3.2 智能制造实践过程

3.2.1 智能制造要“软硬兼施”

在谈到智能制造时，大多数人的关注点都在各种软件上，如ERP、MES、PLM、CAD、CAM等。当然，智能制造离不开这些软件系统，也离不开大数据、人工智能、边缘计算等新兴技术手段。但是，装备、物料等硬件在智能制造中也起着非常重要的作用。装备作为智能制造的手段，其自身的智能化水平、柔性范围、效率程度、投资规模等都影响着智能制造实现的效果；而物料作为智能制造的对象，它的原始状态、物流过程、物流方式、质量保证等都要进行策划和研究，以及哪种特定的工艺更适合智能制造、更能发挥智能制造的效率和效益。因此，智能制造必须要“软硬兼施”。

智能制造的建设一直以来还存在着两个极端趋势：一是简单的“机器换人”，以工业机器人为主体的硬件装备投入为主要方向，认为推进智能工厂就是自动化和机器人化，盲目追求“黑灯工厂”，推进单工位的机器人改造，上马只能加工或装配单一产品的刚性自动化生产线。其只注重购买高端数控设备，但却没有配备相应的软件系统。二是不结合企业实际需求购买软件。有些企业花几百万元、几千万元甚至上亿元资金购买各类软件，总认为这些软件系统就能解决企业的一切问题，就能够实现智能制造，国内软件解决不了的就购买国外软件，似乎用了国外软件，企业内部的管理问题、业务问题就迎刃而解。这两种极端趋势都是盲目性、片面性和“长官意志”的具体体现，都没有从企业对智能制造的实际需求出发，最终不能使企业通过智能制造获得产业变革的主动权。

企业在实施智能制造时要从五个维度考虑：一是技术维度，技术是智能制造的基础，智能制造的数据来源于技术，既有设计BOM信息，也有工艺信息；二是管理维度，管理是智能制造的保障，企业各类资源都要通过资源管理系统把作用发挥到极致；三是装备，装备是智能制造的手段，各类软件系统和物料都必须通过装备的高效作用才能转化为产品；四是物料，物料是智能制造的对象，实施智能制造的目的就是实现产业革命，让产品质量更好、成本更低，让产品更具市场竞争力；五是制造，智能制造毫无疑问最后要落脚于制造上，发挥执行的作用，将各类要素体现在制造上，实现效率更高、效益更好。

3.2.2 以零件组织生产以订单组织装配

定制是智能制造的主要特征，生产计划的组织方式要适应定制化要求。以往更多的企业是按照库存销售模式经营企业，生产计划的方式是为了满足必要的库存，而没有与市场订单挂钩，以大量的库存来被动适应市场。这样的生产计划相对比较简单，生产的波峰波谷也相对容易调整，实际上也是仅以生产的负荷来安排生产的。而传统的以销定产的生产计划方式是简单地按订单组织生产的生产组织模式，这种计划方式一是没有考虑生产设备或单元的波峰波谷，缺乏生产的均衡性考虑；二是会形成大量半成品库存和在制品，造成生产成本的增加；三是份合同的齐套性差，难以保证装配和满足订单的交货期。在智能制造环境下，生产方式全部是以销定产，要满足定制要求，必须克服以上生产计划方式的不足，形成以零件组织生产的纵线和以订单组织装配的横线这样框架式的新型生产计划方式，通过相关工业软件系统，有效解决生产的均衡性和满足份合同的齐套性。

“以零件组织生产以订单组织装配”是基于智能制造完全定制化生产的要求提出来的实践理论，它汇集了JIT方式、敏捷制造和精益生产等生产管理方式的特点，是结合智能制造定制化生产需要提出来的生产组织方式。通过主生产系统、制造执行系统等解决了全部定制生产的智能制造生产组织难题，合同订单的齐套性非常高，交货期大大缩短，合同如期交货率显著提高。零部件在制造执行系统和高级排程系统的支撑下，按照主生产计划要求，实现分钟级调度和完成，同步实现某一订单的全部自制零部件按时间节点如期到达装配现场，在订单交付期前与同步到货的其他外购、外协以及标准件等进行配餐，按订单进行装配、调试、试验和发运。

“以零件组织生产以订单组织装配”主要包括以下主要内容：

1）对合同订单里涉及的产品进行任务分解，根据交货期标注自制零部件和外购件结束时间，确保同步完成，避免互相等待。

2）围绕设备利用率，从设备的角度根据制造执行系统的工序要求和高级排程系统的能力适配，最大限度地发挥设备的作用，提高设备利用率。

3）在订单按约定时间交付前，所有零部件同步到达装配现场，数字化配餐，按照定制化的订单要求进行组装并包装发运，确保交货期。

4）企业内部所有部门都围绕客户订单分解出来的任务清单开展工作，工作的针对性、主动性、实时性等非常明确，将各部门的工作通过主生产计划统一起来。

5）物料周转快，根据计划时间来进行物料配送、加工、入库，车间在制仅仅是加工制造时间，没有等待和短缺现象发生。

6）能够适应合同延期、变更、撤销等异常情况发生，避免企业造成更大的经济损失，同时也避免存货积压和资源挤占，满足订单的柔性要求。

主生产计划系统属于ERP系统，就是要把企业的人、机、料、法、环这些资源的作用充分发挥出来，以有限的资源贡献出最大限度的经营成效。通过“以零件组织生产以订单组织装配”的生产计划理论指导，可以让公司各项资源完全发挥作用，以设备利用率、份合同齐套性、存货周转率、在制品流动速度、交货期等指标来衡量整体生产运营效率，实现人机效率最大化。

为应对合同变更、交货期调整、合同履约失信等现实问题，“以零件组织生产以订单组织装配”通过两段计划法，将围绕合同的生产准备与生产制造、采购物资到货等分开实施，有效解决在制品、库存等资金占用问题，灵活应对大规模定制的合同履约和合同变更情况。其主要表现在以下几个方面：

1）适时适量采购，提高应变能力。企业的原则是根据市场的要求进行采购和供应，需要多少采购多少，超量采购和超量储备会造成经济损失和浪费，是一种无效劳动。另外，采购部门与生产计划、市场调研、生产调度和产品销售等部门建立联系，分析预测产品市场状况，研究产品销售规律和特点，为正确编制采购计划、签订订货合同提供可靠依据。在订货方式上，按销售份合同来实施采购合同，一一对应，避免造成短缺和积压。

2）最大限度压缩积压库存，提高资金的效能。以“零库存”为目标，把库存压缩到最低限度，减少资金占用，加快资金周转，根据当期任务计划时间安排配料、加工、入库。以半成品库作为结算节点和数据获得的来源，便于及时调度和组织。

3）“以零件组织生产以订单组织装配”，便于通过两段计划法应对合同变更、延期等异常情况，为企业减少损失和库存占用。

3.2.3 典型工艺典型装备实现柔性最大化

定制是智能制造的主要特征，难点就在于装备能否适应定制要求。面对复杂多变的市场客户要求，如何通过有限的装备来满足无限的客户需求是智能制造要考虑的现实问题。

定制的生产方式必然会造成大量提前无法预测的零部件加工制造工艺，如果不解决该问题，必然会造成交货期无法保证、工艺人员手忙脚乱、生产设备难以适应、产品质量不好控制等一系列现实问题。但是任何事物都是有规律可循的，零部件即使再复杂多变，总是可以根据其工艺特点找出规律，就像数学里的等比数列或等差数列一样，有了规律，问题就迎刃而解。过去有一项技术称为成组技术，这是在“工业2.0”时代的一项实用技术，其很好地解决了同类产品的加工和检测问题。在智能制造大规模定制的背景下，必须要对典型零件制定典型工艺，根据典型工艺选择、改造和完善相应的设备，形成针对典型工艺的典型设备。

典型工艺典型设备需要从以下几方面考虑：

1）对加工工艺进行充分研究，在企业业务领域范围内制定出若干典型工艺，这些工艺具有相同或相似的工艺特征，便于在CAM、CPS和检验系统等软件系统支撑下完成一系列零部件的加工。

2）典型装备要根据工艺要求进行满足典型工艺条件下的装备配置。所以，在项目建设初期要充分考虑购买什么样的装备能够满足工艺要求，既要考虑装备的性能、柔性化，还有考虑装备的效率和价格水平，确保选用最佳的装备。

3）典型装备还可以通过工艺装备来实现装备更大的柔性和更高的效率，尤其是智能工艺装备更能极大地丰富装备的柔性化水平。因此，智能工艺装备在未来产业发展中必将发挥重要作用。

4）典型装备还要考虑效率问题，虽然是柔性装备，但要通过工装、刀具和软硬件控制系统实现和刚性装备（专机）一样的加工效率，才能满足智能制造的要求。

有些企业为了满足定制需要，购买了大量价格昂贵的加工中心，这虽然是“以不变应万变”，但其存在的问题有三：一是价格昂贵的装备会形成很高的折旧费用，增加生产成本；二是所有加工工序都集中到一台设备上，影响加工效率；三是这些价格昂贵的加工中心加工范围、设备的柔性仍然只在一定范围之内，不能满足广域柔性适应范围。企业应根据典型零件，总结出典型工艺，在一般数控设备的基础上，通过工艺装备、刀具、专业软件系统等手段，将设备变成典型设备，满足属于典型工艺的所有加工制造，这样的典型设备加工范围比加工中心更广，而成本会更低。

例如，西门子成都工业4.0示范工厂生产线上的设备实际上就是一个个的典型设备，每台设备满足工艺要求的部分工序能力，通过软硬件物流系统，整套生产线完成一个零件的全部加工制造。这些设备可以适应800多种工序能力。如果采取典型设备的方式，只要在加工范围之内，加工规格几乎是无限的。

3.2.4 质量是设计出来的

企业的质量控制要经历四个阶段：质量是检出来的、质量是干出来的、质量是靠企业文化保证出来的、质量是设计出来的。起初，生产部门的人员和质保人员总是在“质量是干出来的”还是“质量是检出来的”上争论不休，各自说各自的理由，推卸自己的义务，强调别人的责任。这一方面说明企业员工对质量的认识不到位，另一方面也说明质量控制始终是企业经营的重点和难点。随着工业化的不断深入和质量意识的不断提升，目前国内绝大多数企业的质量检测处于“质量是干出来的”；而日本、德国的企业因为工业化历史比较长，质量意识已经深入人心，基本上处于“质量是靠企业文化保证出来的”，其有一批精湛的工匠，他们把产品视为艺术品，生产出高质量的产品。而在智能制造中，产品质量更多的要靠技术人员在工艺规划初期就通过设备、工艺装备、刀具、在线检测设备等现代科技手段来确保产品质量合格率在很高的水准上，通过CPS虚拟实体制造系统和严格质量保证体系将质量控制体现在所有业务流程之中，不受员工技能水平的影响，甚至想错都错不了，即质量要在智能制造过程中通过设计规划来保证。

“质量是设计出来的”主要包括如下内容：

1）质量策划。技术部门首先要进行产品的质量策划，从物料的源头开始，包括物料的状态和外形、物料的装夹定位、物料的形位公差精度、关联性等。

2）虚拟与物理的工艺方案制定。通过CAM或NC（Numerical Control，数字控制系统）代码管理系统以及三维仿真系统进行正式加工制造前的虚拟制造，通过对典型零件的实际加工验证及确定典型工艺流程。

3）工艺装备设计。工艺装备既是设备柔性化的主要手段之一，也是物料质量保证的重要工具，尤其智能工艺装备更能发挥作用。

4）检验规划。工艺人员要针对目标零件进行质量检验规划，纳入制造执行系统，确保每一工序的质量。

5）全过程质量保证。从物料的原始状态开始控制质量，采取“一物一码、一序一标”，确保质量控制没有盲点。

6）在线检测设备的应用。随着装备效率的提升，检验工作必须镶嵌在加工制造之中，在线检测设备的应用将极大提高质量保证和加工制造的效率。

工艺装备既是增加设备柔性的主要手段，也是质量保证的主要工具。因此，未来工艺装备，尤其是智能工艺装备都是解决方案中的高科技、高附加值装备。随着智能制造的广泛普及和深入，智能工艺装备需求旺盛，行业前景广阔，有远见的企业家应该提前布局。

同时，在线检测设备是智能制造必需的产品，受技术水平的限制，目前还没有大规模的应用，但是随着红外、光栅、激光等技术的实际应用，必然会大大推进在线检测设备的发展，在线检测设备又是一片蓝海市场。

3.2.5 物流越短越好

物料是智能制造的对象，物料从初时的毛坯状态经过智能制造实现增值的过程中，物流已不是传统意义上的零部件转序，而是将整个制造过程高效地连接起来，要保证工序与工序之间高效切换，要将信息流有效进行传递，要将存货降到最低。因此，物流是智能制造工艺布局考虑的重点，直接影响新建项目和改扩建项目的投资规模以及智能制造的效率。很多企业认为，运用了AGV、立体仓库似乎就解决了物流自动化甚至智能化的问题，但是高昂的设备投资是一般企业不能承受的，并且是否有必要也值得商榷。如果能通过合理的工艺布局，少用或不用这些智能物流设备，那么既可以提高运转效率，也能节省大量资本投入。

“物流越短越好，最好没有”，这是在长期智能制造实践中总结出来的，体现在以下几方面：

1）通过典型工艺典型设备，完全可以将一个零部件的加工全部工序集中在一台设备或者一个加工岛之中，不需要转序。

2）立体仓库很受实施智能制造企业的青睐，实际上有立体仓库的存在，就说明生产计划存在不同步、份合同不齐套的问题，有大量半成品库存和在制品，造成资金效率低下。其完全可以通过“以零件组织生产以订单组织装配”的生产组织方式，实现“零库存”的定制生产。

3）自动物流小车（AGV）在智能制造中的应用越来越广泛，确实起到了自动转运物料的作用，节省了大量的人力。但是，如果工艺布局和加工工艺设计完美，则完全可以减少或避免物料频繁转运。因此，首先应该在工艺策划上下功夫，在不得已的情况下采用AGV来连接产线实现自动化才是更好的选择。

4）从MES角度解决物料流动问题。MES是物流的需求端，也是物流在生产制造过程中的调度端。以总装倒拉为原则，通过MES中装配作业计划拉动配餐，配餐拉动物流，物流拉动仓储，实现总装+配餐+物流+仓储的联动作业模式。物流如果独立出来，则应该有一个物流调度系统，用来对MES需求端的需求进行响应和组织。

MES的正常运转离不开物料及物料的流动管理，虽然物料管理的进销存由ERP负责管理，但物料的流动需要由MES管理，负责管理物料从原材料仓库发料，下料房接料，加工成半成品，半成品入库、齐套、装配等生产过程及其存储、移转和消耗情况。

除了MES以外，物料都基于产出的BOM、工艺路线的规定路径流动。

5）从APS角度提高物料利用效率。物料的流动需要有序组织、有序流动才有效率。物流的产出取决于瓶颈的速度和产出，瓶颈的产出才是系统（工厂）的产出。在离散行业，APS用于解决多工序、多资源的优化调度问题，因此APS可以解决物料的高效流动问题。APS从设备能力作为切入点，通过设备能力和交期，进行作业的编排和组织，而对于物流因素的考虑有限。通过工厂建模技术，实现设备能力和物流能力一体化数字化建模，优化调度，对实现项目制造关键链和成本时间最小化，具有重要意义。

3.2.6 智能制造要保持流水线的效率

随着科学技术的迅速发展和社会经济的快速增长，制造业的竞争日益激烈，再加上消费者的需求变化日新月异，这给制造业带来了很大的机遇和挑战。对制造业而言，每个企业都面临着持续多变、不可预测的全球化市场竞争，为了在日益激烈的市场竞争中生存下去，企业必须快速适应市场的变化并做出相应的产品结构调整，高效率、低成本已成为当今制造企业生存和发展的基本保障。提高生产效率一直是企业追求的目标，效率提高，单位时间内生产的产品数量就增多，工人的收入也相应提高，且不会出现频繁加班的情况，更不会出现员工频繁辞职的情况，进而增加了员工对企业的满意度，从而使工作质量得到保证，并使企业的竞争力提高。

效率是衡量智能制造的重要指标，流水线针对单一产品的生产效率已经达到很高水准，那么在大规模定制的智能制造中面对每一个不同的零部件加工制造时，如何能实现流水线一样的生产效率是具有挑战性的，需要从多方面想办法。

1）流水线一般是针对单一零部件或产品连续高效的生产组织方式，其自动化程度很高，零部件或产品的一致性很好，质量相对容易控制。由于其是大批量生产，固定费用分摊比例较高，因此成本也相对较低。

2）流水线生产虽然解决了效率问题、质量问题、成本问题，但普遍存在效益不高的问题。其根本原因在于流水线生产不是以满足市场需求为出发点的，容易造成产能过剩、产品积压、供大于求，拉低了销售价格，导致市场竞争激烈，降低了企业的利润空间。

3）追求利润最大化虽然不是企业的唯一目的，但是没有利润的企业难以投入大量科研经费开展产品创新、管理创新，也难以持续健康发展。

4）智能制造是在满足市场需求的前提下开展大规模定制的，每一份订单都是以销定产，不存在供大于求，也不会有产品积压现象。制造的难度在于能否实现像流水线一样的生产效率、质量保证和成本控制，这是智能制造的难点之一，也是第四次产业革命如何利用新一代信息技术，通过“软硬兼施”实现产业变革的关键所在。

在柔性、定制的前提下要想提高流水线的生产效率，需要解决以下几个问题：

1）工位和人员设置要合理，实现人机效率最大化。各工位的工作量各不相同，有的工位工作量较小，而有的工位则较大，如果设置不合理，容易造成工作量多的员工心理上的不平衡，影响工作积极性，进而影响生产效率和产品质量。

2）薪酬设计要与智能制造的需求相适应。薪酬不合理，激励机制不健全，没有给员工带来合理的激励机制，员工工作就会没有积极性，每天安于现状，没有奋斗目标，进而影响企业整体智能制造的效率。

3）现场7S管理。5S是企业管理的基础，在智能制造条件下，5S更是必不可少。在此基础上还需要加上安全和效率，通过7S的实施，改善和提高企业形象，提高生产效率，改善零件在库周转率，减少故障，保证品质，确保安全生产，降低生产成本，改善员工精神面貌，使企业更具活力，缩短生产周期，确保交货。

4）实施生产线员工自检。在生产过程中员工自检要做到：①确认上道工序零部件的加工质量；②确认本工序加工的技术、工艺要求和加工质量；③确认交付到下道工序的完成品质量。

3.2.7 企业资源更是生产力

资源利用率如何体现在质量、成本、效率、效益上。企业资源包括了人（人力资源）、机（包括装备在内的所有固定资产）、料（包括物料在内的所有流动资产）、法（技术手段）、环（公司各项管理制度和质量保证体系）。人力资源的作用如何发挥、固定资产的作用如何发挥、流动资产的作用如何发挥、技术的作用如何发挥、管理制度和质量体系的作用如何发挥等问题要通过智能制造系统充分得到解决。