盛振湘
智能制造作為“新制造”的一種發(fā)展方向[1],在制造業(yè)引來了越來越多的爭議,有人反對,有人懷疑,有人觀望,有人贊同。隨著規(guī)?;圃鞄淼奈镔Y豐富和產(chǎn)能過剩,借助互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的推動,引發(fā)了人們對多樣化按需定制愿望的追求,制造不能再只按制造商自己的方便有什么賣什么了,而是要按用戶的需求去生產(chǎn)產(chǎn)品,智能制造對傳統(tǒng)制造業(yè)的沖擊已經(jīng)來臨。林業(yè)和林業(yè)裝備企業(yè)如何適應(yīng)“新制造”的發(fā)展、林業(yè)生產(chǎn)及裝備智能制造的路徑與突破口在哪?這些問題已經(jīng)擺在了我們的面前,需要我們面對和探索。
智能制造具體體現(xiàn)在兩個方面。一是智能生產(chǎn),主要通過構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布主生產(chǎn)設(shè)施,或開展流程化與生產(chǎn)線方式作業(yè),實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化;二是智能產(chǎn)品,主要通過嵌入感知元器件與裝置和集聚信息化技術(shù),使產(chǎn)品具備智能化功能。林業(yè)生產(chǎn)中的家具制造和人造板制造以及制材生產(chǎn)屬于生產(chǎn)線制造產(chǎn)品范疇,智能化的發(fā)展方向是智能生產(chǎn);而營林和采伐裝備制造,目前是單機少批量生產(chǎn)開發(fā)多功能單元設(shè)備,需要生產(chǎn)出具備智慧功能的智能產(chǎn)品,以滿足其智能化應(yīng)用的需求。另外,將來的智能化家具將是我們追求的智能產(chǎn)品,它的生產(chǎn)過程還要具備智能生產(chǎn)功能。
智能制造在具體實施中包括三個方面的集成:橫向、縱向和首尾相連集成應(yīng)用。所謂的橫向集成,就是公司各個部門之間和各分廠之間,大到行業(yè)之間的信息都要關(guān)聯(lián)互通,構(gòu)成信息網(wǎng)絡(luò);所謂的縱向集成,就是從領(lǐng)導(dǎo)層一直到生產(chǎn)層都必須建立信息化的管理環(huán)境(如圖1),形成信息間的無縫貫通[2];而首尾相連集成就是從產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)到用戶的使用形成一個產(chǎn)品生命全周期管理的完整有機的信息系統(tǒng)。三個集成首先要開展縱向集成,只有建立好縱向集成后,生產(chǎn)過程才具備智能化的基礎(chǔ)。所以,智能生產(chǎn)一般從建立縱向集成開始。
圖1 智能控制縱向集成管理系統(tǒng)Fig.1 Intelligent control vertical integrated management system
由于產(chǎn)品制造工藝過程的差異,生產(chǎn)過程形成了三種類型制造方式:離散型制造、流程型制造和規(guī)?;圃?,三種模式在智能生產(chǎn)建設(shè)的重點內(nèi)容均有所不同。
對于離散型制造而言,產(chǎn)品往往由多個零部件經(jīng)過一系列不連續(xù)的工序加工組織裝配完成,其生產(chǎn)過程包含著很多變化和不確定因素,在一定程度上增加了離散型制造的生產(chǎn)組織難度和配套復(fù)雜性。企業(yè)常常按照主要的加工工藝過程安排生產(chǎn)設(shè)備的位置,以使物料的傳輸距離最小。離散型制造企業(yè)具有多品種、小批量的特點,其工藝路線和設(shè)備的使用需快捷靈活。因此,離散型制造企業(yè)要更加重視提高精準制造、敏捷制造能力,其智能生產(chǎn)建設(shè)的重點是加工單元設(shè)備智能化和物料配送智能化。對林業(yè)行業(yè)而言,營林和采伐裝備和人造板及家具設(shè)備的制造等均屬于離散型制造。
流程型制造的特點是生產(chǎn)線式物料輸送,生產(chǎn)連續(xù)性強,流程要求規(guī)范,工藝過程適應(yīng)性好,產(chǎn)品生產(chǎn)和原料傳遞通暢。對于流程制造業(yè)而言,由于原材料在整個物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中進行的是物理化學(xué)過程,工藝參數(shù)需進行菜單化管理,而工序的連續(xù)性使得各工序間形成影響,即如果第一道工序的原料加工不符合工藝要求,就會影響第二道工序的質(zhì)量。因此,流程型制造業(yè)智能工廠建設(shè)的重點在于實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程的智能控制,即智能感知生產(chǎn)條件變化,自主決策系統(tǒng)控制指令,自動控制設(shè)備,在出現(xiàn)異常工況時,即時預(yù)測和進行自愈控制,排除異常、實現(xiàn)安全優(yōu)化運行;在此基礎(chǔ)上,智能感知物料流、能源流和信息流的狀況,自主學(xué)習(xí)和主動響應(yīng),實現(xiàn)自動決策。對林業(yè)行業(yè)而言,人造板生產(chǎn)的刨花板與纖維板生產(chǎn)線等均屬于流程型制造。
規(guī)?;圃斓闹攸c在于充分滿足消費者多元化需求的同時實現(xiàn)規(guī)格組合化生產(chǎn),側(cè)重通過互聯(lián)網(wǎng)平臺開展大規(guī)模個性定制模式制造。因此其智能制造建設(shè)模式為:推進個性化定制生產(chǎn),引入柔性化理念的生產(chǎn)線,搭建互聯(lián)網(wǎng)平臺,促進企業(yè)與用戶深度交互、廣泛征集需求,基于需求數(shù)據(jù)建模,開展標準化、系列化設(shè)計與生產(chǎn);通過推進網(wǎng)絡(luò)化虛擬設(shè)計,打通設(shè)計、生產(chǎn)、服務(wù)數(shù)據(jù)鏈,采用虛擬仿真技術(shù)展現(xiàn)用戶體驗與需求。未來的發(fā)展方向是推進制造網(wǎng)絡(luò)協(xié)同化,變革傳統(tǒng)垂直組織模式,以扁平化、虛擬化新型制造平臺為紐帶集聚產(chǎn)業(yè)鏈上下游資源,發(fā)展遠程定制、異地設(shè)計、當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造新模式。對林業(yè)行業(yè)而言,板式家具生產(chǎn)屬于規(guī)模化制造,當(dāng)前的發(fā)展勢頭良好。
智能制造的發(fā)展進程可分為九個層次(見圖2),它是傳統(tǒng)制造數(shù)字化與信息化技術(shù)不斷深度融合的過程,也是軟件系統(tǒng)重新定義世界的過程。第一步,首先要完成傳統(tǒng)制造業(yè)零部件生產(chǎn)和工藝過程的模塊化(包括標準化和系列化),這是智能制造的基礎(chǔ),現(xiàn)在一般討論智能制造,都往往忽略這一至關(guān)重要的一層;在完成模塊化以后,要進行制造的數(shù)字化和信息化提升,也就是通常說的“兩化融合”,還要在數(shù)字化與信息化之間對接形成無縫關(guān)聯(lián),變成網(wǎng)絡(luò)化,通過網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)以后,才能完成智能制造的基礎(chǔ)建設(shè)。因此,不能在落后的工業(yè)基礎(chǔ)上搞自動化,不能在落后的管理基礎(chǔ)上搞信息化,不能在沒有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上搞智能制造。真正的智能制造是在廣域的互聯(lián)網(wǎng)+平臺開發(fā)建設(shè)好以后,才能開展設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)全方位、全流程的智能制造。智能制造的更高層次為:大數(shù)據(jù)云工廠、跨界擴展及虛擬物理多元化。由此看出,智能制造任重道遠,發(fā)展需要基礎(chǔ)和時間。
圖2 智能制造發(fā)展進程的九個層次Fig.2 Nine levels of the intelligent manufacturing development process
但是,互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展使傳統(tǒng)企業(yè)利用信息不對稱而產(chǎn)生利潤的機會越來越少,互聯(lián)網(wǎng)使用戶與用戶,用戶與廠商,可以低成本地實現(xiàn)聯(lián)接,并讓每個用戶的個性需求被放大,人們越來越喜歡個性化的東西;另一方面互聯(lián)網(wǎng)還使制造業(yè)能夠低成本地了解每一個客戶的需求,可以一改以往采用一刀切,把需求性能組合到一起做成綜合產(chǎn)品的方式,而改為個性化批量生產(chǎn)產(chǎn)品;互聯(lián)網(wǎng)還使產(chǎn)品的信息傳輸更快,一款賺錢的好產(chǎn)品,在很短的時間內(nèi),就能被別人改進提升,以往一款產(chǎn)品賣30年的做法已經(jīng)不行了,產(chǎn)品的生命周期大大縮短了,產(chǎn)能過剩的壓力越來越大。另一方面,互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字與信息技術(shù)的發(fā)展,生產(chǎn)線和產(chǎn)品制造過程,可以越來越方便采用精準的檢測傳感器控制產(chǎn)品生產(chǎn)精度,提高了生產(chǎn)質(zhì)量和自動化水平;互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字與信息技術(shù)的應(yīng)用,使制造商制造的定制化“特殊”產(chǎn)品和服務(wù)延伸還能產(chǎn)生更多的利潤。因此,逼迫著傳統(tǒng)制造業(yè)在做好產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上,必須走快速、小批量、定制化的智能生產(chǎn)之路,逼迫著傳統(tǒng)制造業(yè)要盡快在原有基礎(chǔ)上,盡快提升數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化水平,找好找準智能制造的突破口。
就林業(yè)生產(chǎn)裝備制造業(yè)而言,首先可以在具備自動化基礎(chǔ)的裝備上,應(yīng)用和嵌入數(shù)字、智能產(chǎn)品和系統(tǒng),提高生產(chǎn)裝備的智能化水平。下面筆者以人造板生產(chǎn)線設(shè)備為例,介紹一些數(shù)字智能新技術(shù)的應(yīng)用。
人造板生產(chǎn)的刨花板和纖維板生產(chǎn)線是具備了全流程連續(xù)生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)線,但在生產(chǎn)線的源頭木材原料進料一直處于通過汽車地磅計量加折算的方式統(tǒng)計進料量。常因木材含水率、腐朽木材、人為認定等因素影響計量的準確性;另外汽車地磅計量的統(tǒng)計還處于人工核算或簡單的計算機匯總狀態(tài),不能關(guān)聯(lián)進生產(chǎn)線信息系統(tǒng),對人造板生產(chǎn)線的數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的提升形成了障礙。
已經(jīng)開始應(yīng)用的木片/木頭自動量方收貨系統(tǒng),有效地解決了上述問題。系統(tǒng)通過激光掃描儀對車輛兩邊及頂部進行切片掃描,同時由行走機構(gòu)帶動激光掃描儀從一端切片掃描到另一端,從而形成整個車輛的三維模型點云;通過計算機軟件算法對點云進行過濾處理,得到車輛“干凈”的三維模型;計算機再計算出投影體積,從而得出整車木材的實際體積。量方后進入計算機實時報表系統(tǒng)再進行體積匯總、統(tǒng)計和結(jié)算,并可與生產(chǎn)線的信息系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。
人造板板面砂光后表面缺陷(主要是色差和壓痕、污斑)的高效檢測,一直是困擾管理者的一道難題,連續(xù)生產(chǎn)到檢板工序時,就變成了人工翻板分揀。一是需要大量的人工,質(zhì)量還受到人為因素的影響;二是要滿足高產(chǎn)量的生產(chǎn)線,需要很大面積的場地。
早期開發(fā)的在線拍照成像對比標準樣本識別技術(shù),因計算機很難在色差和壓痕、污斑的像素和灰度值上準確識別類似于人眼認定的好壞標準。因此系統(tǒng)運行時,調(diào)整的尺度很難把握,不是將好板當(dāng)壞板處理,就是將壞板當(dāng)好板歸類。
新的識別技術(shù)采用投影二維干涉波進行砂光板色差與粗糙度的評價。當(dāng)系統(tǒng)工作時,投影圖案發(fā)生器將二維莫爾條紋干涉波投影到移動的砂光板上,全畫幅圖像采集系統(tǒng)采集板面圖像,經(jīng)計算機帶FPGA(Field-Programmable Gate Array,即現(xiàn)場可編程門陣列)功能的圖像采集卡快速將圖像預(yù)處理后,進入圖像質(zhì)量分析系統(tǒng)進行好壞識別,引導(dǎo)后續(xù)設(shè)備分離出不合格板。該技術(shù)的識別原理:兩維莫爾條紋的亮點是按正弦波的規(guī)律分布,采集板面莫爾條紋圖像后,經(jīng)計算機換算成三維圖形(見圖3),通過識別后得到兩個參數(shù),一是正弦曲線的偏距k(見圖4),二是曲面的誤差分布帶δ(見圖5),這兩參數(shù)分別與表面色差和粗糙度相關(guān),當(dāng)系統(tǒng)工作時,參照人工認定調(diào)整k值和δ值的大小范圍,量化砂光板好壞評價標準值,進行表面質(zhì)量智能在線分選。
圖3 莫爾條紋三維圖形Fig.3 Moore striped 3D graphics
圖4 正弦曲線的偏距kFig.4 Sine curve offset k
圖5 曲面誤差分布帶δFig.5 The surface error distribution δ
以往的人造板板垛的覆膜打包一直是采用人工進行,在砂光在線缺陷分揀和柔性鋸切堆垛的基礎(chǔ)上,進行人造板板垛的自動纏膜打包,通過這一完美的連接,將實現(xiàn)真正意義上的人造板生產(chǎn)線全自動化運行。人造板板垛自動纏膜打包系統(tǒng)分為自動纏繞和自動捆扎兩部分,通過鏈式運輸機連成自動生產(chǎn)線。板垛在運送到纏繞系統(tǒng)工位后,通過帶機械手臂的自動護角裝置將紙護角定位放置到各設(shè)定位置,護角被檢測到位后,纏繞機開始運行,纏繞機的另一機械手臂開始對板垛進行多面纏繞,膜架的升、降和出膜速度變頻可調(diào)。完成的纏膜板垛包被依次送到自動捆扎系統(tǒng),捆扎機采用感應(yīng)傳感器確定捆扎位置,同時自動氣缸將墊方精準推送到捆扎位置,通過預(yù)先設(shè)定好打包程序,一一進行多道捆扎打包,穿帶、拉緊、焊接全過程一步完成。
自動纏膜打包系統(tǒng)提高了工廠的包裝及發(fā)貨效率,包裝扎實穩(wěn)定、平整美觀,能為企業(yè)節(jié)約大量的勞動力成本及包裝材料成本。
人造板連續(xù)壓機生產(chǎn)線基本具備了智能制造縱向集成的第一、二層的現(xiàn)場層和控制層的軟硬件條件,是最接近智能生產(chǎn)的林業(yè)行業(yè)的生產(chǎn)裝備。對連續(xù)壓機生產(chǎn)線進行智能化升級,需要做的工作主要為:
1)選擇生產(chǎn)管理系統(tǒng)中與連續(xù)壓機生產(chǎn)相適應(yīng)功能模塊與已經(jīng)運行的生產(chǎn)控制系統(tǒng)構(gòu)接成一個大系統(tǒng),形成無縫關(guān)聯(lián);
2)根據(jù)選用的生產(chǎn)管理系統(tǒng)相關(guān)功能模塊的要求,補充嵌入相關(guān)的第一、二層的應(yīng)用軟硬件,完善相關(guān)檢測、執(zhí)行功能;
3)由于連續(xù)壓機生產(chǎn)依據(jù)工藝菜單執(zhí)行生產(chǎn),為確保生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)不斷優(yōu)化,需在縱向集成的構(gòu)架系統(tǒng)中架接一個具備分析功能的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫能實現(xiàn)與管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)雙向互通,同時具備自學(xué)習(xí)、分析完善工藝參數(shù)的功能。圖6是連續(xù)壓機智能化提升的基本構(gòu)架流程圖[5]。
圖6 連續(xù)壓機智能化提升的基本構(gòu)架流程圖Fig.6 The flow chart of basic frame of continuous press intelligent promotion
為了簡潔實用,遵循按用戶訂單組織生產(chǎn)原則,剛運行的構(gòu)架可先選擇ERP(Enterprise Resource Planning,即企業(yè)資源計劃)和MES(Manufacturing Execution System,即制造執(zhí)行系統(tǒng))系統(tǒng)幾個基本實用的模塊實施;根據(jù)連續(xù)壓機生產(chǎn)特點,是以MES系統(tǒng)為主的管理控制模式,也可暫不構(gòu)架專門的ERP系統(tǒng),而是將相關(guān)計劃管理模塊配置到MES系統(tǒng)中,只采用一個擴大功能的MES系統(tǒng)與控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)開展工作。
板式家具的規(guī)?;a(chǎn),由于只是在板材幅面大小及打孔位置的二維空間上展開,使數(shù)據(jù)的運算量大大減少,適合快速推進智能化柔性生產(chǎn)的定制化制造。為此,林業(yè)行業(yè)的智能生產(chǎn)的第二個突破口是板式家具的定制化制造。
從智能制造縱向集成的角度來看,規(guī)?;ㄖ粕a(chǎn),生產(chǎn)計劃、銷售管理、財務(wù)成本等功能應(yīng)用較多。只針對板面尺寸和打孔位置的生產(chǎn)排產(chǎn)、物料管理、生產(chǎn)監(jiān)控等功能可以簡化。因此,板式家具定制化生產(chǎn)大都是基于ERP系統(tǒng)管理生產(chǎn)過程的模式運行。
關(guān)于板式家具打孔位置的作業(yè)目前有兩種方式在實施:一種是以CNC數(shù)控鉆床點位編程設(shè)定打孔位置尺寸,特點是柔性化功能強大,適用各種幅面制品作業(yè),但全自動定位的設(shè)備投資大,控制程序也復(fù)雜;另一種是歸類制定幾種標準幅面范圍尺寸規(guī)格,采用32 mm模數(shù)的倍數(shù)的多排鉆,選擇幾檔定距的位置尺寸打孔,特點是需根據(jù)工廠實際生產(chǎn)家具幅面的狀況,歸類制定企業(yè)板面尺寸類型標準實施生產(chǎn),其適應(yīng)范圍受到限制,但多排定距鉆的投資低,控制程序簡單。
多功能輪/鏈式林木聯(lián)合采育機是我國首次研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的集伐木、打枝、造材、歸楞等多項采伐作業(yè)功能于一體的自行式林業(yè)智能化裝備,不僅能夠自動化地完成伐木、打枝、造材、歸堆的任務(wù),同時對于重要的運行數(shù)據(jù)信息,可依托車載計算機和傳感器采集和存儲,包括:立地地理環(huán)境信息、立木地理信息、立木材積信息、林木產(chǎn)品信息等,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)采收過程的立木、木材信息的全面收集,同時也能為人工林的營林植苗撫育全環(huán)節(jié)提供環(huán)境信息、地理信息收集與處理。
整車裝備采用車載總線(CAN)控制技術(shù),基于車載計算機和車載嵌入式控制器集中控制和采集車載發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和通訊的信息,對電控發(fā)動機、電控變量液壓泵、電控比例電磁閥的精準控制,實現(xiàn)整機在間歇作業(yè)大功率輸出和不同地形通過性能達到高效節(jié)能。通過機電液集成設(shè)計,多功能林木采育機的機械臂和采伐頭實現(xiàn)了高度功能結(jié)構(gòu)集成,能夠原位抓緊立木并伐倒、造材、打枝并移動歸堆。通過測長和測徑傳感器,精準測量造材參數(shù),實時輸出原木采伐信息,同時可以利用車載定位裝置精準定位集材點,提高了人工林經(jīng)營管理水平。
該裝備將在智能化技術(shù)的應(yīng)用上進行進一步的拓展:
1)集群協(xié)調(diào)作業(yè),建立多功能聯(lián)合采育機與集材機以及輔助車輛的協(xié)調(diào)集群軟硬件系統(tǒng),以提高多機協(xié)同作業(yè)能力。
2)通過物聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)裝備的采伐信息與管理信息的實時通訊和集中式管理。對車輛作業(yè)狀況和生產(chǎn)效率進行及時掌控,并與無人機、地理信息管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理,防止出現(xiàn)安全事故,進一步提高機械作業(yè)效率。
3)采用激光、光學(xué)圖像、超聲波等非接觸式測量手段,精準測量立木位置、造材材積、扒皮質(zhì)量和含水率、空心率等質(zhì)量參數(shù),進一步提高測量的精準度,增加參數(shù)的種類。
4)基于傳感器、無線通訊和計算機的分布式控制系統(tǒng)技術(shù),實現(xiàn)對立木識別、車輛作業(yè)軌跡規(guī)劃、信息的自動采集與集成分析,開發(fā)高級輔助作業(yè)的數(shù)據(jù)庫,研發(fā)出針對無人化林木作業(yè)車輛作業(yè)與管理的智能化新技術(shù)。
智能制造是在傳統(tǒng)制造體系基礎(chǔ)上的提升與改進,不是推倒重來。智能制造也不是企業(yè)“皇帝的新衣”,它既要為用戶創(chuàng)造新價值與新體驗,也要為企業(yè)自身經(jīng)濟利益與服務(wù)能力的提升創(chuàng)造價值。因此,尋求企業(yè)智能制造的突破口,要在發(fā)揮傳統(tǒng)和已有優(yōu)勢的基礎(chǔ)上進行補充與提高,并且要因地制宜和量力而行,最終形成新的優(yōu)勢。通過分析企業(yè)的基礎(chǔ)與現(xiàn)狀,規(guī)劃制定好系統(tǒng)的頂層設(shè)計,才能使企業(yè)健康穩(wěn)步踏入智能制造的門檻。
致謝:由衷感謝濟南大學(xué)王玉增教授、北京林業(yè)大學(xué)黃青青老師在論文撰寫過程中提供相關(guān)產(chǎn)品信息。
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