习主席在十九大报告中讲加快建设制造强国,加快发展先进制造业。但是发展制造业一定会对国家的资源和环境造成重大的影响。如何既要绿水青山,又要金山银山呢?这是一个世界性难题。

未来的生产模式

如何破解呢?首先我们一起思考:未来的产品的生产模式是什么。应该分为三种:原来传统的单件大批量,后来的多件小批量,再到单件个性化的定制。当然个性化的定制是最困难的。 

图1:未来三种生产模式

我认为在今后几十年内三种生产方式并存,单件定制重点是解决不确定性,尤其是复杂产品的不确定性,个性化订制解决了,多件和大批量生产方式都简单了。如何解决个性化订制:简单说就是用软件来解决复杂产品的不确定性问题。这就是智能制造的思维逻辑。

这就和美国国防部2011年提出的AVM(航空航天运载器自适应制造)计划异曲同工。AVM计划源自对卫星产业的思考。一年发射100颗火箭已经不得了了。每个卫星都不一样。北斗卫星发完之后每个都在修改,北斗36颗卫星是最多卫星的定位与导航系统。相比而言,一个车企一年生产几百万辆汽车,飞机生产几百架。因此,航天个性化程度很高,难以形成产业。

每个卫星不一样,如何解决快速生产和经济性问题?美国国防部推出AVM计划,就是考虑“只换软件不换硬装备”,也就是同一条生产线从设计研发到工艺到制造生产,可以用不换生产线设备和工装夹具,只换软件的方法来解决不同产品的制造问题。这是一个非常具有挑战性的难题。

智能制造提出的挑战

广义而论,智能制造是一个大概念,是先进制造技术与先进信息技术的深度融合,也是一个不断演进的过程和大系统。工程院提出来三个范式:第一个是数字化,数字化+网络化纳入第二代智能制造,新一代智能制造则是数字化、网络化、智能化。 

图2:工程院的智能制造三个范式

这里有一个重要的概念就是CPS (Cyber-Physical-Systems)。Cyber不是信息,Cyber可以翻译成赛博,可以翻译成智能,但是翻译成“信息”却不太准确。美国人2006年定义的CPS中,赛博是一个虚拟空间,是一个数字虚体。但是,赛博由谁定义呢?只能由人定义。有了智能的意识人体,创建了数学和物理方法、化学方法,发明了电脑,开发了软件,才可以把物理实体建模建成数字虚体。

既然是范式变化,智能制造势必会带来重大挑战,促使既有模式的重大转变。这需要首先了解传统的产品研制的四阶段。

第一步是方案阶段,从产品策划、需求分析到方案设计,方案设计阶段一定是做了多种方案,再评价、优选、确认出来一种进入工程研制阶段。 

图3:设计制造四个阶段

进入第二个阶段的工程研制。就是初步设计、详细设计、试制、实验测试,反复迭代;直至完成设计定型和生产定型。然后进入第三个阶段,就是开始批产和批量交付;交付完之后进入第四个阶段:运行维护维修和回收报废。

这是传统的产品研制流程。那么面向未来的制造,未来产品研发的四个阶段会不会变化?如果采用全新的数字化、网络化、智能化研制方式,不变的智能要素是什么,变化的智能要素是什么,这些要素如何变化,都成为关键要思考的。

设计、制造、试验,一直被认为是制造业三大关键技术。 

图4:制造三大技术

但在赛博世界中要怎么办呢?那就需要数字模型一通到底,单一数据模型一直走到底,从方案论证模型、数字模型、初步设计,后面全要用,工艺制造全要用,到实验全要用。这个阶段被全部打通了,打通之后带来的智能要素哪些要转变?这是整个生产组织结构的变化。 

图5:Cyber空间的引入

在赛博空间中做反复的虚拟迭代设计,在CYBER空间中完成产品方案、产品设计、工艺、装配、试验等工作,不仅内部多作业、多学科迭代复杂,外部迭代更复杂、更多。拿国内某飞机的研制为例,有900多家直接参研单位,配套单位数千家,直接参加结构研制的企业就有将近200家。在整个赛博空间工作的工程师估计会超过四万人。这就是非常复杂的协同制造。在这个过程中,在虚拟空间中,完成设计、仿真、工艺、制造、试验,反复迭代来不断发现问题,解决问题。

没有问题后,首先映射到生产过程中,过去是手工生产线,现在要建成数字化生产线,未来还要建成智能化生产线。这一切都是从赛博空间到物理空间的映射结果。 

图6: 设计与制造的映射

当然。也要映射到试验过程中去。这个映射关系也非常重要。传统的实验过程,过去是每件必试;今天有了虚拟的原型,可以做大量的CAE仿真分析(CAE软件在全球可能有成千甚至上万个,结构的静力、动力、强度、疲劳、光学分析、声学分析、震动分析、电磁场等的复杂计算分析,都可以做仿真)。

传统制造模式中,每个都要做实验的;而现在进行验证型的实验,将会减少很多。整个飞机研制进度和研制质量,都会有质的提高。

智能制造的五个分工

智能制造新技术新要素,出现很多新的内容,主要体现在五个不同的分工。 

图7:智能要素的五分工

第一个人机分工。既有机器也有电脑,智能化的机器,这个人类和机器的分工始终在演进和变化。

第二个虚实分工。就是CPS,哪些是虚的(CYBER空间),哪些必须实体验证(物理空间)的,这个也是动态演进的过程。

第三个黑白分工,黑是指的复合材料,橡胶、编制材料等,白指的传统材料如金属,而未来的黑材料可能会用的越来越多,而且环保价格低。

第四个加减分工,也就是增材制造和减材制造。

最后一个制服分工,智能制造的一个重要概念,有些企业是从生产型企业转型为生产服务型企业;而另外一些企业是从服务型企业转型为生产服务型企业,制造和服务动态调整的分工怎么调整,也一个是动态演进的过程。

未来15年后的先进制造业是什么?可以看成是“时空人机一体化”:不分时间,不分空间,不管什么人和设备都能干出来,对人的要求和设备要求低了。不管任何时间,空间不论在火星还是月球、太空飞船上还是深海的潜艇上都可以制造出来。也是动态演进的过程。

随时制造、随地制造,不随人和设备的制造,这个构成智能制造的需求。 

图8:智能制造的核心

面向循环的制造

对中国的资源和环境而言,还有一个很重要的问题,在智能制造的大背景下,绿色设计、绿色制造该怎么做?

创新从设计开始,不妨可以借鉴既有的面向制造的设计(DFM)、面向装配设计(DFA),提出一个面向循环制造生产设计DFR(DESIGN FOR RECYCLE)。 

图9:面向循环的制造

数字化产品研制的绿色生产循环系统,从需求产品策划到方案设计、试验、试制、批产、交互、运行维护,比如说造电动汽车,中国制造电动汽车,几种底盘、几种模板,要报废的拆开之后,有些是报废的,有些回收再生产,可以继续进入生产环节。这样,报废的汽车、报废的自行车,都可以提前进入可回收的系统规划中。以后的生产,可以变成一个绿色的生产再循环系统。

实际上,世界已经行动起来。福特的孙子在2012年决定投资20亿美元,重塑福特时代经典的胭脂河旧工厂的时候,就雇佣了最为顶级的生态设计概念的建筑师,建立了面向友好环境的工厂。而西门子在2015年4月,跟ThinkStep合作,实现了材料全生命周期的管理,目的就是简化材料驱动的产品设计过程;能够把设计、工程、分析、合规和制造连接到一个单一的材料信息源,从而帮助提升产品性能和可靠性。在2017年底,Epson的办公用纸循环机已经开始运转起来,送进废纸,吐出新纸。

可循环的制造对中国,是一个巨大的机遇。如果能将这个循环系统和赛博这种研发体系关联起来,那么,就可以建立中国的自主的制造业的绿色生态系统。