趙　巍

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工業(yè)4.0在汽車制造業(yè)中的應用前景

趙巍

上海市機電設計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、機器人、智能物流、數字化模擬仿真、生產鏈信息、輔助系統(tǒng)等方面論述了工業(yè)4.0在汽車制造業(yè)中的應用前景，介紹了工業(yè)4.0為汽車制造業(yè)帶來的競爭優(yōu)勢。

工業(yè)； 新技術； 汽車工業(yè)； 制造； 應用； 發(fā)展

近年來，全球制造業(yè)面臨轉型升級和可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，進而催生出工業(yè)4.0。不同于勞動力老齡化社會下的傳統(tǒng)生產模式，工業(yè)4.0基于對制造業(yè)前景的預測，呈現出以CPS(Cyber-physical System， Cyber為Cybernetics的字根)為核心，引領第四次工業(yè)革命的全新生產體系。當然，工業(yè)4.0目前還處于發(fā)展的初級階段。

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

1　工業(yè)4.0概述

工業(yè)1.0即機械化，以蒸汽機為標志，用蒸汽動力取代人力驅動機器，由此，手工業(yè)從農業(yè)中分離出來，正式進化為工業(yè)。

工業(yè)2.0即電氣化，以電力的廣泛應用為標志，用電力驅動機器取代蒸汽動力，由此，零部件生產與產品裝配實現分工，工業(yè)進入大規(guī)模生產時代。

工業(yè)3.0即自動化，以可編程序控制器(PLC)和計算機的應用為標志，由此，機器不但接管了人的大部分體力勞動，而且也接管了一部分腦力勞動，工業(yè)生產能力超越人類的消費能力，社會進入產能過剩時代。

工業(yè)4.0是最新的變革，變革的支撐來源于機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)產品和服務的全面交叉滲透[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，汽車的設計越來越個性化，消費者更容易買到自己所喜歡的配置和車型，生產商更容易實現庫存量最小化。此外，對于生產商來說，工業(yè)4.0之下的智能生產可以更好地控制生產，減少浪費，提高效率。

2.1智能工廠

對信息物理融合系統(tǒng)中的信息與通信進行整合，進而形成一種網絡空間虛擬系統(tǒng)——CPPS(Cyber-person-physical System)，這便意味著智能工廠的誕生。信息物理融合生產系統(tǒng)的目標是建立普遍適用于整個生產周期的普適程序鏈，以實現生產靈活性與效率的雙重提升。未來，CPPS設計的目標是工廠的個人、技術和組織形成一個有機的整體。

2.2沉浸式虛擬工廠

在沉浸式虛擬工廠中，智能設備(智能載物工具、無人駕駛運輸工具等)在生產系統(tǒng)中將擔任自主角色，與機器、工人及包括生產控制技術在內的其它系統(tǒng)組成部分進行交流，以一個自主的非人工生產要素完成任務，并參與控制生產流程。

2.3機器人

工業(yè)機器人在整車制造中的應用已經十分成熟，越來越多的工業(yè)機器人在更廣泛的領域應用正成為趨勢。通過機器人這樣高水平的自動化設備，可以簡化生產，降低成本，并提高產品質量。

目前，工業(yè)機器人大大降低了勞動力成本，提高了生產效率，在生產過程中取代人工操作的同時，又為整線縮短長度打下了基礎。目前，在汽車裝配生產的全過程中，通過各種自動升降機、移載機和自動鎖緊裝置，可以完全實現車身輸送的自動化。在裝配工藝和設備方面，機器人自動化和智能化程度也在不斷提高。當前世界主要國家每萬名產業(yè)工人所擁有的工業(yè)機器人數量見表1。

表1　每萬名產業(yè)工人所擁有的工業(yè)機器人數量

2.4智能物流

工業(yè)4.0融合了機械、電子、信息學的新技術，應用于工業(yè)領域，除了狹義上的生產技術以外，還包括廣義上的生產物流。實現智能物流也是未來工業(yè)4.0的重點應用成果之一，其目的在于： 簡化設備使用；減少安裝消耗及降低復雜度；顯著提高運輸車輛的智能與自主能力，使車輛可以自我調節(jié)以適應周圍環(huán)境。

對于大規(guī)模生產而言，智能化數據技術提供整條供應鏈的實時信息，中轉過程中一旦出現問題，各自的零部件供應單元立即予以回應，這種響應功能提高了全球供應網絡的透明度，并優(yōu)化了供應鏈的構架。寶馬公司目前已經在個別工廠中實現了供應鏈的實時信息傳遞。

2.5模擬仿真和數字化

在線測量技術和數據庫的使用有助于大幅度提高生產過程中的效率，特別是運用三維掃描儀、高分辨率數碼照相機等測量設備，引入三維生產數據庫，不需要圖紙和人工記錄，就可以直接模擬和評估，相比傳統(tǒng)人工操作有顯著優(yōu)勢。例如，通過特殊的三維掃描儀和高分辨率數碼照相機，勞斯萊斯的古德伍德工廠僅需周末2d就能完成測量工作，而且測量精度可以達到2mm級別。同時，該工廠還建立了三維生產設備數據庫，紙質圖紙和耗時費力的現場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，三維數據庫都能夠直接模擬和評估，這是傳統(tǒng)技術所無法取得的功能。

2.6生產鏈信息

利用自動化數據分析技術，可以使生產質量和效率取得重大提升，實現最優(yōu)生產過程。特別是在工廠零部件供給流程和元器件生產過程中，網絡化數據能夠保障商品流動的透明度，并可以提供部件質量的具體信息。在寶馬丁格爾芬和蘭茨胡特工廠應用了最新的數據矩陣編碼，可以記錄和識別寶馬7系碳纖維部件的整個生產過程。除此之外，還可以利用能被攝像頭所識別的條形碼儲存生產鏈信息。

2.7互相關聯(lián)的輔助系統(tǒng)

利用智能手表、手環(huán)、APP等最新技術，實現自動發(fā)光、振動、提醒、警報等功能，可以在最大程度上簡化原本較為復雜的工藝。寶馬慕尼黑和萊比錫工廠進行了一個試點項目，用于測試智能手表在汽車生產中的應用。當流水線上正在接近的車輛有特殊配置要求時，通過智能手表自動提醒裝配工人，手表顯示器發(fā)出光亮，振動警報也同時被激活，這樣，工人就會注意下一個工藝流程的重點和差異。

3　工業(yè)4.0為汽車制造業(yè)帶來的競爭優(yōu)勢

雖然當前離工業(yè)4.0還有很長的路要走，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)帶來強大的競爭優(yōu)勢，具體體現如圖1所示。

圖1　工業(yè)4.0為汽車制造業(yè)帶來的競爭優(yōu)勢

4　結束語

在工業(yè)4.0時代，智能工廠將取代傳統(tǒng)的生產設備，并生產出智能產品。通往工業(yè)4.0的過程中伴隨著循序漸進的人機相互學習，許多基礎技術需要進一步發(fā)展，現存的制造業(yè)基礎設施也需要適應工業(yè)4.0時代的要求。從現有生產模式到工業(yè)4.0的轉變，將影響從設計生產到銷售售后的汽車工業(yè)

全過程，每一位從業(yè)者都應做好準備，迎接工業(yè)4.0的到來。

[1] 波特霍夫，哈特曼.工業(yè)4.0(實踐版)： 開啟未來工業(yè)的新模式、新策略和新思維[M].劉欣,譯.北京： 機械工業(yè)出版社，2015.

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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，學士，高級工程師，主要從事工程設計與研究工作，

E-mail： simee_zw@mail.simee.net

TM-9；U466

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