工業(yè)4.0在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用前景

趙　巍

上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司　上海　200040

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工業(yè)4.0在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用前景

趙巍

上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司上海200040

概述了工業(yè)4.0，從智能工廠、沉浸式虛擬工廠、機(jī)器人、智能物流、數(shù)字化模擬仿真、生產(chǎn)鏈信息、輔助系統(tǒng)等方面論述了工業(yè)4.0在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用前景，介紹了工業(yè)4.0為汽車制造業(yè)帶來的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

工業(yè)； 新技術(shù)； 汽車工業(yè)； 制造； 應(yīng)用； 發(fā)展

近年來，全球制造業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，進(jìn)而催生出工業(yè)4.0。不同于勞動(dòng)力老齡化社會(huì)下的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，工業(yè)4.0基于對(duì)制造業(yè)前景的預(yù)測(cè)，呈現(xiàn)出以CPS(Cyber-physical System， Cyber為Cybernetics的字根)為核心，引領(lǐng)第四次工業(yè)革命的全新生產(chǎn)體系。當(dāng)然，工業(yè)4.0目前還處于發(fā)展的初級(jí)階段。

汽車制造業(yè)作為先進(jìn)工業(yè)的代表，在工業(yè)4.0下會(huì)是怎樣的景象？筆者基于這一問題，介紹了工業(yè)4.0在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用前景。

1　工業(yè)4.0概述

工業(yè)1.0即機(jī)械化，以蒸汽機(jī)為標(biāo)志，用蒸汽動(dòng)力取代人力驅(qū)動(dòng)機(jī)器，由此，手工業(yè)從農(nóng)業(yè)中分離出來，正式進(jìn)化為工業(yè)。

工業(yè)2.0即電氣化，以電力的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，用電力驅(qū)動(dòng)機(jī)器取代蒸汽動(dòng)力，由此，零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配實(shí)現(xiàn)分工，工業(yè)進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)代。

工業(yè)3.0即自動(dòng)化，以可編程序控制器(PLC)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為標(biāo)志，由此，機(jī)器不但接管了人的大部分體力勞動(dòng)，而且也接管了一部分腦力勞動(dòng)，工業(yè)生產(chǎn)能力超越人類的消費(fèi)能力，社會(huì)進(jìn)入產(chǎn)能過剩時(shí)代。

工業(yè)4.0是最新的變革，變革的支撐來源于機(jī)器人的普及與全世界的高度互聯(lián)，核心在于工業(yè)、工業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)的全面交叉滲透[1-2]。

2　工業(yè)4.0在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用前景

目前，汽車制造業(yè)正在不斷發(fā)展與革新[3-10]，工業(yè)4.0給汽車行業(yè)帶來的變化則是： 汽車的換代速度越來越快，汽車的設(shè)計(jì)越來越個(gè)性化，消費(fèi)者更容易買到自己所喜歡的配置和車型，生產(chǎn)商更容易實(shí)現(xiàn)庫存量最小化。此外，對(duì)于生產(chǎn)商來說，工業(yè)4.0之下的智能生產(chǎn)可以更好地控制生產(chǎn)，減少浪費(fèi)，提高效率。

2.1智能工廠

對(duì)信息物理融合系統(tǒng)中的信息與通信進(jìn)行整合，進(jìn)而形成一種網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)——CPPS(Cyber-person-physical System)，這便意味著智能工廠的誕生。信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)的目標(biāo)是建立普遍適用于整個(gè)生產(chǎn)周期的普適程序鏈，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)靈活性與效率的雙重提升。未來，CPPS設(shè)計(jì)的目標(biāo)是工廠的個(gè)人、技術(shù)和組織形成一個(gè)有機(jī)的整體。

2.2沉浸式虛擬工廠

在沉浸式虛擬工廠中，智能設(shè)備(智能載物工具、無人駕駛運(yùn)輸工具等)在生產(chǎn)系統(tǒng)中將擔(dān)任自主角色，與機(jī)器、工人及包括生產(chǎn)控制技術(shù)在內(nèi)的其它系統(tǒng)組成部分進(jìn)行交流，以一個(gè)自主的非人工生產(chǎn)要素完成任務(wù)，并參與控制生產(chǎn)流程。

2.3機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人在整車制造中的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，越來越多的工業(yè)機(jī)器人在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用正成為趨勢(shì)。通過機(jī)器人這樣高水平的自動(dòng)化設(shè)備，可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)，降低成本，并提高產(chǎn)品質(zhì)量。

目前，工業(yè)機(jī)器人大大降低了勞動(dòng)力成本，提高了生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)過程中取代人工操作的同時(shí)，又為整線縮短長(zhǎng)度打下了基礎(chǔ)。目前，在汽車裝配生產(chǎn)的全過程中，通過各種自動(dòng)升降機(jī)、移載機(jī)和自動(dòng)鎖緊裝置，可以完全實(shí)現(xiàn)車身輸送的自動(dòng)化。在裝配工藝和設(shè)備方面，機(jī)器人自動(dòng)化和智能化程度也在不斷提高。當(dāng)前世界主要國(guó)家每萬名產(chǎn)業(yè)工人所擁有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量見表1。

表1　每萬名產(chǎn)業(yè)工人所擁有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量

2.4智能物流

工業(yè)4.0融合了機(jī)械、電子、信息學(xué)的新技術(shù)，應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，除了狹義上的生產(chǎn)技術(shù)以外，還包括廣義上的生產(chǎn)物流。實(shí)現(xiàn)智能物流也是未來工業(yè)4.0的重點(diǎn)應(yīng)用成果之一，其目的在于： 簡(jiǎn)化設(shè)備使用；減少安裝消耗及降低復(fù)雜度；顯著提高運(yùn)輸車輛的智能與自主能力，使車輛可以自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)周圍環(huán)境。

對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)而言，智能化數(shù)據(jù)技術(shù)提供整條供應(yīng)鏈的實(shí)時(shí)信息，中轉(zhuǎn)過程中一旦出現(xiàn)問題，各自的零部件供應(yīng)單元立即予以回應(yīng)，這種響應(yīng)功能提高了全球供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的透明度，并優(yōu)化了供應(yīng)鏈的構(gòu)架。寶馬公司目前已經(jīng)在個(gè)別工廠中實(shí)現(xiàn)了供應(yīng)鏈的實(shí)時(shí)信息傳遞。

2.5模擬仿真和數(shù)字化

在線測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)庫的使用有助于大幅度提高生產(chǎn)過程中的效率，特別是運(yùn)用三維掃描儀、高分辨率數(shù)碼照相機(jī)等測(cè)量設(shè)備，引入三維生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，不需要圖紙和人工記錄，就可以直接模擬和評(píng)估，相比傳統(tǒng)人工操作有顯著優(yōu)勢(shì)。例如，通過特殊的三維掃描儀和高分辨率數(shù)碼照相機(jī)，勞斯萊斯的古德伍德工廠僅需周末2d就能完成測(cè)量工作，而且測(cè)量精度可以達(dá)到2mm級(jí)別。同時(shí)，該工廠還建立了三維生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)庫，紙質(zhì)圖紙和耗時(shí)費(fèi)力的現(xiàn)場(chǎng)人工記錄方式都已被淘汰，這樣的好處是，工廠有任何空間變動(dòng)，三維數(shù)據(jù)庫都能夠直接模擬和評(píng)估，這是傳統(tǒng)技術(shù)所無法取得的功能。

2.6生產(chǎn)鏈信息

利用自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以使生產(chǎn)質(zhì)量和效率取得重大提升，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)過程。特別是在工廠零部件供給流程和元器件生產(chǎn)過程中，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)能夠保障商品流動(dòng)的透明度，并可以提供部件質(zhì)量的具體信息。在寶馬丁格爾芬和蘭茨胡特工廠應(yīng)用了最新的數(shù)據(jù)矩陣編碼，可以記錄和識(shí)別寶馬7系碳纖維部件的整個(gè)生產(chǎn)過程。除此之外，還可以利用能被攝像頭所識(shí)別的條形碼儲(chǔ)存生產(chǎn)鏈信息。

2.7互相關(guān)聯(lián)的輔助系統(tǒng)

利用智能手表、手環(huán)、APP等最新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)光、振動(dòng)、提醒、警報(bào)等功能，可以在最大程度上簡(jiǎn)化原本較為復(fù)雜的工藝。寶馬慕尼黑和萊比錫工廠進(jìn)行了一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，用于測(cè)試智能手表在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用。當(dāng)流水線上正在接近的車輛有特殊配置要求時(shí)，通過智能手表自動(dòng)提醒裝配工人，手表顯示器發(fā)出光亮，振動(dòng)警報(bào)也同時(shí)被激活，這樣，工人就會(huì)注意下一個(gè)工藝流程的重點(diǎn)和差異。

3　工業(yè)4.0為汽車制造業(yè)帶來的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

雖然當(dāng)前離工業(yè)4.0還有很長(zhǎng)的路要走，但這是從業(yè)者們共同努力的方向。未來，工業(yè)4.0將給汽車制造業(yè)帶來強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)如圖1所示。

圖1　工業(yè)4.0為汽車制造業(yè)帶來的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

4　結(jié)束語

在工業(yè)4.0時(shí)代，智能工廠將取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備，并生產(chǎn)出智能產(chǎn)品。通往工業(yè)4.0的過程中伴隨著循序漸進(jìn)的人機(jī)相互學(xué)習(xí)，許多基礎(chǔ)技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)存的制造業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施也需要適應(yīng)工業(yè)4.0時(shí)代的要求。從現(xiàn)有生產(chǎn)模式到工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)變，將影響從設(shè)計(jì)生產(chǎn)到銷售售后的汽車工業(yè)

全過程，每一位從業(yè)者都應(yīng)做好準(zhǔn)備，迎接工業(yè)4.0的到來。

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Presented a general description on Industry 4.0 with a discussion on the potential application of industry 4.0 in automotive industry in the aspects of intelligent plant, immersive virtual factory, robots, intelligent logistics, digital and analog simulation, information of production chain and auxiliary systems, as well as the competitive edge brought by Industry 4.0 for the automotive industry.

Industry； New Technology； Automobile Industry； Manufacture； Application； Development

2016年3月

趙巍(1970—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事工程設(shè)計(jì)與研究工作，

E-mail： simee_zw@mail.simee.net

TM-9；U466

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1674-540X(2016)02-071-03