹配問題。需要在關系數據庫上開發出面向對象的應用程序接口。④支持分布式數據管理。需要解決異構軟硬件環境、異構網絡協議下的遠程通信問題，要求提供模型數據字典的管理與維護及面向數據存取與操作的規則處理機制等。
制造智能化能夠促進集成化制造水平的提高。其發展表現為：①提高智能。智能化復雜系統的行為和結構是分層次的，每個層次都有自己的新物質和狀態描述，必須建立每個層次能上下相容的結構與周邊友好的界面。②研究和模仿人類智能。研究生物界的進化機制、生命系統自組織能力、免疫能力和遺傳能力的精確結構。③協調人機關系。建立一種新型的人機一體化關系，從而產生高效、高性能的生產系統。
最近發展迅速的虛擬軸機床、虛擬制造等技術標志著底層加工技術向柔性化、智能化和集成化方向更進一步。虛擬制造技術本質上是一個集成的、綜合的可運行制造環境，用來提高各個層次的決策和控制，它為“虛擬產品開發"提供了有效的制造過程仿真。采用“虛擬產品”模型對產品的加工過程仿真可以評價“制造”出的產品與“設計”產品之間的差別，并可根據毛坯切削的過程和結果來評價設計產品的可制造性問題，并校驗數控代碼指揮的數控機床可能產生的刀具與工件、刀具與夾具、刀具與加工工作臺之間的碰撞與干涉等問題。另外，智能制造單元、生物制造系統(BMS)、多功能集成工廠(Multi— Functions Integrated Factory，MFIF)等新技術、新概念層出不窮，極大地促進了加工技術的智能化和集成化。
5．2017年Gartner發布的新興科技技術成熟度
Gartner發布了如圖50所示的2017年新興科技技術成熟度曲線，其中包含的各類新興科技技術揭示出未來5-10年可以幫助各卷板機企業在數字經濟時代中生存并繁榮發展的三大顯著趨勢。這三大趨勢為無處不在的人工智能(AI)、透明沉浸式體驗(transparently immersive experiences)和數字平臺(digital platforms)。它們將提供無可比擬的智能、創造全新體驗并提供各種平臺，幫助各卷板機廠家機構與全新業務生態系統(new business ecosystems)相關聯。
1)無處不在的人工智能
人工智能將在未來十年內成為最具顛覆性的科技，因為它具有前所未有的計算能力、接近無限的數據量并在深度神經網絡中取得了空前進步；而這些也將使擁有人工智能科技的卷板機企業機構可以熟練駕馭數據，以適應新環境，解決新問題。
該領域中主要的科技技術包括：深度學習(deep learning)、深度強化學習(deep reinforce learning)、通用人工智能(artificial general intelligence)、自動駕駛汽車(autonomous vehicles)、認知計算(cognitive computing)、商用無人機(commercial UAVs(Unmanned Aerial vehicles)/Drones)、會話式用戶界面(conversational user interfaces)、卷板機企業知識分類與知識本體管理(enterprise taxonomy and ontology management)、機器學習(machine learning)、智能微塵(smart dust)、智能機器人(smart robots)和智能工作空間(smart workspace)。
2)透明沉浸式體驗
科技將更加以人為本，在個人、公司和物件之間建立起公開透明的關系。隨著科技將在工作場所和家中以及與卷板機企業和人類的互動過程中變得更具適應性、情境化和易變性，這種關系將變得日益密切和復雜。需要考慮的關鍵技術包括：4D打印(4D printing)、增強現實(augmented reality)、腦機界面(computer—brain interface)、聯網家庭(connected home)、人體機能增進(human augmentation)、納米管電子(nanotube electronics)、虛擬現實(virtual reality)和立體顯示(volumetric displays)。
3)數字平臺
新興科技要求革新能夠提供大量必要數據、先進計算能力及廣泛賦能生態系統的各種基礎架構。分段化的技術基礎架構向生態系統賦能平臺的轉變正在為人類和技術之間搭建橋梁的全新業務模式奠定基礎。
卷板機企業須追蹤的關鍵平臺科技包括：5G、數字孿生(digital twin)、邊緣計算(edge computing)、區塊鏈(block chain)、物聯網平臺(iot platform)、神經形態硬件(neuromorphic hardware)、量子計算(quantum computing)、無服務器化的平臺服務(serverless PaaS)以及軟件定義安全(software-defined security)。
可以看到，透明沉浸式體驗中以人為本的賦能科技，如智能工作空間、聯網家庭、增強現實、虛擬現實和日益增長的腦機界面正在發展成為拉動技術成熟度曲線上其他趨勢的尖端科技；無處不在的人工智能科技正在技術成熟度曲線上快速移動，深度學習、自主學習和認知計算等科技剛越過曲線頂峰，這表明它們是創造透明沉浸式體驗的賦能科技；數字平臺正在迅速地沿著技術成熟度曲線移動，這表明提供可驅動未來的基礎平臺可能催生新的IT現實；量子計算(iE在技術萌芽期爬升)和區塊鏈(已通過曲線頂峰)等科技預計在未來的五到十年產生最具革新性且最引人注目的影響。
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