本帖最后由 defeng28 于 2021-10-10 16:42 編輯
摘要：本文從生產(chǎn)線本質(zhì)特征的角度分析了現(xiàn)有的以生產(chǎn)線為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，辯證地提出二維并行的制造系統(tǒng)--智能生產(chǎn)矩陣，并通過(guò)與生產(chǎn)線進(jìn)行對(duì)比，闡述智能生產(chǎn)矩陣的動(dòng)態(tài)配置工藝和工序、發(fā)散式發(fā)展的特點(diǎn)，以及其作為智能制造核心基礎(chǔ)的原理優(yōu)勢(shì)和顛覆性意義，并系統(tǒng)描述了以生產(chǎn)矩陣為基礎(chǔ)的智能制造系統(tǒng)的應(yīng)用需求和對(duì)社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的意義。
關(guān)鍵詞：生產(chǎn)矩陣，二維并行制造系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)配置，發(fā)散式發(fā)展，大規(guī)模定制，智能制造
引子：完全動(dòng)態(tài)配置的智能生產(chǎn)矩陣是智能制造和智慧生產(chǎn)的核心基礎(chǔ)，是真正意義上的百萬(wàn)機(jī)器人、犀牛制造、大生產(chǎn)體系，是實(shí)現(xiàn)“人為生產(chǎn)”向“生產(chǎn)為人”轉(zhuǎn)變的使能技術(shù)。由智能生產(chǎn)矩陣提煉出來(lái)的矩陣生產(chǎn)方式，亦將像豐田生產(chǎn)方式一樣深刻改變和深遠(yuǎn)影響社會(huì)生產(chǎn)組織模式。
生產(chǎn)線是現(xiàn)在普遍使用的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，其原理特征是一維串行的，工藝和工序靜態(tài)配置，并且，就某一條生產(chǎn)線而言，隨著功能的增加，其發(fā)展必然收斂于專用產(chǎn)線。由于生產(chǎn)線存在這些原理性特征，當(dāng)前的以大規(guī)模定制為發(fā)展方向的制造系統(tǒng)如果以生產(chǎn)線為基礎(chǔ)物理模型，在發(fā)展上很容易就會(huì)遇到一些無(wú)法解決的瓶頸和天花板的問(wèn)題。 生產(chǎn)線的一維串行原理，需要將生產(chǎn)的工藝和工序固化，將操作設(shè)備和工位固定，并按照生產(chǎn)流程順次執(zhí)行。這種靜態(tài)配置工藝和工序的生產(chǎn)組織方式導(dǎo)致生產(chǎn)線沒(méi)有柔性，或柔性不充分的問(wèn)題，一條生產(chǎn)線只能生產(chǎn)一種產(chǎn)品或有限的相似度極高的同類型產(chǎn)品。并且，同一條生產(chǎn)線上，在同等時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)不同工序非常困難，也并不現(xiàn)實(shí)，這就必然產(chǎn)生生產(chǎn)節(jié)拍的不平衡問(wèn)題。 生產(chǎn)線的效率和柔性始終是不可調(diào)和的矛盾，提升效率必然降低生產(chǎn)線的柔性，提高生產(chǎn)線的柔性又必然帶來(lái)效率的損失。 盡管我們?cè)趥鹘y(tǒng)生產(chǎn)線上通過(guò)配置更多的機(jī)器人和機(jī)器視覺(jué)等設(shè)備，以期提升產(chǎn)線的效率。但是，在實(shí)踐中，我們很快就發(fā)現(xiàn)這種效率的提升非常有限，遠(yuǎn)不是我們所需要的可持續(xù)的線性提升。 人工智能等先進(jìn)技術(shù)的融合度低，數(shù)據(jù)采集并處理后，很難反饋回產(chǎn)線以形成質(zhì)量控制和生產(chǎn)優(yōu)化的閉環(huán)，導(dǎo)致制造系統(tǒng)的智能化無(wú)法快速發(fā)展。 收斂式發(fā)展的特性使生產(chǎn)線最終必然成為一條只能生產(chǎn)一種產(chǎn)品的專用產(chǎn)線。如果企業(yè)要更換產(chǎn)品型號(hào)或生產(chǎn)全新的產(chǎn)品，就要對(duì)之前的產(chǎn)線做相應(yīng)的調(diào)整，耗費(fèi)企業(yè)資源和成本。更有甚者，當(dāng)出現(xiàn)產(chǎn)品的代級(jí)變化或品類變化，之前的產(chǎn)線很可能徹底不能用，比如生產(chǎn)功能手機(jī)的產(chǎn)線無(wú)法生產(chǎn)智能手機(jī)，這就嚴(yán)重阻礙了企業(yè)轉(zhuǎn)型。這些問(wèn)題是生產(chǎn)線的本質(zhì)特征造成的，只要使用生產(chǎn)線作為制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，相應(yīng)的就必然會(huì)存在這些問(wèn)題。 大規(guī)模定制是制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，需要相應(yīng)的制造系統(tǒng)充分柔性和冗余，能夠動(dòng)態(tài)配置工藝和工序，在發(fā)展方式上能夠線性提升產(chǎn)能和效率，并且這種提升不與柔性相互矛盾。應(yīng)用于單一型號(hào)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，傳統(tǒng)產(chǎn)線為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)確實(shí)有較高的效率。但對(duì)于大規(guī)模定制這一更智能化的制造需求，以產(chǎn)線為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)暴露出諸多在原理上無(wú)法解決的問(wèn)題。畢竟，百年前創(chuàng)造生產(chǎn)線的目的是為解決單一品種產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的問(wèn)題�，F(xiàn)在的需求發(fā)生了根本性的變化，百年前的解決方案還能解決今天的問(wèn)題嗎？ 生產(chǎn)線不是大規(guī)模定制這一類智能制造真正優(yōu)選的核心基礎(chǔ)。相應(yīng)的，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行再多的智能化，也無(wú)法從根本上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的“生產(chǎn)為人”的真智能目標(biāo)。 根據(jù)哲學(xué)的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律，既然存在生產(chǎn)線這種一維串行的、收斂式發(fā)展的、靜態(tài)配置的制造系統(tǒng)，必然存在與之相對(duì)的二維并行的制造系統(tǒng)，這種制造系統(tǒng)的特征是動(dòng)態(tài)配置工藝和工序，并且發(fā)散式發(fā)展。事實(shí)上，確實(shí)存在這樣的制造系統(tǒng)--生產(chǎn)矩陣。 生產(chǎn)矩陣，是指在矩陣軌道系統(tǒng)上設(shè)置關(guān)聯(lián)回路，基本單元機(jī)器人在關(guān)聯(lián)回路上通過(guò)運(yùn)動(dòng)耦合進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)機(jī)器人和物料通過(guò)運(yùn)動(dòng)耦合執(zhí)行工藝操作，完成產(chǎn)品生產(chǎn)的制造系統(tǒng)。 智能生產(chǎn)矩陣是在生產(chǎn)矩陣的基礎(chǔ)上，結(jié)合5G/6G通信、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，使生產(chǎn)制造系統(tǒng)通過(guò)自學(xué)習(xí)，自行組織生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)為人”的真智能。 生產(chǎn)矩陣是一種二維并行的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，具有充分柔性、充分冗余、完全動(dòng)態(tài)配置工藝和工序、發(fā)散式發(fā)展的本質(zhì)特征。從基本原理上解決以生產(chǎn)線為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)在發(fā)展中遇到的無(wú)法解決的問(wèn)題，生產(chǎn)矩陣是較之生產(chǎn)線更適合作為智能制造和智慧生產(chǎn)的核心基礎(chǔ)。
生產(chǎn)矩陣相對(duì)于生產(chǎn)線，并包含生產(chǎn)線。通過(guò)與生產(chǎn)線的特征進(jìn)行對(duì)比，可以更加明顯的看出以智能生產(chǎn)矩陣為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)的原理優(yōu)勢(shì)及其顛覆性意義。
1）智能生產(chǎn)矩陣是二維的生產(chǎn)制造系統(tǒng) 當(dāng)前廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)線在維度上是一維的線，根據(jù)所制造產(chǎn)品的工藝流程設(shè)置固定工位，以順次執(zhí)行相應(yīng)的工藝操作。一維生產(chǎn)線所處理的對(duì)象只能是固定的工藝流程，因?yàn)檫@根“線”不能“亂”。 智能生產(chǎn)矩陣是二維的制造系統(tǒng)。因?yàn)槎S可以設(shè)置回路，可以讓工藝設(shè)備和物料在設(shè)置好的關(guān)聯(lián)回路上無(wú)限循環(huán)的運(yùn)動(dòng)耦合以執(zhí)行工藝操作。這種運(yùn)動(dòng)耦合的處理對(duì)象除了包含常規(guī)的固定工藝流程外，還包括實(shí)時(shí)變化的工藝流程和更為廣義的“流”，即可以通過(guò)調(diào)整軌道矩陣相應(yīng)節(jié)點(diǎn)改變關(guān)聯(lián)回路，實(shí)現(xiàn)物料和工藝設(shè)備實(shí)時(shí)分流/合流，從而實(shí)時(shí)調(diào)整物料、工藝（工藝設(shè)備和工藝參數(shù)）和工序（工藝流程）。 二維的制造系統(tǒng)是并行生產(chǎn)的前提，是動(dòng)態(tài)配置的物理基礎(chǔ)。維度的提升從本質(zhì)上改變了制造系統(tǒng)的特性，也相應(yīng)的改變了生產(chǎn)組織方式，我們稱之為生產(chǎn)矩陣對(duì)生產(chǎn)線的“降維打擊”。
2）智能生產(chǎn)矩陣是并行生產(chǎn) 一維的生產(chǎn)線只能串行生產(chǎn)，物料在流水線上，完成第一個(gè)工序后才能接下去執(zhí)行第二個(gè)工序。必須順次執(zhí)行，不能調(diào)整先后順序。串行生產(chǎn)要求生產(chǎn)線全部建成后才能投產(chǎn)，其中的任何一個(gè)工位或設(shè)備未完成，都無(wú)法生產(chǎn)；同樣的，在生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中，如果有某一個(gè)工位或某一臺(tái)設(shè)備故障，整條產(chǎn)線都將無(wú)法工作。串行生產(chǎn)系統(tǒng)相當(dāng)于串聯(lián)電阻電路，每個(gè)電阻都有效，整個(gè)電路才可以實(shí)現(xiàn)功能。 智能生產(chǎn)矩陣是完全并行的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，這種并行不是兩條固定工位的生產(chǎn)線的并行，而是同一條路徑上的多個(gè)工藝“流”的并行，是某一時(shí)刻同時(shí)耦合的可重構(gòu)機(jī)器人所執(zhí)行的多個(gè)工藝操作。打個(gè)比方，生產(chǎn)線系統(tǒng)是一條路線上在某一時(shí)刻只能行駛一輛車，而且其行駛的過(guò)程中還不能執(zhí)行工藝操作，要等車行駛到固定工位，停下來(lái)后才能執(zhí)行操作，這個(gè)行駛的過(guò)程其實(shí)僅僅是物料輸送。而生產(chǎn)矩陣是一條路線上在某一時(shí)刻可以同時(shí)行駛多輛車，這多輛車在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中同時(shí)執(zhí)行工藝操作。矩陣的并行特征，為制造系統(tǒng)提供了充分冗余。并行生產(chǎn)可以讓制造企業(yè)根據(jù)投入和產(chǎn)出的需要更靈活的組織產(chǎn)品的部件或整機(jī)生產(chǎn)。生產(chǎn)矩陣這樣的并行制造系統(tǒng)相當(dāng)于并聯(lián)電阻電路，即使某一個(gè)電阻無(wú)效，整個(gè)電路仍然可以工作，當(dāng)然，并聯(lián)電阻電路的比喻并不能完全表達(dá)出矩陣這樣并行制造系統(tǒng)的特征。 廣義的并行生產(chǎn)，是在生產(chǎn)矩陣上同時(shí)執(zhí)行多個(gè)工藝操作“流”，也就是說(shuō)，在一個(gè)生產(chǎn)矩陣上可以同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)不同的組件，多個(gè)不同型號(hào)或品類的產(chǎn)品，這是生產(chǎn)矩陣較之生產(chǎn)線的顛覆性的改變，將生產(chǎn)線的效率-柔性矛盾，轉(zhuǎn)化為既提高產(chǎn)能又增加柔性，從原理上提升了制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力和生產(chǎn)效率。
3）智能生產(chǎn)矩陣的工藝操作在物料運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中執(zhí)行 生產(chǎn)線的工位是按工藝流程固定設(shè)置的。在生產(chǎn)線上，物料隨傳輸系統(tǒng)傳送至固定工位，并在工位上處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)才能進(jìn)行工藝操作。并且，目前看來(lái)，多數(shù)組裝性的工藝操作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于物料傳輸時(shí)間。 智能生產(chǎn)矩陣沒(méi)有固定工位的概念，工藝操作是一組可重構(gòu)機(jī)器人在回路上與物料的運(yùn)動(dòng)耦合，這個(gè)耦合是在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中進(jìn)行的，也就是說(shuō)，機(jī)器人與物料在同步運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中相互之間執(zhí)行工藝操作。在生產(chǎn)矩陣上，物料從裝到托盤(pán)機(jī)器人上開(kāi)始“流動(dòng)”，在流動(dòng)的過(guò)程中，完成多個(gè)所需的工藝操作，在這期間不停車，從矩陣上出來(lái)就是制成品。多個(gè)不同類型的工藝耦合可以同時(shí)在生產(chǎn)矩陣的閉合回路上無(wú)限循環(huán)的執(zhí)行，多個(gè)工藝耦合的先后順序（工序）也可以在矩陣上進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。工藝和工序的調(diào)整不需要任何停機(jī)，只是執(zhí)行智能生產(chǎn)矩陣軟件的指令而已。 在生產(chǎn)矩陣上，所有工藝操作隨物料的傳輸流動(dòng)就已經(jīng)完成了。這一功能極大的縮短了物料在工序之間傳輸?shù)臅r(shí)間，這對(duì)制造系統(tǒng)在產(chǎn)能效率方面是根本性的提升，這也是豐田公司大野耐一的“連續(xù)單件流”夢(mèng)想的客觀實(shí)現(xiàn)。
4）智能生產(chǎn)矩陣是動(dòng)態(tài)配置的生產(chǎn)系統(tǒng) 生產(chǎn)線布置取決于所要生產(chǎn)的產(chǎn)品的工藝流程，也就是說(shuō)，產(chǎn)品的工藝流程確定了，相應(yīng)的生產(chǎn)線就確定了。如果要調(diào)整一下工藝流程，或者調(diào)整某一個(gè)工藝參數(shù)，則需要將整個(gè)生產(chǎn)線停機(jī)，對(duì)相應(yīng)固定工位上的工藝設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，再重新調(diào)試生產(chǎn)線后才能生產(chǎn)。生產(chǎn)線的操作工位，工序和工藝都是固定的，這是生產(chǎn)線的靜態(tài)配置的本質(zhì)特征。生產(chǎn)線不具有動(dòng)態(tài)配置的特征。生產(chǎn)線的物料流動(dòng)只是按工序分配物料，不是動(dòng)態(tài)配置。 動(dòng)態(tài)配置，配置的對(duì)象是物料、工藝和工序；動(dòng)態(tài)的衡量指標(biāo)是實(shí)時(shí)性。 智能生產(chǎn)矩陣的工藝操作是多個(gè)“流”的耦合，耦合的物理對(duì)象是工藝設(shè)備和物料，耦合的時(shí)間和路徑是工藝參數(shù)，耦合的先后順序是工序。對(duì)于運(yùn)動(dòng)耦合的物料、工藝設(shè)備、工藝和工序參數(shù)，都可以通過(guò)智能生產(chǎn)矩陣軟件在設(shè)備正常運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，而不需要任何停機(jī)。這種完全動(dòng)態(tài)配置的特征是生產(chǎn)矩陣所特有的，也是生產(chǎn)矩陣對(duì)生產(chǎn)線在原理上的顛覆。同時(shí)，我們可以明顯的看到，動(dòng)態(tài)配置是軟件化制造的基礎(chǔ)前提。
5）智能生產(chǎn)矩陣是發(fā)散發(fā)展的制造系統(tǒng) 生產(chǎn)線的功能隨產(chǎn)品加工的工藝和工序而定，并且固化。本質(zhì)上，生產(chǎn)線隨著其功能的增加和固化而收斂于專用制造系統(tǒng)，也就是常說(shuō)的”專線“，這種發(fā)展方式是收斂式發(fā)展。收斂式發(fā)展是一種不可持續(xù)的發(fā)展方式。收斂式發(fā)展的制造系統(tǒng)存在的問(wèn)題是，一方面，在設(shè)計(jì)時(shí)就有明確的產(chǎn)能和柔性的天花板，到了天花板，即使再多投入也無(wú)法提高產(chǎn)能和增加柔性；另一方面，收斂式發(fā)展的制造系統(tǒng)，在產(chǎn)品換型或更換產(chǎn)品品類時(shí)，原有產(chǎn)線仍可繼續(xù)使用的部分較少，調(diào)整周期長(zhǎng)，浪費(fèi)多，成本高。 智能生產(chǎn)矩陣的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)備和工藝功能設(shè)備都是極度單元化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的可重構(gòu)機(jī)器人，換型或換產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)可以隨時(shí)隨需的通過(guò)運(yùn)動(dòng)耦合進(jìn)行重構(gòu)，用時(shí)組裝，不用時(shí)拆分入庫(kù)，這種發(fā)展方式是發(fā)散式發(fā)展。發(fā)散式發(fā)展是一種可持續(xù)增長(zhǎng)的發(fā)展方式。發(fā)散式發(fā)展給制造企業(yè)提供了持續(xù)線性投入的發(fā)展模式，即：很少投入即可開(kāi)始產(chǎn)出，持續(xù)投入獲得持續(xù)增長(zhǎng)的產(chǎn)出；而不是像生產(chǎn)線，需要一次性完成全部投入才能生產(chǎn)。最主要的，當(dāng)企業(yè)需要轉(zhuǎn)型改做其它產(chǎn)品時(shí)，智能生產(chǎn)矩陣除了極少的工裝治具需要適量調(diào)整外，可重構(gòu)機(jī)器人和矩陣軌道系統(tǒng)都不改變，工藝和工序都在軟件里調(diào)整。而生產(chǎn)線，往往是整條線改造，或者整條線作廢，這是多大的浪費(fèi)呀？
智能生產(chǎn)矩陣較之現(xiàn)有的生產(chǎn)線，既是技術(shù)和產(chǎn)品的代級(jí)的發(fā)展，也是原理和邏輯的根本性改變。在當(dāng)前普遍應(yīng)用生產(chǎn)線的行業(yè)背景下，對(duì)生產(chǎn)矩陣的研究還非常少。但是，生產(chǎn)線在智能制造中暴露出來(lái)的問(wèn)題逐漸尖銳，智能制造對(duì)更加普適的核心基礎(chǔ)的需求更為強(qiáng)烈，問(wèn)題帶來(lái)需求，這是刺激生產(chǎn)矩陣基礎(chǔ)理論更深入研究和系統(tǒng)產(chǎn)品更快速實(shí)現(xiàn)的契機(jī)。 與生產(chǎn)線類似，生產(chǎn)矩陣自身就是一個(gè)龐大的行業(yè)和市場(chǎng)，并且具有所有工業(yè)普遍應(yīng)用的基本特征。智能生產(chǎn)矩陣原理上的優(yōu)勢(shì)為其在大規(guī)模定制的智能制造和智慧生產(chǎn)方面的應(yīng)用展現(xiàn)出壯麗藍(lán)圖。
1）智能生產(chǎn)矩陣充分柔性、充分冗余、并行生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)換型、不停機(jī)換產(chǎn)品、多種類型產(chǎn)品穿插生產(chǎn)，單件與批量無(wú)生產(chǎn)成本差異、單件與批量無(wú)交付時(shí)間差異。 2）真正軟件化制造。智能生產(chǎn)矩陣具有完全動(dòng)態(tài)配置物料、工藝和工序的基本特征，產(chǎn)品換型和所有工藝工序調(diào)整只通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)矩陣上完全不需要操作人員，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、黑燈工廠、無(wú)人工廠。
3）基于5G/6G通信技術(shù)，融合人工智能，真正自學(xué)習(xí)、自組織的生產(chǎn)制造系統(tǒng)。人的作用，用戶提出產(chǎn)品需求，管理人員制定生產(chǎn)規(guī)則，如何組織生產(chǎn)完全交由矩陣完成，真正實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)為人”，而不是現(xiàn)在的“人為生產(chǎn)”。
智能生產(chǎn)矩陣是真正意義上的百萬(wàn)機(jī)器人、犀牛制造、大生產(chǎn)體系和智能制造平臺(tái)；發(fā)散式發(fā)展的制造系統(tǒng)更深遠(yuǎn)的影響社會(huì)生產(chǎn)。智能生產(chǎn)矩陣上升為與豐田生產(chǎn)方式相對(duì)應(yīng)的矩陣生產(chǎn)方式，以更智慧的生產(chǎn)制造體系改變社會(huì)生產(chǎn)組織模式。
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發(fā)表于 2021-10-10 16:37:13
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