淺析智能制造裝備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

楊文起

中國(guó)汽車(chē)工業(yè)工程有限公司 天津市 300113

目前，很多國(guó)家都出臺(tái)了相應(yīng)的政策支持制造業(yè)發(fā)展，例如美國(guó)的“再工業(yè)化”計(jì)劃，德國(guó)的“工業(yè)4.0”計(jì)劃，日本智能制造的“新機(jī)器人戰(zhàn)略”計(jì)劃等。我國(guó)的《中國(guó)制造2025年》以及《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》等，都為智能制造提供支持與保障。與此同時(shí)，雙碳目標(biāo)的提出，促使制造業(yè)朝向低碳化、節(jié)能化方向發(fā)展。智能制造集成了智能電網(wǎng)和多網(wǎng)融合等各類(lèi)信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)以及銷(xiāo)售環(huán)節(jié)的聯(lián)通，通過(guò)全生命周期的管理，消除生產(chǎn)制造系統(tǒng)的浪費(fèi)，達(dá)到資源能源循環(huán)利用，助力節(jié)能降耗。將綠色制造與智能制造相互結(jié)合，促進(jìn)綠色+智能協(xié)同發(fā)展。

1 智能制造的裝備概述

智能制造裝備指的是具有感知功能、分析與推理能力、決策力、控制力的制造裝備，實(shí)現(xiàn)了制造技術(shù)和信息技術(shù)以及智能技術(shù)的集成，可體現(xiàn)制造業(yè)的智能化和數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展水平。從產(chǎn)業(yè)鏈的角度分析，涉及到機(jī)器人、增材設(shè)備制造以及重大成套設(shè)備制造等。

2 智能制造裝備的發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 國(guó)外的智能制造裝備發(fā)展情況

根據(jù)國(guó)際市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球智能制造市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到2147億美元，預(yù)計(jì)到2025年會(huì)增加到3848億美元，期間年復(fù)合增長(zhǎng)率大約為12.4%。從市場(chǎng)區(qū)域發(fā)展情況分析，預(yù)測(cè)期間內(nèi)亞太地區(qū)的智能制造市場(chǎng)將會(huì)是增長(zhǎng)率最高，中國(guó)智能制造裝備的需求不斷增加，并且經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及各類(lèi)技術(shù)發(fā)展的鼓勵(lì)，將會(huì)促進(jìn)智能制造的發(fā)展。在全球范圍內(nèi)來(lái)看，預(yù)測(cè)期間內(nèi)，美國(guó)和德國(guó)以及日本的前沿企業(yè)將會(huì)成為領(lǐng)先的智能制造解決方案提供商。

美國(guó)，美國(guó)是智能制造概念的發(fā)源地之一，其政府也是高度重視制造裝備的研發(fā)，認(rèn)為智能制造能夠助力技術(shù)的領(lǐng)先。一直以來(lái)，美國(guó)不斷加大智能制造裝備的研究，并且推進(jìn)很多項(xiàng)目，比如智能設(shè)計(jì)項(xiàng)目以及智能物流傳輸項(xiàng)目。從過(guò)去的一段時(shí)間分析，美國(guó)積極推動(dòng)“智能處理系統(tǒng)”研究，涉及到動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)備生產(chǎn)系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)等，利用聰明加工系統(tǒng)，促進(jìn)美國(guó)智能技術(shù)的研發(fā)。美國(guó)的3D Systems和思科以及通用電氣等，都是智能制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。日本的橫河電機(jī)和三菱公司等，也占據(jù)著國(guó)際市場(chǎng)。2019年，美國(guó)制定了未來(lái)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，將人工智能技術(shù)和先進(jìn)制造業(yè)技術(shù)等列為推動(dòng)美國(guó)繁榮和保護(hù)國(guó)家安全的四項(xiàng)技術(shù)。

日本，目前已經(jīng)形成了以汽車(chē)及零配件、機(jī)床、機(jī)器人、電子電器為支撐的支柱產(chǎn)業(yè)。從智能制造的發(fā)展實(shí)際分析，集成利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器以及機(jī)器視覺(jué)等，并且圍繞產(chǎn)品提供延伸的解決方案。以川崎重工為例，研發(fā)的協(xié)作機(jī)器人能夠在一個(gè)空間內(nèi)和人協(xié)作，具有靈活性優(yōu)勢(shì)；再例如，牧野機(jī)床采用loT技術(shù)研發(fā)了ProNETConneX系統(tǒng)，能夠?yàn)榭蛻糇顑?yōu)化停機(jī)時(shí)間，達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備壽命的效果。在很多方面，日本的智能制造裝備都表現(xiàn)出優(yōu)異的狀態(tài)，為其制造業(yè)的發(fā)展提供支持。

德國(guó)，德國(guó)也是制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，2013年首次提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略；2019年發(fā)布了《國(guó)家工業(yè)戰(zhàn)略2030》。根據(jù)麥肯錫2018年調(diào)研的報(bào)告顯示，800家企業(yè)中超過(guò)了70%的企業(yè)開(kāi)始陷入了數(shù)字化轉(zhuǎn)型試點(diǎn)的困境，也就是簡(jiǎn)單的小規(guī)模試點(diǎn)后難以實(shí)現(xiàn)全面轉(zhuǎn)型。對(duì)于此難題，行業(yè)者達(dá)成了共識(shí)，開(kāi)始走規(guī)?；缆?，創(chuàng)造更多的價(jià)值。在全球制造的領(lǐng)先16強(qiáng)中，5家來(lái)自于德資企業(yè)、3家為美資企業(yè)。美國(guó)和德國(guó)憑借自身的工業(yè)資源優(yōu)勢(shì)與高質(zhì)量生產(chǎn)能力，快速轉(zhuǎn)型發(fā)展。

2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況

智能制造裝備是先進(jìn)制造技術(shù)和信息技術(shù)以及智能技術(shù)在裝備產(chǎn)品上的集成與融合，推動(dòng)著制造業(yè)的智能化和數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。根據(jù)德勤調(diào)查的數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)智能制造5大部署為數(shù)字化工廠、設(shè)備與用戶價(jià)值深挖、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、重構(gòu)生態(tài)和商業(yè)模式、人工智能，占比分別為63%、63%、48%、36%、21%，從關(guān)注的技術(shù)情況分析，主要為工業(yè)軟件和傳感器技術(shù)以及人工智能等。根據(jù)工業(yè)和信息部、中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院數(shù)據(jù)顯示，截至2020年12月，全國(guó)12000多家企業(yè)通過(guò)平臺(tái)開(kāi)展智能制造能力成熟度自診斷，江蘇、浙江、山東、寧夏等省市對(duì)于智能制造高度重視，積極推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。表1整理了部分城市的智能制造試點(diǎn)情況。

表1 2020年部分省智能制造的試點(diǎn)情況

基于工業(yè)4.0智能制造背景，流水線工作的方式也出現(xiàn)了很大的變化。使用工業(yè)機(jī)器人，顯著提高了作業(yè)效率，同時(shí)出錯(cuò)率更低，并且自動(dòng)化生產(chǎn)能夠給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。一般來(lái)說(shuō)，流水線按照運(yùn)輸方式進(jìn)行細(xì)分，主要包括皮帶流水裝配線和插件線以及網(wǎng)帶線等，通常組成部分包括牽引件和承載構(gòu)件以及驅(qū)動(dòng)裝置等。在工業(yè)4.0的浪潮下，工業(yè)機(jī)器人的大量應(yīng)用，將會(huì)使得對(duì)傳統(tǒng)流水線作業(yè)方式產(chǎn)生很大的變化，轉(zhuǎn)變了人工作業(yè)的模式。從當(dāng)前的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用情況分析，ABB為主流機(jī)器人，應(yīng)用比較廣泛，若將其編程靈活運(yùn)用，則其他的機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)用也能夠更加便利。在邏輯思維方面，工業(yè)機(jī)器人的情況差異不大，不過(guò)也面臨很多難題。使用工業(yè)機(jī)器人，需要熟悉機(jī)器人坐標(biāo)應(yīng)用和圓弧指令以及邏輯控制語(yǔ)句應(yīng)用等。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，能夠?yàn)橹悄苤圃炝魉€的高效率運(yùn)行和管理，提供更多的支持和保障，提高流水線作業(yè)的效率，保障工作的質(zhì)量。

從工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展情況分析，2020年的需求快速增加，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、工業(yè)和信息部發(fā)布的數(shù)據(jù)信息，2020年1-11月全國(guó)規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的工業(yè)機(jī)器人總產(chǎn)量為206851套，制造企業(yè)的收入額為453.3億元。在消費(fèi)需求增加的影響下，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)品快速發(fā)展。一方面，汽車(chē)工業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求增加，應(yīng)用行業(yè)也從汽車(chē)工業(yè)朝向通用工業(yè)繼續(xù)拓展延伸。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，2020年機(jī)器人的需求增加主要來(lái)源于3C和新能源以及金屬機(jī)械等，需求總量超過(guò)60%。除此之外，工業(yè)機(jī)器人生廠商也在積極推動(dòng)產(chǎn)品與醫(yī)療以及其他行業(yè)的融合，力求研發(fā)更多的新產(chǎn)品，促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。值得一提的是，機(jī)器人生產(chǎn)是被日本壟斷將近30年，被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，很大程度上促進(jìn)了日本的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?，F(xiàn)如今，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)逆襲，助力市場(chǎng)整體的工業(yè)化進(jìn)程。工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成包括操作機(jī)和控制器以及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，可以自動(dòng)化控制以及重復(fù)變成，支持在三維空間內(nèi)完成各類(lèi)作業(yè)。

3 智能制造裝備的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 綠色化

從智能制造裝備的應(yīng)用和發(fā)展角度分析，環(huán)境保護(hù)始終是堅(jiān)定不移的原則，促進(jìn)裝備升級(jí)，必須要注重節(jié)能。一方面，提供智能制造裝備的智能化水平。另一方面，要提高節(jié)能環(huán)保水平，減少能源消耗。智能制造裝備的使用能夠滿足各行業(yè)生產(chǎn)的需求，同時(shí)也是各個(gè)行業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要保障。積極推廣使用高水平的智能制造裝備，輔助相關(guān)行業(yè)持續(xù)化發(fā)展，適應(yīng)高標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)要求。雙碳目標(biāo)的提出，對(duì)制造業(yè)也提出了更高的要求，需要不斷的升級(jí)和優(yōu)化，提高生產(chǎn)的能源使用水平，減少能源消耗和浪費(fèi)。這對(duì)使用的智能制造裝備提出了更高的需求和要求，需要加大節(jié)能的研究力度，通過(guò)設(shè)備本身的節(jié)能或者輔助生產(chǎn)節(jié)能來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的目標(biāo)。

3.2 智能化

從當(dāng)前的發(fā)展情況分析，中國(guó)智能制造核心裝備與核心軟件獲得重要突破，不過(guò)和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，關(guān)鍵技術(shù)裝備相對(duì)薄弱，例如高檔數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人以及增材制造裝備等。除此之外，數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造等關(guān)鍵核心技術(shù)還需要提升，影響著智能制造的發(fā)展。目前，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、第五代移動(dòng)通信（5G）、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)不斷取得突破，尤其是5G技術(shù)和AI技術(shù)。隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，中國(guó)智能制造加速，但5G+智能制造的發(fā)展還面臨很多挑戰(zhàn)。5G技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)-華為提出點(diǎn)亮1000座5G智慧工廠計(jì)劃，意在加速5G技術(shù)的應(yīng)用。5G技術(shù)和云計(jì)算以及AI等的應(yīng)用，雖然能夠促進(jìn)制造企業(yè)智能化升級(jí)，不過(guò)還有很多工廠沒(méi)有實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與智能化，因此加快5G基礎(chǔ)設(shè)施的部署與建設(shè)為重點(diǎn)任務(wù)。在實(shí)施方面主要面臨以下挑戰(zhàn)：（1）落地資金需求大。目前，推進(jìn)5G建設(shè)的成本很高且周期長(zhǎng)，以5G基站為例，投資為4G的1.5倍，全國(guó)總體投資規(guī)模大約為1.2萬(wàn)億元，投資周期超過(guò)8年。除此之外，我國(guó)還處于4G建設(shè)的高峰期，雙網(wǎng)建設(shè)的成本壓力比較大，并且5G落地應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)難以精準(zhǔn)預(yù)估以及防范。從推動(dòng)5G在智能制造行業(yè)的應(yīng)用角度分析，需要政府、企業(yè)等共同努力，促使整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)高效化推進(jìn)，利用技術(shù)+商業(yè)的方式，共同推動(dòng)5G+智能制造的進(jìn)一步發(fā)展。

3.3 人才需求大

智能制造裝備的發(fā)展需要人才力量的支持，當(dāng)前我國(guó)此類(lèi)人才匱乏。一方面，智能制造裝備對(duì)于人才素質(zhì)要求比較高，既需要掌握先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用知識(shí)和相關(guān)技能，也需要對(duì)未來(lái)的智能制造有著一定的理解。另一方面，我國(guó)亟需的是智能制造工程技術(shù)人才?！吨悄苤圃祛I(lǐng)域人才需求預(yù)測(cè)報(bào)告》發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2019年，智能制造從業(yè)人員（包括：工程技術(shù)人員、技能人員）數(shù)量為971.2萬(wàn)人，預(yù)測(cè)到2025年，智能制造工程技術(shù)人員缺口數(shù)量將接近100萬(wàn)人。在人才培養(yǎng)方面，需要加大職業(yè)人才的培養(yǎng)力度，同時(shí)需要注重研發(fā)人員的培養(yǎng)。通過(guò)不斷增加人才的儲(chǔ)備，為智能制造裝備的發(fā)展提供更多的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。積極發(fā)揮高校的資源優(yōu)勢(shì)，加大對(duì)智能制造相關(guān)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)力度。圍繞當(dāng)前學(xué)歷教育內(nèi)容和實(shí)際崗位需求脫節(jié)的問(wèn)題，以及在職教育體系需要完善的問(wèn)題，積極優(yōu)化和調(diào)整，加快人才的培養(yǎng)力度。通過(guò)整合高校、科研單位以及企業(yè)等多方力量的支持，推進(jìn)智能制造裝備研發(fā)和相關(guān)人員的培養(yǎng)。

3.4 做好企業(yè)升級(jí)

從推進(jìn)智能制造的發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，需要從企業(yè)入手。雖然當(dāng)前制造業(yè)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)是東強(qiáng)西弱，但是很多東北的制造基地處于發(fā)展的落后狀態(tài)，難以跟進(jìn)國(guó)際水平，需要進(jìn)行升級(jí)與改造。以沈陽(yáng)為例，為了能夠促進(jìn)制造業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，圍繞5+3+7產(chǎn)業(yè)補(bǔ)鏈延鏈強(qiáng)鏈。通過(guò)提高龍頭企業(yè)本地配套率，促進(jìn)制造業(yè)的規(guī)模擴(kuò)大。對(duì)老字號(hào)企業(yè)進(jìn)行改造升級(jí)，構(gòu)建現(xiàn)代化水平較高的汽車(chē)整車(chē)生產(chǎn)體系，并且構(gòu)建完善的零部件配套體系，重新塑造機(jī)床制造產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先地位。加大新一代通用機(jī)械裝備產(chǎn)品的研發(fā)力度，力求發(fā)展一批新興重礦裝備，推動(dòng)電力裝備應(yīng)用創(chuàng)新。與此同時(shí)，關(guān)注新能源領(lǐng)域，加大對(duì)新能源產(chǎn)品的研究力度，推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，構(gòu)建機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)圈，促進(jìn)航空產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和整機(jī)能力的提升。在推動(dòng)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來(lái)說(shuō)，積極部署現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施，例如5G基礎(chǔ)設(shè)施，滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。從江蘇的發(fā)展規(guī)劃分析，江蘇省提出龍頭骨干企業(yè)引領(lǐng)工程，通過(guò)對(duì)標(biāo)世界智能制造領(lǐng)先水平，加大對(duì)行業(yè)龍頭企業(yè)的支持力度，推動(dòng)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。采取分行業(yè)分領(lǐng)域制定智能制造示范標(biāo)準(zhǔn)的方式，每年認(rèn)定一批省級(jí)智能制造示范工廠和車(chē)間以及互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)桿工廠。到2024年底，累計(jì)建成國(guó)家智能制造示范工廠項(xiàng)目30個(gè)、省級(jí)智能制造示范工廠項(xiàng)目300個(gè)、省級(jí)智能制造示范車(chē)間2500個(gè)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)桿工廠200家、5G全連接工廠10家。同時(shí)還推進(jìn)中小企業(yè)“智改數(shù)轉(zhuǎn)”推進(jìn)工程，面向中小工業(yè)企業(yè)，為期提供智能制造服務(wù)，了解其存在的問(wèn)題，指導(dǎo)其制定解決方案。除此之外，積極發(fā)揮南京和無(wú)錫以及蘇州等的集成電路、新型顯示以及智能裝備等產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，積極培育生態(tài)主導(dǎo)型鏈主企業(yè)。通過(guò)資源整合，搭建基于產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作平臺(tái)，推進(jìn)協(xié)同采購(gòu)和協(xié)同制造以及協(xié)同銷(xiāo)售等的應(yīng)用，進(jìn)一步提高產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作效率。積極鼓勵(lì)建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，一次達(dá)到匯聚賦能資源的目的，實(shí)現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)和工業(yè)APP以及數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決方案的集成，面向應(yīng)用場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及數(shù)據(jù)服務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能制造裝備正處于快速發(fā)展的狀態(tài)，涌現(xiàn)出很多新型工業(yè)機(jī)器人和機(jī)床裝備等，為很多行業(yè)生產(chǎn)提供裝備支持。從需求和發(fā)展的角度分析，智能制造裝備的綠色化和智能化水平會(huì)不斷提高。從技術(shù)的集成應(yīng)用角度分析，還面臨很多挑戰(zhàn)，需要加大技術(shù)的研究力度，積極整合各方的力量促進(jìn)智能制造裝備發(fā)展。