叶智勇

2003德国提出了工业4.0战略，其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机，将制造业向智能化转型。德国的工业4.0战略得到了我国政府积极响应，之后中德双方签署了《中德合作行动纲要》，工业4.0进入中德合作新时代。在此背景下我国的机械加工业的优化升级显得很迫切也很必要。

一、工业4.0下的机械加工业

1.工业4.0。简单来说，可以这样来划分：【工业1.0】蒸汽时代，生产方式进入机械化；【工业2.0】电器时代，生产方式进入自动化；【工业3.0】信息时代，生产方式变为电子化；【工业4.0】智能时代，生产方式智能化。云计算下的云敏捷生产。其核心是信息物理系统的深度融合。

所谓的工业4.0（Industry4.0）指的是企业将产品、机械、物流系统、生产设施、服务通过信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）和物联网（Internet of things，IOT）整合成一个全球网络。在生产环节里，这种 CPS 网络由智能机械、智能仓储系统和智能生产设施组成，这些组成部分之间能够独立自主地交换数据和信息、触发行动指令和交互控制。这种 CPS 网络将根本性地改变生产制造、工程设计、材料使用、供应链和产品生命周期管理等环节。每一个智慧产品都是可以通过数据标签来确定的，随时在线，随时定位，记载自己生命周期的全部历史，目前状态完全可查，并且实现目标状态的路径可选，最后达到快速、有效、个人化的产品供应。

工业4.0项目主要分为两大主题，一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D打印技术在工业生产过程中的应用等。

2.工业4.0对机械加工的新要求。三次工业革命以来，通过大规模的标准化生产，人们的基本需求得到了满足，但是人们的个性化需求受到了压制。个性化或定制化的产品不可能依照现有的标准化流水线生产来大批量生产，这就对现有的机械加工业提出了新的要求。

工业4.0对机械加工业的新要求：（1）满足客户的个性化需求；（2）低成本的个性化生产；（3）大规模的的个性化生产；（4）“少人化”生产。

工业 4.0 最终要实现的目标也不光是自动化，而且是分散地自动化生产。未来客户的需求会及时得到响应，但不一定集中在一个工厂，可能是在消费者周边就近自动化生产，同时每个客户的需求是不一样的，个性化或定制化的产品不可能大批量生产.这使得 3D 打印技术拥有广阔的应用前景。

二、当前的机械加工流程

目前我国的传统机械加工业还处于离线的产品开发和服务和离线的营销和合作模式中，消费者的需求不能及时反馈到生产厂家，两者没有交流和互动，这使得产品的开发不够及时、不能满足消费者的真实、个性化需求。生产厂家的信息化、自动化、网络化程度还很低，主要依靠人力，这会导致生产效率低、废物率高、生产时间长等问题。

传统的机械加工流程如图1所示：

如上图所示，目前我国机械加工业的现状为：（1）信息化低。机械设备的信息化程度低，组织管理信息化低；（2）网络化低。没有高效网络将企业的人、设备、原料、环境等有机的联系起来，不能进行及时人与人、人与设备的联系交流；（3）自动化程度低。生产过程中产品与设备没有信息交流只能依靠工人的直接操作来进行生产，设备和设备之间也没有联系，甚至需要工人将半场品从一个设备搬运到另一个设备来进行下一步的加工。

三、机械加工的升级优化

工业4.0以CPS为基础。这意味着网络进入工厂大生产，是一个崭新的工业制造逻辑和方式。所谓CPS，就是通过网络将实体物件进行相互连接，应用相同的语言，进行沟通并相互理解。过去是以中心控制指挥系统为核心来指挥生产，现在有了CPS就会产生完全不同的生产结构。CPS运用到工业生产中，产品和机器之间可以进行信息互联和沟（下转第31页）（上接第10页）通，由产品所附带的信息告诉机器需要什么样的生产过程，以制造出符合客户要求的产品。

工业4.0 的愿景是在整个生产过程中，无论原料、半成品还是待交付的产品，均有各自编码标签，在原料上生产线之后，可全程自动确定每道工序、生产的每个流程，包括加工、装配或物流包装等，一切过程数据也都记录在案可供追溯；更重要的是在一条生产线上，可通过预先设置控制程序，自动装配不同元件，生产出各具特性的产品。由于“产品”与“机器”实现了“沟通”，整个生产过程都实现IT控制，生产效率会大大提高，而且可以对所有元件及工序进行实时监测和处理，工厂可做到24小时内为客户供货。此外，由于实时监测可以挖掘分析质量数据，使得次品率大大降低。

根据工业4.0的概念要求和现有机械加工的情况，提出了对现有机械加工业的升级优化建议：

1.创造满足定制化生产的设备，客户的需求是个性化的，这就要求在一条生产线上需要生产不同风格类型的产品。没有能满足定制化生产的设备是不可能实现个性化生产的。以互联网为载体基于功能强大、嵌入操作系统和高性能应用程序软件的机床智能设备（比如3D打印技术）可通过预先设置控制程序，自动装配不同元件，流水生产出各具特性的产品。减少加工成本、提高加工工件质量、改善工艺流程、提升生产效率增强市场竞争力。

2.智能化车间。机器不仅是生产工具和设备，更是工厂信息网络的节点，机器不仅延伸人的体力，也延伸了人的脑力，能够识别工件，与人交互，按照人编制的控制程序工作，机器与机器（物与物）之间也能够相互进行通信，感知相关设备和环境的变化，协同完成加工任务，构成基于物联网的智能化车间。

3.建立高效的数字化企业平台。数字化企业平台是实现智能制造的载体。它可以实现包括产品设计、生产规划、生产工程，到生产执行和服务的全生命周期的高效运行，以最小的资源消耗获取最高的生产效率。该平台的实现需要企业以数字化技术为基础，在物联网、云计算、大数据、工业以太网等技术的强力支持下，集成最先进的生产管理系统及软件和硬件，如产品生命周期管理（PLM）软件和制造执行系统（MES）软件以及控制和驱动技术等。最终实现不管你身处何处，都好像在办公室和车间一样，与你的同事和客户保持密切联系，调阅各种文件和档案，处理各种生产问题。

4.将重心调整到技术开发和设计的早期阶段。产品开发流程和生产流程中的所有环节在生产开始之前在设计阶段就已在虚拟环境达到了最优化。产品设计和生产任务配置所消耗的时间、人力、设备和原材料资源会得到大幅缩减，生产流程也会大大改进。

（作者单位：中国水电建设集团股份公司十五工程局有限公司）