關(guān)于自動(dòng)化的發(fā)展層次

提到自動(dòng)化，首先要提“工業(yè)4.0”，“工業(yè)4.0”是“Industry4.0”的中文翻譯，本意是第4代工業(yè)或者第4次工業(yè)革命。人類歷史上的前三次工業(yè)革命分別是以蒸汽技術(shù)革命為代表的第一次工業(yè)革命，以電力技術(shù)革命為代表的第二次工業(yè)革命，以計(jì)算機(jī)技術(shù)革命為代表的第三次工業(yè)革命。第四次工業(yè)革命，是以3D打印、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)智能化、工業(yè)一體化為代表，以人工智能、清潔能源、無人控制技術(shù)、量子信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)以及生物技術(shù)為主的全新技術(shù)革命。德國(guó)政府提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，并在2011年4月的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出，其目的是為了提高德國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)。我國(guó)在2014年12月首次提出“中國(guó)制造2025”，2015年5月19日，國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》，其根本目標(biāo)在于改變中國(guó)制造業(yè)“大而不強(qiáng)”的局面，通過10年的努力，使中國(guó)邁入制造強(qiáng)國(guó)行列，為到2045年將中國(guó)建成具有全球引領(lǐng)和影響力的制造強(qiáng)國(guó)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

概念弄清楚了，再來看看現(xiàn)實(shí)，我們大多數(shù)制造企業(yè)仍然還處于非常低的制造水平，在發(fā)展自動(dòng)化的過程中切勿盲目跟風(fēng)，應(yīng)該結(jié)合企業(yè)發(fā)展需要和自身能力，遵循手工作業(yè)→機(jī)械化→自動(dòng)化→智能化的路線，逐步前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化改造。接下來舉例說明。

手工作業(yè)階段

首先以傳統(tǒng)手工操作的非數(shù)控設(shè)備為基礎(chǔ)進(jìn)行探討，這類設(shè)備離開人無法運(yùn)行，更像工具，典型代表如鉆床（圖1）。



圖1 鉆床

機(jī)械化階段

過去在機(jī)加工行業(yè)內(nèi)流傳一個(gè)說法，只要一臺(tái)鉆床和一臺(tái)車床就可辦一個(gè)機(jī)加工廠。這可以說是最原始的機(jī)加工階段，現(xiàn)在幾乎沒有人再用這類設(shè)備作為主要工作設(shè)備了，這個(gè)階段升級(jí)主要目標(biāo)應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)用設(shè)備替代人的主要工作，人工還需要負(fù)責(zé)輔助工作如上下料等。主要代表設(shè)備有加工中心，以鈑金行業(yè)為例，這類設(shè)備就是數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床（圖2）。



圖2 數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床

數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床具有數(shù)控系統(tǒng)，能自動(dòng)運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)鈑金產(chǎn)品的沖孔、切邊，但是需要人工上下料。同時(shí)因?yàn)榧庸み^程材料移動(dòng)，產(chǎn)品在加工過程需要微連接與材料相連，從機(jī)床卸料后人工再剪斷微連接（圖3），得到產(chǎn)品，如果微連接大小恰當(dāng)，可以通過抖動(dòng)的方式讓產(chǎn)品和原材料分離。這種加工模式主要加工過程由機(jī)械完成，然而并不能解放人，只是提高了加工效率并減少了人的勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度。這個(gè)階段人員和設(shè)備的配合工作時(shí)間比例幾乎為100%，暫且稱其為機(jī)械化。



圖3 人工剪斷微連接

半自動(dòng)化階段

第2階段的升級(jí)是給上述數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床配置自動(dòng)料架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，人只負(fù)責(zé)給設(shè)備料架配置原料，并從設(shè)備上取下沖切加工好的半成品，然后再切掉微連接取下產(chǎn)品。這個(gè)階段人在設(shè)備工作期間可以短時(shí)間和設(shè)備分離，設(shè)備依靠程序自動(dòng)上料加工并將半成品堆垛，最后再需要人工切斷微連接并整理半成品。這種工作模式，人工工作占設(shè)備工作的時(shí)間比例大約為60%，主要工作是負(fù)責(zé)上下料和整理半成品，是處于機(jī)械化和自動(dòng)化之間的一種狀態(tài)。圖4所示為帶自動(dòng)上下料功能的數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床。



圖4 帶自動(dòng)上下料功能的數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床

第2.5階段的升級(jí)是在上述設(shè)備配置的基礎(chǔ)上再附加一套MJC（micro joint cut）即微連接剪切裝置，這個(gè)裝置自動(dòng)剪切微連接，在剪切掉微連接后會(huì)將半成品堆垛到一個(gè)托盤上，等托盤裝滿了再將托盤從料架調(diào)出來，人工將托盤和半成品一起取走，送到下道工序。在整個(gè)工作過程中，人工只負(fù)責(zé)了上料、取廢料、取半成品，人的工作時(shí)間占設(shè)備工作時(shí)間的比例最多可以縮短到20%，但是因?yàn)樗簧a(chǎn)了半成品，還不能把它歸為鈑金自動(dòng)化，但是已經(jīng)很接近自動(dòng)化了。達(dá)到這個(gè)階段，可以實(shí)現(xiàn)1人管理多臺(tái)設(shè)備，已經(jīng)有了些許自動(dòng)化的感覺。因安全要求，MJC用護(hù)網(wǎng)封閉，且與設(shè)備的自動(dòng)上下料架結(jié)合，用圖片無法展示，故此略去。

第2.5階段雖然人的參與量只有20%，但是畢竟設(shè)備生產(chǎn)出來的產(chǎn)品僅僅是半成品，一般還需要后續(xù)折彎工作（圖5）。



圖5 折彎工作

自動(dòng)化階段

因此就有了第3階段升級(jí)，一種從原板開始在一條線上完成沖剪折三個(gè)工序的柔性生產(chǎn)線。這種生產(chǎn)線只需要人工上下料，在最前端的料架上放置好原料板材，通過程序控制，原料被設(shè)備取料裝置從料架取下來送入沖剪工序，沖剪完成的產(chǎn)品如不需要折彎可以分流，從生產(chǎn)線上卸下來去其他工序加工，需要折彎的產(chǎn)品繼續(xù)在生產(chǎn)線上流動(dòng)，通過翻轉(zhuǎn)裝置翻轉(zhuǎn)后，達(dá)到折彎時(shí)正面朝外的效果。產(chǎn)品到達(dá)折彎中心后自動(dòng)定位，一次定位多邊折彎，保證折彎尺寸準(zhǔn)確。折彎完成的產(chǎn)品從卸料口流出，被工作人員取出后，即得到鈑金加工的成品。這種加工過程人工不需要參與，除了上原料和取出產(chǎn)品外都是設(shè)備自動(dòng)完成的，加工過程人員零參與，可以說初步實(shí)現(xiàn)了鈑金加工意義上的自動(dòng)化，全過程人員參與率低于10%。典型代表如圖6所示的薩瓦尼尼柔性生產(chǎn)線。



圖6 薩瓦尼尼柔性生產(chǎn)線

智能化階段

第3階段雖然已經(jīng)是基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是上料過程還是人工負(fù)責(zé)，而且向設(shè)備料架上料和設(shè)備加工時(shí)取料用的是同一套抓取裝置，向料架上料需要在工作上料間隙進(jìn)行，如果整條線的節(jié)拍小于30秒，將無法實(shí)現(xiàn)在加工同時(shí)再向料架上料，也就是說必須停機(jī)上料，造成一定程度的效率損失。用多列大型立體料庫取代料架是非常好的解決方案。多列大型立體料庫本身就是一套系統(tǒng)，具有獨(dú)立的上下料工位，與第3階段所述的柔性生產(chǎn)線料架嵌套，實(shí)現(xiàn)大型立體料庫向生產(chǎn)線料架送料，同時(shí)生產(chǎn)線從料架上取料加工。而且可以在生產(chǎn)線的操作終端直接操作大型立體料庫給料架供應(yīng)原料。大型立體料庫的材料裝入工作由獨(dú)立的專職工作人員完成。到這種程度，設(shè)備操作員的主要工作就是開啟設(shè)備。人工參與生產(chǎn)過程的時(shí)間占比低于5%，可以說基本上實(shí)現(xiàn)了鈑金加工的自動(dòng)化，也就是第4階段了。

從另一角度來說，用機(jī)器人替代人也是最簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的途徑，機(jī)器人本身是非常成熟的產(chǎn)品，穩(wěn)定性非常好。建議剛剛開始考慮用機(jī)器人替代人工的企業(yè)一定要注意一點(diǎn)，機(jī)器人系統(tǒng)集成拼的是工裝，不是機(jī)器人本身。工裝的設(shè)計(jì)合理性和穩(wěn)定性對(duì)自動(dòng)化效率的影響非常大，根據(jù)筆者近幾年使用機(jī)器人焊接的經(jīng)驗(yàn)看，工裝故障率占機(jī)器人焊接線故障率的98%，機(jī)器人本體和傳送系統(tǒng)幾乎從來不發(fā)生故障。圖7所示為機(jī)器人焊接線。



圖7 機(jī)器人焊接生產(chǎn)線

在推進(jìn)自動(dòng)化過程中一定要根據(jù)自身特點(diǎn)決定選用哪種階段的自動(dòng)化程度的設(shè)備性價(jià)比最高，切不可盲目追求概念，同時(shí)要把眼光看遠(yuǎn)一點(diǎn)，選擇的設(shè)備要有一定的先進(jìn)性，基本要考慮3年內(nèi)不會(huì)被淘汰。

結(jié)束語

現(xiàn)階段我們要清楚的認(rèn)識(shí)到，自動(dòng)化的主要任務(wù)還是替代簡(jiǎn)單重復(fù)性的人工勞動(dòng)。筆者曾經(jīng)參觀過某國(guó)產(chǎn)品牌的機(jī)器人，廠商給大家介紹了一種功能，就是用手機(jī)通過云平臺(tái)可以隨時(shí)查看機(jī)器人的各軸扭力參數(shù)，通過后期軟件開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)器人動(dòng)作模擬，以監(jiān)控機(jī)器人工作狀態(tài)。這個(gè)想法很超前，作為機(jī)器人廠商應(yīng)該有這種前瞻性，為將來第4次工業(yè)革命做準(zhǔn)備。但是作為用戶要切實(shí)了解自己的需求，并選擇適合自己的產(chǎn)品，依筆者的經(jīng)驗(yàn)看，在人工成本占總成本的比例還沒有高到一定程度的前提下，短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)化智能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)工作。