制造業(yè)是社會(huì)的實(shí)體經(jīng)濟(jì)，支撐著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定和社會(huì)財(cái)富的創(chuàng)造，從國(guó)家與國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)而言，制造業(yè)是本源，這也是世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家從“工業(yè)化”進(jìn)入到“后工業(yè)化”時(shí)代后，又提出“再工業(yè)化”戰(zhàn)略的原因。
在疫情肆虐的當(dāng)下，我們每一個(gè)人都可以切身感受到某些物資短缺帶來的恐慌和看到由此造成的悲劇，也會(huì)為某些制造業(yè)公司的快速響應(yīng)感到振奮和鼓舞。
比如，衛(wèi)生用品公司將其生產(chǎn)線改造為口罩生產(chǎn)線，紡織品公司將其被套生產(chǎn)線改造為防護(hù)服生產(chǎn)線，其現(xiàn)實(shí)意義不亞于戰(zhàn)爭(zhēng)年代將拖拉機(jī)生產(chǎn)線改造為坦克生產(chǎn)線。
柔性制造是智能制造的一個(gè)主要特征，傳統(tǒng)上經(jīng)濟(jì)學(xué)家一直認(rèn)為，規(guī)模制造和柔性制造是不相容的，因?yàn)橐?guī)模制造可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品絕對(duì)數(shù)量增加的同時(shí)單位成本下降，從而提高利潤(rùn)水平，而柔性制造往往會(huì)帶來單位成本的上升。
但是，隨著制造業(yè)數(shù)字化和智能化技術(shù)的出現(xiàn)，率先采用這些新技術(shù)的公司在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模式從大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)向柔性化規(guī)模生產(chǎn)的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)從集中式和計(jì)劃式的固定資源配置模式，轉(zhuǎn)向分散式和需求式的動(dòng)態(tài)資源配置模式，從而提升企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。
通向智能制造的征途就是不斷提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的過程。
機(jī)器人是智能制造系統(tǒng)架構(gòu)的重要組成部分，其整體層級(jí)及機(jī)器人在層級(jí)中的位置如圖1所示。
在智能制造的諸多文獻(xiàn)描述中，其最底層一般為設(shè)備層，但從實(shí)際的智能制造項(xiàng)目實(shí)施而言，產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝是一個(gè)核心環(huán)節(jié)，無論是生產(chǎn)設(shè)備還是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無不是為了符合某一產(chǎn)品單元的某種生產(chǎn)工藝要求而定。
另一方面，為了實(shí)現(xiàn)柔性制造，除了需要具備智能化集成制造系統(tǒng)之外，也需要我們對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其生產(chǎn)工藝進(jìn)行變革，所以筆者在設(shè)備層之下加入工藝層。
圖1. 智能制造系統(tǒng)層級(jí)
從智能制造項(xiàng)目的投資占比而言，機(jī)器人及其集成一般占設(shè)備及安裝部分的5%~15%，比如某PCB智能制造工廠項(xiàng)目中，機(jī)器人及其集成占設(shè)備及安裝部分的6%；某鋰電池智能制造工廠項(xiàng)目中，機(jī)器人及其集成占設(shè)備及安裝部分的12%。
隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展從而不斷拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，比如高剛性和高精度機(jī)器人會(huì)逐漸在機(jī)加工（減材加工、增材加工）領(lǐng)域嶄露頭角，移動(dòng)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人的組合會(huì)越來越多地用于不同工藝單元間的物料轉(zhuǎn)運(yùn)，機(jī)器人在智能制造總投資中的占比會(huì)進(jìn)一步提高。
圖2. 智能制造工廠項(xiàng)目投資占比
智能制造是制造體系的全面升級(jí)，是一個(gè)大系統(tǒng)工程，涉及產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，貫穿于產(chǎn)品生命周期的每個(gè)階段（設(shè)計(jì)→生產(chǎn)→物流→銷售→服務(wù)），而不僅是生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的升級(jí)。
智能制造也不僅僅是機(jī)器換人或者無人化工廠，工廠里面多安裝使用一些機(jī)器人和其他自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備及測(cè)試設(shè)備并不等同于智能制造。
另一方面，雖然智能制造是企業(yè)、政府和學(xué)術(shù)界公認(rèn)的發(fā)展方向，但是其升級(jí)路徑不會(huì)是一個(gè)簡(jiǎn)單線性的過程，而會(huì)是波浪狀的起伏發(fā)展，經(jīng)歷從科技誕生的觸動(dòng)期→過高期望的峰值→泡沫化的低谷期→穩(wěn)步爬升的光明期→實(shí)質(zhì)生產(chǎn)的高峰期等階段，不可能一蹴而就，而是要經(jīng)過至少20年的時(shí)間才可能完全實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于智能制造每一個(gè)維度的參與方而言，無論是智能產(chǎn)品，還是智能生產(chǎn)，抑或是智能制造基礎(chǔ)設(shè)施，智能制造的實(shí)踐之路在帶來市場(chǎng)機(jī)遇和實(shí)際收益的同時(shí)，也會(huì)帶來一系列新的要求和新的挑戰(zhàn)。
在智能制造視野下，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)發(fā)生一系列變化。
功能日益強(qiáng)大
應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展
高工產(chǎn)研機(jī)器人研究所（GGII）數(shù)據(jù)顯示，在目前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域中，搬運(yùn)上下料仍是其第一大應(yīng)用，占比36.45%，其后是焊接32.76%，裝配15.26%，噴涂6.56%，拋光打磨2.79%，其他6.18%。
從這個(gè)角度而言，機(jī)器人較少參與工藝層具體工藝單元的實(shí)現(xiàn)，比如在機(jī)加工中，無論是傳統(tǒng)的減材加工還是新興的增材加工，機(jī)器人一般用于機(jī)床或者3D打印機(jī)的上下料，并不參與金屬銑削或者熔融沉積等加工過程。
作為一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的通用機(jī)械，高柔性和高通用性是其主要優(yōu)勢(shì)，而剛性和精度方面的相對(duì)缺失是其主要的劣勢(shì)。
隨著新型機(jī)械結(jié)構(gòu)的提出和控制算法的優(yōu)化，機(jī)器人會(huì)不斷提升這方面的功能，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，在更深入融入生產(chǎn)工藝單元的同時(shí)，提升整個(gè)生產(chǎn)過程的柔性。
表1. 目前機(jī)床加工和機(jī)器人加工的區(qū)別
接口日益標(biāo)準(zhǔn)
設(shè)備連線即插即用
為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備連線運(yùn)行，機(jī)器人需要和同屬設(shè)備層的其他設(shè)備，比如生產(chǎn)設(shè)備、測(cè)試設(shè)備、AGV等交互信息。
目前的現(xiàn)狀是設(shè)備之間缺乏統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，在具體的智能制造項(xiàng)目實(shí)施中，現(xiàn)場(chǎng)工程人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間用于定義設(shè)備間連線運(yùn)行所需變量并測(cè)試其功能。同時(shí)，因?yàn)槿狈y(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同品牌設(shè)備間不能做到通用互換。
標(biāo)準(zhǔn)的缺失提高了智能制造項(xiàng)目的“非標(biāo)性”，帶來了項(xiàng)目成本的上升和交付工期的延長(zhǎng)。制定并推廣機(jī)器人和相關(guān)設(shè)備的統(tǒng)一互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)正在逐漸被重視。
圖3. 機(jī)器人和設(shè)備間的接口標(biāo)準(zhǔn)
OT/IT融合
提供更多智能特征
智能制造是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的互聯(lián)互通的智能化生產(chǎn)體系，其數(shù)據(jù)來源既包括設(shè)備層的各種設(shè)備，也包括產(chǎn)品、環(huán)境以及人本身。
圖4. 機(jī)器人基于信息通信技術(shù)的智能特征
在智能制造體系下，機(jī)器人會(huì)利用開放的IT/ICT技術(shù)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈酉到y(tǒng)，摒棄掉某些廠商色彩濃厚的通信協(xié)議和通信網(wǎng)關(guān)。另一方面，工業(yè)人工智能技術(shù)的出現(xiàn)和成熟會(huì)使得機(jī)器人具有更多的智能特征，比如自適應(yīng)抓取、預(yù)測(cè)性維護(hù)提醒等。
