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數據引發了（le）第（dì）四（sì）次工業革命

2016-10-8 來源：山高作者：Patrick de Vos

上海, 2016 年 10 月 - 單從加工角度來看，製造業堅持追求在一定時間內以一定的成本生產出正（zhèng）確（què）精加（jiā）工的工件（jiàn），但這種做法已經（jīng）難以為繼。除非出現突破性（xìng）的刀具解決方案，否則隻（zhī）注重提高金屬切除率的傳統方法最多隻能將產（chǎn）量增加幾個百分點。

要想在將來顯著提高（gāo）金屬切削的生產率、質量和（hé）可（kě）靠性，需要仰仗（zhàng）由數據（jù）驅動的第四次製（zhì）造（zào）技術革命。新近（jìn）取（qǔ）得的發展代表著這場漫（màn）長革命的最（zuì）新階段（duàn）。製造業的第一次革命（mìng）使（shǐ）得以家庭為（wéi）基礎的手工製作活動轉變為能夠利（lì）用集中（zhōng）能源為製造機械提供動（dòng）力的工廠生產。機械軸和皮帶將水車或蒸汽產生的（de）動力分配給工廠的機械。接下來，人們（men）又使用了更加便捷、高（gāo）效（xiào）的電能。

最初的工廠（chǎng）逐件生產產品。在第二（èr）次革命中，單件產品生產演變為批量（liàng）生產，產量隨之擴大。裝配線和連續生產線等集成係統的（de）發展以及（jí）自動化加速了同種零件的大批量（liàng）生產。隨著數字化機床控製以及後來的計算機化（huà）控製和自動化的湧現，製造（zào）技術的第三次革命隨之到來（lái），不但實（shí）現了更高的精度和靈活性，還有（yǒu）利（lì）於開展小批量且種類繁雜的零件製造業務。

現在，製造業正在（zài）經曆第四次革（gé）命（在歐洲被稱（chēng）為“工業4.0”），這次革命將當今的數據采（cǎi）集、存儲（chǔ）和共（gòng）享技術（shù）整合到了製造（zào）工藝中。聯網的網絡物理係統會分析正在進行的操作，並（bìng）收集和比（bǐ）較數據以及將信息發送給中央服（fú）務器或雲服務（wù），以（yǐ）便將其與現有的加工模型進行比較。然（rán）後，這些係統（tǒng）利用所得的結果來指導如何調整參數（shù）以優化加（jiā）工工藝。

早期監（jiān）控係（xì）統

數據導向型製造這一概念已經誕生了很長（zhǎng）一段時間。在 20 世紀 80 年代，金屬加工領域的研究人員（yuán）就曾設法製造自適應性（xìng）的刀具監控係統，以測量切削條件、將數據與所設定的工藝標準進行比較並（bìng）在隨後調整加工參數，從而實現工藝的（de）穩定性（xìng）並最大限度減（jiǎn）少意外加工事故的發生。

這些係（xì）統采用傳感器和探針來測量切削力、功率、扭矩、溫度、表麵（miàn）粗糙（cāo）度及聲發射等工藝因素。不幸的是，當時的傳感器（qì）技術非（fēi）常落後，無法（fǎ）提供必要的速度和精度以確保完全有效；計算機的處理速度慢，而且（qiě）需要更大的存儲器來實時處理大量的數據。此外（wài），先進的數據采集和（hé）管理技術在當時也極其昂貴。

這些缺陷（xiàn）導致幾乎不（bú）可能在加工期間調（diào）整參（cān）數。這樣就造成了一種魚和熊（xióng）掌不可（kě）兼得或非此即彼的情況。如果收集（jí）的數據超過所設定的（de）最大限值，加工工藝會直接停止。最大限值是在並未充（chōng）分了解和洞察切削工藝的情況下設定的。除了缺少足夠先（xiān）進的數據處理技術外，還未掌握一個關鍵的概念，那就是在加工工藝的眾多物理現（xiàn）象中，大多數現象—溫度（dù）、力、負載—都並（bìng）非靜態條件，而是不斷變化的（de）動態條件。

例如（圖 1.1/1.2），某種加工中的切削力的平均值可能達到（dào） 1000 Nm。但在大約一半的時間中，這些力要高於 1000 Nm，並在其餘的（de）時（shí）間內低於這一水平。如果將係統的停機閾值設置為 1000 Nm，當力（lì）看起來（lái）過高時（shí），係統將停止加工。（請注意，這些圖形顯（xiǎn）示的是在 8 微秒內執（zhí）行的測（cè）量，以展示力的變化速度有多快。）在 20 世紀 80 年代是不可能（néng）進行（háng）如此快速的數據處理的（de）。

圖 1.1：HQ_ILL_chip_morphology_cutting_Part1.jpg

現如今，在將近 40 年之後，傳（chuán）感器和（hé）計算機技術在精度、速度和價格方麵都有了很大的（de）改觀。製造工（gōng）藝研發本身曆經四十（shí）個年頭，已經積累了豐富的經驗並能夠非常深入地了解關鍵的加工（gōng）要素。

收集（jí）和關聯加工要素

了解各種工（gōng）藝要素的作用非常重要。事實上，有 80 多種可測量的要素會影（yǐng）響到加工操作（zuò）。實現所有這些要（yào）素的收集、關聯和互動至關重要。如果忽略了某個（gè）要素，可能會造成意外且不可控製的影響。

在收集和分析之後，還必須根據每種要素對（duì）加工（gōng）的影響來確定數據的優先順（shùn）序（xù）。很明顯，刀具會產生（shēng）非常重要的影響。在金（jīn）屬切削中，會搭配使（shǐ）用一組生（shēng）產工具：機床、CAM 係統、切（qiē）削刀具、固定和夾緊裝置以及冷卻液，而在工業（yè） 4.0 中，還包括傳感器以及數據檢（jiǎn）索和傳輸係（xì）統（圖 2）。

圖 2：HQ_ILL_Industry4.0_workpiece_milling_.jpg

金屬切削的核心是切削刀（dāo）具與工件的（de）互動。不過，在傳統（tǒng）的（de）加工工（gōng）藝（yì）開發方法中，通常將切削刀（dāo）具放在最後一位去考慮。當製定工件生產計劃時，用戶（hù）通常首先選擇機床，然後是夾具、冷卻係（xì）統和其（qí）他設備（bèi），最後才是切削刀（dāo）具。這就造成了這樣一種情況：切削刀具必須彌補其（qí）他並非最（zuì）佳選擇的工藝要素的不足。

例如，如果選（xuǎn）擇了不太穩定的機床，則需要（yào）使用切削力較小（xiǎo）的切（qiē）削刀具來補償穩定性的不（bú）足。不過，這種刀具在加工特定的（de）工件材料時可（kě）能無法實現最高的生產率。這樣，在最後選（xuǎn）擇切（qiē）削刀具最終會導致製造係統（tǒng）低於正常水平，雖然能夠運（yùn）行得很好，但無法發揮最大潛力。

幸運的是，製造業中（zhōng）的很多（duō）人現在（zài）意識到按相反的順（shùn）序進行選擇更為（wéi）合適。在考慮成品的形（xíng）狀、特性、工件材料和所需的質量（liàng）水平之後，車間應當首先選擇切削刀具。切削刀具，也（yě）就（jiù）是具體的材料和形狀，應當能夠（gòu）實現最高的生產率並滿足具體的加工要求。接下來，在選擇其他工藝要素（sù）時，即可側重於創造（zào）一種環境（jìng），讓切削刀具充分發揮性能。

平（píng）衡的加工

車間選（xuǎn）擇了加工工藝要素（sù）之後，必須平衡這些要素之間的互動，以實（shí）現最高的生產率和最低的成本。此外（wài），在加工產（chǎn）量和（hé）成本方麵，製造業還麵臨著一些始終（zhōng）沒（méi）有解決的問題（圖（tú） 3）。

顯而易（yì）見的工藝因（yīn）素包（bāo）括（kuò）刀具性能以及刀具成本和加工成本。隱性成本包括由（yóu）於不可靠的加（jiā）工工藝生產出（chū）質量欠（qiàn）佳或（huò）不合格的零件而產生的成本，還包括導致意外停機時間的（de）成本.

圖 3：HQ_ILL_productivity_quality_cost.jpg

盡管編程和維護等計（jì）劃活動都發生在加工時間以外，但（dàn）其他因素，例如操作員犯錯、刀具破損、工件損壞以及係（xì）統問（wèn）題，都（dōu）會（huì）無謂地導（dǎo）致加工時間變長、成本增加。在損失的時間中，切削刀具隻占很小的比（bǐ）例（lì），工件材料和（hé）工藝異常情況也是如此。工作人員和係統耗費的時間所占據的比例要（yào）高出許多。

工業 4.0 非常重（chóng）視數字化數據采集、互聯網和雲存儲，但這些（xiē）元素隻是解決方案的一部（bù）分。最後，必須分析所收集的數據並製作物理模型或示意圖，以說明存（cún）在問題的工藝。

在網絡物（wù）理係統中，會將所收集的數（shù）據與（yǔ）示意圖進行比較，係統會生成反（fǎn）饋以執（zhí）行工藝修改，從而產（chǎn）生所需的結果（guǒ）。工藝控製由工作人員以及能夠在很短的時間內實時分析數據（jù）並將其與模型進行比較的計算機共同完成（chéng）。

因此，采用雲存儲技術的（de）模型必須準（zhǔn）確說明加工（gōng）要素。要製作這樣一個模型，需要充分（fèn）了解（jiě）加工。不幸的（de）是，加（jiā）工代表（biǎo）著一種很難準（zhǔn）確描述的現實情（qíng）況。例如，模型必須能夠識別工件材料的動態（tài）屬性，因為工件硬度的變化（huà）會（huì）產生不同的切削力。不過，要測量（liàng）每個工件的硬度是（shì）不可能的。在某些情況下，工件的硬度可能比材（cái）料的標稱硬度高 10%，導（dǎo）致切削力也要高 10%。

保持人工控製

為了（le）解決這一（yī）工藝控製難題，需要在解決方案（àn）中建立一個既能夠在加工期間學習，也能夠自行修正以便（biàn）越來越（yuè）準確地說（shuō）明工藝的模型。不過現在的技術還沒有發展到這種程度。

因此，製（zhì）造（zào）工程師必須知（zhī）道如何設計（jì）和製作模型，以（yǐ）確定它是否能夠為管理切削工藝奠定堅（jiān）實（shí）的基礎。隨後（hòu），如果通過模（mó）型與切削參數進行的互動而選擇的參數有問題，工程（chéng）師需要知道應當基於哪些因素作出選擇並確定是否能夠將其否決。網絡物理（lǐ）係統或許能夠控製金屬切削工藝（yì），但製（zhì）造工程師必須保持對網絡物（wù）理係統的控（kòng）製。

憑（píng）借數十年來積累（lèi）的（de）豐富現場經（jīng）驗和研究經（jīng）驗，山（shān）高製作和提供（gòng）了極（jí）其精確的工藝模型。這些模型在形式（shì）上並非是一個（gè）封閉的盒（hé）子，而是具備為工藝提供指導的內外測試能力（lì），原因在於人們的思想、經驗和觀點對於製造業新（xīn）掀起的工業 4.0 革命最終能否取得成功至關重（chóng）要。

圖 4：015644_HQ_IMG_My_Pages_Suggest_Launch_Devices

圖 5：016538_HQ_IMG_STEP_library_overview_without_background.jpg

（附注）

製造業的循環演變

製造技術在過去的三個世（shì）紀取（qǔ）得的進步不但顯著提高了生產（chǎn）率，還在近年（nián）來大大增強了滿足客戶特定需求的能力。第一批製造商是在家中為自家人製作衣服、玻璃器具（jù）、盆碗（wǎn）和家具的工匠。每件產品（pǐn）都是定製的而且獨一無二。那（nà）些並不滿足於維持生計並具（jù）有企業家精神的工匠還會為其（qí）他人（rén）製作多件他們自製的產品。此後，工匠們開始在公共資源所提供的鐵（tiě）匠鋪或玻璃窯等機構中搭夥工（gōng）作，不但將生產效率提（tí）高了很多倍（bèi），還（hái）

提供了其他的好處（chù），例如技術共享。由於在整（zhěng）個工廠（chǎng）內分配水車（chē）動力、蒸（zhēng）汽（qì）或電力等集中能源，因此還提高了產量。

早期的工廠每次生產一個零件。裝配線的發展揭（jiē）開了重複生產同種產品的序幕。當（dāng）裝配線將產（chǎn）品從一個工作站送到下一個工作站時，每個工人重複執行單獨的一道（dào）工序，直到生產（chǎn）出成品為（wéi）止。這是批量生產的（de）開始（shǐ）：可靠地生產出大量的同種（zhǒng）產品（pǐn）—至（zhì）少符合（hé）當時的製造公差。最能體現裝配線這一概念的或許是汽車4/5連續生產線，它們每次都（dōu）生產出數以千計的同種零件，而且夜以繼日地持續（xù）運轉多年。

產品營銷的興起顛覆（fù）了批量生產方案。在資本主義競爭進入白熱化期間，營銷商（shāng）力求提供經過改造的產品以滿足小型細分（fèn）市場的需求，從（cóng）而擴大自己的客戶群。

一個（gè）完美的範例是，早期的汽車（chē）製造商摒棄了福特 T 型汽車“你想（xiǎng）要什麽顏色都可以，隻要（yào）它是黑色”的營銷理念，轉而為客戶提供越來越豐富的顏色和選擇。為了滿足這種個別客戶的需求，製造商必須機動靈活，並設法高效地在不同的製（zhì）造工藝（yì）之間切（qiē）換。通過穿孔紙帶實現的數字化機（jī）床控製以及後（hòu）來的（de）計算機化數控可以快速、可靠地更換（huàn）工藝和刀具。與此同時，加工能力（lì）更強（qiáng）的自動化係（xì）統（tǒng）能（néng）夠縮（suō）短零件（jiàn）的處理時間和降低人工成本。

在過去的幾十年間，能夠通過按幾下按鈕就生產出不同的零件或零件特（tè）征的 CNC 製造車間基本上取（qǔ）代了（le）可靠但難（nán）以改造的連續生產（chǎn）線概念。

消費品營（yíng）銷領域的趨勢清楚地表明了計算機為製造業帶來的靈活（huó）性優（yōu）勢。隻需對生產線的要素進行重新編程，營銷商即可實現很多的品牌延伸。向個性化發展的趨勢並非隻限於（yú）製造業。例如，大型零售商在開設更加小型化的專賣店，以滿足（zú）個別客戶對便利性和產（chǎn）品偏好的需求。

製造業（yè）產品的個性化隻（zhī）會變（biàn）得越來越（yuè）普（pǔ）遍。與工業 4.0 的實施過程類似，采用雲（yún）服務的模型可能會利用營銷信息來管理產品更迭、自動化和庫存水平。與采用雲服（fú）務的切削工藝係統的運行方式（shì）類似，營銷（xiāo）人員也依（yī）然需要密（mì）切關（guān）注這些營銷驅動型製造（zào）係統，並確保（bǎo）這些係統作出的決策合情合理。采用最近新湧現的（de）製造技術（shù），個人在家中就能夠生產出定製的零件。因此，就像幾個世紀前的工匠們所製（zhì）作的產品一樣，在數字信息的推動下循環演（yǎn）變的製造業現在能夠在工廠之外生產出獨一（yī）無二的產品，但在精度、質量和速度方麵已經不可同日而語。

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