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卷板机制造技术的新发展 |
| 发布时间：2022/8/21 |
卷板机制造技术的新发展
新一代信息技术的运用不仅使大型的、跨国性公司的运营得到优化，而且也大大提升了中小卷板机企业的综合竞争力，这使得智能制造的理念对社会生产力和整个社会经济发展的重要意义得到人们的普遍公认。
1．新的制造模式不断产生和发展
市场需求的快速变化，社会生产力发展水平、社会需求的变化和全球性的经济竞争，使得制造环境已经或正在发生着重大的变化，催生了许多新型制造模式，如家用电器、汽车行业的客户化定制模式，电力：航空装备行业的异地协同研发和云制造模式，食品、药材、建材、钢铁、服装等行业的电子商务模式，以及众包设计、网络协同制造、服务型制造等薪型制造模式，指导制造卷板机企业面对以个性化服务为基础的不断变化的市场，并在合理利用资源、可持续发展的前提下求得生存与发展。
2．从面向过程的管理走向卷板机企业策略管理
随着科学技术的飞速发展以及全球统一市场的形成，卷板机企业迫切需要有效的管理工具来适应极度膨胀的信息和成倍增长的数据，以优化自己的经营，从而在激烈的市场竞争中达到“提供最好的产品与服务、获得最大利润"的目标。正是在对这一目标的不断追求中，现代管理方法从面向生产、销售、人事、财务、后勤等各个过程的管理发展到卷板机企业整个供应链、价值链的整合，从追求卷板机企业内部生产的协调顺畅到支持卷板机企业间联盟的管理组织以及客户关系管理(CRM)，从MRP到ERP，再发展到电子商务时代的供应链管理，管理思想水平取得飞速发展，管理系统工具，特别是ERP的功能也随之不断拓展。
ERP结合Internet技术，可以帮助卷板机企业运用Internet进行高效的市场运作，获取并分析客户、供应商、雇员以及合作伙伴的相关信息，使卷板机企业做出更好的商业决策。同时，运用Internet还可以使卷板机企业的商业流程自动化，使制造、采购供应链系统更为畅通，保证卷板机企业在最短的时间内将正确的产品和服务传递给客户，从而提高卷板机企业的竞争力。
ERP中拓展了客户关系管理功能。CRM强调以客户为中心，强调对客户的快速反应，给予客户一对一、交互式的个性化服务。它所要求的不仅仅是销售过程的自动化，还要求商业结构能够充分利用关键客户和卷板机企业数据来优化商业决策过程。同时，它还赋予客户与卷板机企业进行交流的能力。CRM与财物、人力资源、工程、制造和供应链应用系统完全集成为一体，将成为卷板机企业级的CRM解决方案，实现与客户的高度集成。
供应链是在MRP一Ⅱ和ERP技术基础上发展起来的又一种现代管理方法与技术。它强调随着发展和变化，在把握真实需求的基础上，对供应链的信息流、物流、资金流、价值流、工作流等各个流程的集成和优化。比较活跃的领域包括：①供应链建模技术；②供应链运行的参考模型；③供应链管理的实施、方法；④电子商务下的供应链管理；⑤基于模块化、可重构、代理、分布式对象等技术的供应链管理；⑥支持动态联盟的虚拟供应链等。这些研究成果已逐步应用到实际产品中。
从MRP到供应链管理的沿革可以看出，现代管理技术已经从物料的计划发展到整个公司经济战略与事物的综合管理方法，成为卷板机企业最大限度发挥现有设备、资源、人力的作用，最大限度地产生经济效益的一种有力的支撑基础。
3．面向全生命周期的产品并行虚拟开发技术日趋成熟
据国外资料统计分析，从19世纪70年代到20世纪90年代的100多年里，加工过程的效率提高了2000％，生产管理的效率提高了80--120％，而产品开发的效率仅提高20％，产品设计是产品整个生命周期的重要一环，近80％的成本是在这一阶段确定的。尤其是当前市场竞争环境下，体现竞争能力的一个关键就是不断地快速开发新产品。因而，产品开发方法与技术的研究一直是一个非常活跃的领域，并取得了很大的进展。着眼于优化产品的整个生命周期，生产具有综合竞争力的产品，面向全生命周期的产品并行化、虚拟化、敏捷化的产品开发技术日趋成熟。
1)产品开发方式由串行向并行发展，开发的组织管理模式从严格分工向自主管理的项目团队方式转变式力图使开发者一开始就考虑到产品全生命周期中的所有要素，包括质量、成本、进度与用户要求。并行工程充分利用集成环境和各种协同工具，从全局优化的角度使产品生命周期内各环节的设计任务尽可能并行，侧重产品全生命周期的研究。
如图48所示，在并行设计过程中，产品开发过程各个阶段的工作交叉进行，以便可以及早发现与其相关过程不匹配的地方，及时评估、决策，以达到缩短产品开发周期、提高质量、降低成本的目的。并行设计将产品开发周期分解成许多阶段，每个阶段都有自己的时间段，组成设计的整个过程。时间段之间重复的部分表示同时进行。一般情况下，相邻的两个阶段可以相互重叠，需要时也可以出现两个以上阶段相互重叠。在这些相互重叠的设计阶段之间进行并行设计，显然首先要求信息集成和相互间的通信能力，此外还要求以团队的方式工作。
图48并行开发模式
(1)支持并行开发团队的协同工具更加完备。
支持产品开发团队的协同工具主要包括以下两方面：一是集成化的产品数据管理(PDM)系统，以方便团队成员对产品信息进行访问；二是足够的通信手段和协同工具，以保证设计成员之间进行信息交流，并实现设计约束的管理、设计冲突的协调和设计方案的评价等。
产品数据管理系统融合了面向对象技术、分布式数据库技术、网络技术与c/s结构，可对产品生命周期所有相关数据和过程进行管理与控制，实现分布环境中数据的共享与操作。许多PDM工具都将支持产品全生命周期操作作为自己追求的目标，提供API用以与其他工具集成。而基于Web技术的系统成为其发展的主流方向。
在通信与协同工具方面，有关产品开发团队工作环境的研究包括通用的平台(如计算机支持的协同工作环境，也称为“群件”)以及专门的协同设计系统。计算机支持的协同工作(CSCW)领域已取得了很大的进展，并已有商业化的产品，如莲花公司的Lotus系列、微软公司的Microsoft NetMeeting等。
专门的协同设计系统在连接不同CAD系统、进行协同设计信息访问的基础上，可以进行实时的二维、三维协同建模，使团队成员对图形、属性等信息进行查看、检验，并相互交换不同的设计思想，方便团队最终达成一致的设计方案。
(2)面向产品全生命周期的并行开发工具逐渐成熟。
面向产品全生命周期的并行开发方式。已超越了设计与销售、制造等系统之间简单的信息共享，而形成一种同时考虑产品生命周期各阶段目标和约束的系统性方法，这就是面向制造(M)、面向质量(Q)、面向环境(E)等多方面的设计方法，综合称为Design For X(DFX)的设计模式。DFX的方法包括经验法、定量评估法、基于特征的方法以及人工智能的方法。当前研究的关键技术包括计算机辅助概念设计、集成产品信息模型、产品可制造性模型及其评价方法、并行设计过程分析等。DFX系列产品主要包括面向制造和装配的设计(DFMA)工具、面向维护(Service)的设计(DFS)工具、面向环境的设计(DFE)工具。DFMA工具可在设计的早期分析产品结构的优化程度、装配难易程度以及整体的可制造性评价。DFE则用于对产品循环利用的经济性，以及产品设计对环境的影响进行分析，并对拆装顺序进行优化。DFS可对产品维护的难易程度进行分析。所有这些工具的分析结果都将作为概念设计的约束，而且这些工具还可以为改良设计提供建议。
2)产品开发系统功能更加强大，并向集成化、虚拟化发展
随着C删CAE/CAM系统功能的不断增强以及仿真、可视化技术的发展，产品开发过程中的仿真技术应用范围不断扩展，从面向单个零部件的应用发展到整个产品乃至设计、制造、加工的过程的仿真，虚拟产品开发(Virtual Product Development，VPD)、虚拟原型(Virtual Prototyping)与虚拟制造技术(Virtual Manufacturing)研究与开发受到广泛关注。
如图49所示，虚拟产品开发能够在虚拟状态下构思、设计、制造、测试和分析产品，以解决那些反映在时间、成本、质量诸方面存在的重大压力问题。
VPD是实际产品开发过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，通过三维模型与动画，实现产品的设计开发的本质过程，是一种通过计算机虚拟模型来模拟和预测产品功能、性能以及可加工性等各方面可能存在的问题，提高产品的预测和决策水平，使得产品开发走出主要依赖于经验的狭小天地，发展到全方位预测的新阶段，从根本上解决TQCS(时间，质量，成本，服务)的难题。
目前，VDP的开发研究热点包括：①基于META建模的VPD建模理论、方法、框架的研究；②支持VPD全过程的产品数字模型的数据组织与管理技术；③面向设计、装配、生产的产品数字模型的映射技术；④基于PDM的虚拟产品创新设计系统、产品样机数字化技术；⑤逆向设计中的产品反求技术；⑥工业设计美学原则及设计手法在产品设计中的运用技术以及美学评价技术；⑦产品机构的运动学、动力学分析与仿真；⑧产品结构的分析与仿真。
4．制造技术继续向柔性化、集成化和智能化方向发展
柔性制造、集成制造、智能制造是智能制造技术发展的三个阶段。近年来，超精密加工、束流加工、快速原型(Rapid Prototyping，RP)等底层加工技术发展迅速，这些技术具有高柔性、容易集成和智能化等特点。
高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈且具有不确定性市场环境下的两个最主要的要求，即数控卷板机产品生产变换的灵捷性和产品质量持续的提高。当前制造技术柔性化的发展将沿着以下四个方向推进：①加速数控机床向高速化和高精化发展和应用的步伐；②加强发展多功能复合加工的数控机床来提高单件和中小批量生产的加工精度和高效柔性化；③对于中、大批量生产提出发展快速重组制造系统(Rapidly Reconfigurable
Manufacturing SysteIn，RRMS)和可重构机床(Reconfigurable Machine Tool，RMT)将是一个合理的解决方案；④发展网络化制造单元，以适应数字化卷板机企业的构建。
集成制造强橱信息流和物质流的集成。集成制造是实现智能制造的重要丈撑和基础。全生命周期下，面向产品形成过程的制造信息集成除了传统的CAD/CAPP/CAM/PDM集成外，目前基于Web的CAx/PDM/ERP等应用系统的信息集成已经成为发展方向。其中，需要解决的关键问题包括：①接口的开发。接口的开发是与系统的结构和工作方式密切相关的，且必须考虑整个功能和各个分系统的作用。②标准化工作。卷板机企业标准化包括有关数据和文档的标准化、零部件名称的标准化、编号系统的标准化和卷板机企业业务流程的标准化等工作。③面向对象的应用与关系数据的匹配问题。需要在关系数据库上开发出面向对象的应用程序接口。④支持分布式数据管理。需要解决异构软硬件环境、异构网络协议下的远程通信问题，要求提供模型数据字典的管理与维护及面向数据存取与操作的规则处理机制等。
制造智能化能够促进集成化制造水平的提高。其发展表现为：①提高智能。智能化复杂系统的行为和结构是分层次的，每个层次都有自己的新物质和状态描述，必须建立每个层次能上下相容的结构与周边友好的界面。②研究和模仿人类智能。研究生物界的进化机制、生命系统自组织能力、免疫能力和遗传能力的精确结构。③协调人机关系。建立一种新型的人机一体化关系，从而产生高效、高性能的生产系统。
最近发展迅速的虚拟轴机床、虚拟制造等技术标志着底层加工技术向柔性化、智能化和集成化方向更进一步。虚拟制造技术本质上是一个集成的、综合的可运行制造环境，用来提高各个层次的决策和控制，它为“虚拟产品开发"提供了有效的制造过程仿真。采用“虚拟产品”模型对产品的加工过程仿真可以评价“制造”出的产品与“设计”产品之间的差别，并可根据毛坯切削的过程和结果来评价设计产品的可制造性问题，并校验数控代码指挥的数控机床可能产生的刀具与工件、刀具与夹具、刀具与加工工作台之间的碰撞与干涉等问题。另外，智能制造单元、生物制造系统(BMS)、多功能集成工厂(Multi— Functions Integrated Factory，MFIF)等新技术、新概念层出不穷，极大地促进了加工技术的智能化和集成化。
5．2017年Gartner发布的新兴科技技术成熟度
Gartner发布了如图50所示的2017年新兴科技技术成熟度曲线，其中包含的各类新兴科技技术揭示出未来5-10年可以帮助各卷板机企业在数字经济时代中生存并繁荣发展的三大显著趋势。这三大趋势为无处不在的人工智能(AI)、透明沉浸式体验(transparently immersive experiences)和数字平台(digital platforms)。它们将提供无可比拟的智能、创造全新体验并提供各种平台，帮助各卷板机厂家机构与全新业务生态系统(new business ecosystems)相关联。
1)无处不在的人工智能
人工智能将在未来十年内成为最具颠覆性的科技，因为它具有前所未有的计算能力、接近无限的数据量并在深度神经网络中取得了空前进步；而这些也将使拥有人工智能科技的卷板机企业机构可以熟练驾驭数据，以适应新环境，解决新问题。
该领域中主要的科技技术包括：深度学习(deep learning)、深度强化学习(deep reinforce learning)、通用人工智能(artificial general intelligence)、自动驾驶汽车(autonomous vehicles)、认知计算(cognitive computing)、商用无人机(commercial UAVs(Unmanned Aerial vehicles)/Drones)、会话式用户界面(conversational user interfaces)、卷板机企业知识分类与知识本体管理(enterprise taxonomy and ontology management)、机器学习(machine learning)、智能微尘(smart dust)、智能机器人(smart robots)和智能工作空间(smart workspace)。
2)透明沉浸式体验
科技将更加以人为本，在个人、公司和物件之间建立起公开透明的关系。随着科技将在工作场所和家中以及与卷板机企业和人类的互动过程中变得更具适应性、情境化和易变性，这种关系将变得日益密切和复杂。需要考虑的关键技术包括：4D打印(4D printing)、增强现实(augmented reality)、脑机界面(computer—brain interface)、联网家庭(connected home)、人体机能增进(human augmentation)、纳米管电子(nanotube electronics)、虚拟现实(virtual reality)和立体显示(volumetric displays)。
3)数字平台
新兴科技要求革新能够提供大量必要数据、先进计算能力及广泛赋能生态系统的各种基础架构。分段化的技术基础架构向生态系统赋能平台的转变正在为人类和技术之间搭建桥梁的全新业务模式奠定基础。
卷板机企业须追踪的关键平台科技包括：5G、数字孪生(digital twin)、边缘计算(edge computing)、区块链(block chain)、物联网平台(iot platform)、神经形态硬件(neuromorphic hardware)、量子计算(quantum computing)、无服务器化的平台服务(serverless PaaS)以及软件定义安全(software-defined security)。
可以看到，透明沉浸式体验中以人为本的赋能科技，如智能工作空间、联网家庭、增强现实、虚拟现实和日益增长的脑机界面正在发展成为拉动技术成熟度曲线上其他趋势的尖端科技；无处不在的人工智能科技正在技术成熟度曲线上快速移动，深度学习、自主学习和认知计算等科技刚越过曲线顶峰，这表明它们是创造透明沉浸式体验的赋能科技；数字平台正在迅速地沿着技术成熟度曲线移动，这表明提供可驱动未来的基础平台可能催生新的IT现实；量子计算(iE在技术萌芽期爬升)和区块链(已通过曲线顶峰)等科技预计在未来的五到十年产生最具革新性且最引人注目的影响。
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