制造业转型升级三部曲 转型升级四大象限
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  本报道将仅就生产技术升级问题,试图梳理制造企业的转型升级路线。本文系列力图为中国制造提供可选择的路径。共分三部,本文为中部,为制造业分类把脉。

  工业4.0体系中,个性化定制被反复提及。这就特别需要考虑生产柔性与刚性。所谓刚性生产是指大批大量生产单一或若干种产品,这种生产模式特别适合自动化,例如紧固件等工业标准件的生产就是通过自动化专机实现的;所谓柔性生产是指多品种小批量,甚至单件定制化生产,这种生产模式对自动化系统的智能化程度要求较高(从某种意义上接近或等同于智能制造),比较典型的行业是汽车的混线生产和非标零件的机械加工。

  另外,由于目前技术限制,机器设备的灵活性仍然无法与人手相比,特别是在空间有限的装配环节。很多人认为3D打印可以解决装配问题,可以说不同材料的增材制造可以在一定程度上减少对手工装配的依赖。但是从现实出发,彻底解放人力是个系统工程,需要从产品设计(DFM/DFA)源头进行重新梳理,并对现有工艺、工序以及生产设备进行重新整合,并不是一个单一技术解决的。 总之,能否实现自动化在很大程度上受制于制造工序对人手灵活程度的依赖。

  下图将目前国内制造业转型升级的方向进行了划分:X向表示产品种类的复杂程度;Y向表示生产工序要求动作的灵活程度。

  象限I、手工柔性生产该象限的特点是:产品种类复杂且动作灵巧度高。典型行业如飞机、航天器等复杂机电产品装配,成衣、皮具定制,家电、数码产品组装,以及产品维修或返修。

  象限I、手工柔性生产该象限的特点是:产品种类复杂且动作灵巧度高。典型行业如飞机、航天器等复杂机电产品装配,成衣、皮具定制,家电、数码产品组装,以及产品维修或返修。

  这类生产对动作灵活性要求高,因此无法通过自动化手段替代人工或者替代人工的自动化设备研发投入过高。例如目前的机器人或运动控制技术都难以达到人手的复杂和灵活程度,因此诸如皮具制作和缝纫等工作在相当长的时间内无法被机器所取代。

  适合这类制造企业的生产模式,笔者认为可以称之为:手工柔性生产,即生产管理组织复杂且无法实现自动化。实际上这类企业非常适合走 智能化管理信息系统升级路线,既通过专家决策系统或相关的软件产品管理生产并指导工人操作。所以这个象限的企业转型升级应着眼于通过智能化信息系统指导生产,避免人为失误;而不是开发自动化设备替代人工(自动化物流和搬运设备除外)。

  关于智能化升级的路线选择,简而言之:生产管理越复杂,对信息化软件的智能程度要求越高的企业越适合智能化升级。或者说适合选择智能化程度高的信息系统的企业通常具备以下特征:

  产品系列多,工序变化多,零部件品种多,供应链管理复杂;多以组装工序为主,多为劳动密集型企业;典型行业:家电、服装、数码产品等。

  最适合搞智能制造的比较极端的例子是产品维修:

  每一个维修项目都各不相同,因此生产模式属于单件定制;每一个维修项目的工序复杂,没有既定模式,几乎无章可循;维修(生产)数据难以定义,更难以度量,难以采集;而且每一个维修项目的周期无法量化,产品复杂程度越高,维修周期不确定性越大;

  因此在面临这样复杂问题的时候就只有通过智能化才能解决问题。

  实操方案一:自动配料系统例如保时捷发动机在装配过程中大量工序无法实现自动化,而产品多品种小批量的特点又难以避免工人在装配过程中犯错误。为调和这个矛盾,该生产系统采用集中备料的方案,发动机上的小型零部件随托盘运动到各个装配工位,装配工直接在托盘上取用配套的部件并按照电子操作终端的指示进行装配和自检即可。

  此外,有类似成熟系统的汽车企业还有宝马,配料车上的终端面板会指示工人物料的取料位置、型号、数量等信息。并要求操作人员在将物料放入托盘前先对物料进行扫码,以确保配料准确。整个配料过程的信息指导系统智能化程度很高,但配料的操作过程仍需要工人根据物料车的指示在指定的仓库托盘中拾取,没有实现自动化,也没有必要自动化。

  实际上比较成熟的软件应用是在服装行业,包括红领在内的许多国内企业,成衣定制的服装集团都已经采用自动下料,配料系统:一件成衣所需要的全部布料和配件等,会通过该系统配送给某个工位或制作单元,而工人只需要按照设计要求缝制即可。

  实操方案二:操作辅助终端(电子作业指导书+生产数据采集系统)克莱斯勒变速箱组装视频:

  视频为克莱斯勒变速箱组装线,值得注意的是每个工位上都有操作辅助终端,工人在装配过程中严格按照电子作业指导书的每个步骤进行,同时辅助终端也记录相应的生产组装数据并发送给上位机。

  以上两个方案都属于数据采集层的子模块,是智能制造的基础,也是智能制造的雏形。自动配料方案实现柔性和单件定制化生产,向上集成智能排产、动态调度、专家决策等系统;操作辅助终端实现人与生产系统的数据交互,相当于增强版SCADA/HMI或电子作业指导书。

  象限II、手工刚性生产该象限的制造特点是:产品种类单一且动作灵巧度高。

  鉴于在相当长时期内,这个象限的手工灵活性无法被机器所取代,因此自动化升级的路线基本被堵死;而产品的单一性又不需要智能化管理信息系统。因此这个区域内的制造企业面临着巨大的挑战。典型行业如传统的服装、鞋帽业等,这类行业产品产量大,但生产过程基本上只能通过手工实现。这种靠薄利多销生存的行业除非在产品设计和工艺上做文章,否则在自动化或智能化层面几乎没有改良的余地。转型升级路线:一是增加产品种类和对生产柔性的需求,即向第I象限靠拢;二是提高产品艺术性,向奢侈品和艺术品方向靠拢;三是转移到人工更便宜的地区。

  象限III、自动化刚性生产该象限的特点是产品种类单一且动作灵巧度低。

  典型行业就是工业标准件生产如紧固件、轴承、齿轮、五金件、连接端子、微电子等行业,以及相对简单日用品如食品、饮料行业,纺织、印刷和制笔业等。

  这类产品通常是通过专机和自动化设备实现的,而且技术非常成熟。中国大量低端制造业企业都属于这种类型的制造业,都可以通过自动化专机实现低成本量产。

  而且,这种行业一旦开发出全自动高效量产的专用设备,那么就极有可能实现对该行业的垄断,为其他竞争对手设置投资门槛。

  克强总理前不久提到的圆珠笔芯困境实际上就是这个道理:几大笔业集团垄断了笔芯制造设备,使笔芯的生产成本降至最低,因此中国这种市场追随者就很难获得同样的自动化系统,如果自行研发同类设备在投资上也并不划算,所以倒不如放弃这个行业,或者另辟蹊径,开发替代性产品和技术。

  中国的中小制造企业里,有非常多是从事单一产品的批量化生产的,如USB线、鼠标、摄像头、拉链、打火机等。相信在未来的5年内必定会出现生产这些通用产品的全自动化生产线,也一定会在中国出现世界级的行业寡头。

  象限IV、自动化柔性生产该象限的特点是产品种类复杂且动作灵巧度低。

  最典型的行业就是汽车,目前国际上主流车型均采用混线生产模式,即自动化柔性线。这种生产系统对设备的自动化程度和软件的智能化程度要求极高。是目前复杂程度最高的生产系统。与汽车类似的还有电子行业,如电路板的生产。事实上木工是最容易实现自动化柔性生产的行业。理由是木工制造的工序简单,零件结构标准化程度较高,产品的多样性要求较高。说得更通俗些,就是木工行业与乐高积木的相似性最大。视频中所显示的系统,CAD软件为木屋设计提供了非常多的标准件库,并且可以自动生成项目BOM表;CAM软件具备下料计算功能,可以在标准尺寸木料上优化毛坯下料尺寸并自动生成每个零件的NC代码;同时ERP系统将所需木料尺寸和数量发送给供应商并进行采购;木料到达车间后,生产系统可根据木料编码和尺寸决定下料毛坯,并对毛坯进行机械加工;加工好的零件被贴上标签,连同五金件打包送往建筑工地,建造团队可以根据图纸把送来的这批木料零件拼装成木屋。

  从这个案例可知,由于木屋的木料零件都是直的,基本上都可以通过切割和钻孔完成,工序简单,可以在CNC上完成所有工序,因此容易实现自动化。此外,木梁的拼接相对简单,零件种类少且标准化程度高,给PLM系统的简化带来便利。与之相似的还有楼梯和木门加工系统。

  实际上,欧洲国家的木工行业的自动化和智能化程度已经达到了极高的水准,在瑞士、德国、英国、法国等地已经出现了大量的木工无人工厂。可见,家具行业绝不是夕阳产业。而第IV象限的所有行业都适合进行工业4.0或智能制造升级,都有着极大的潜力。

  小结象限I、手工柔性生产,适合智能化管理信息系统升级;象限II、手工刚性生产,设计升级或产业转移;象限III、自动化刚性生产,适合自动化专机升级;象限IV、自动化柔性生产,适合智能制造/工业4.0升级。

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