淺析智能制造裝備的發展現狀與趨勢

楊文起

中國汽車工業工程有限公司 天津市 300113

目前，很多國家都出臺了相應的政策支持制造業發展，例如美國的“再工業化”計劃，德國的“工業4.0”計劃，日本智能制造的“新機器人戰略”計劃等。我國的《中國制造2025年》以及《智能制造發展規劃（2016-2020年）》等，都為智能制造提供支持與保障。與此同時，雙碳目標的提出，促使制造業朝向低碳化、節能化方向發展。智能制造集成了智能電網和多網融合等各類信息化技術，實現設計和生產以及銷售環節的聯通，通過全生命周期的管理，消除生產制造系統的浪費，達到資源能源循環利用，助力節能降耗。將綠色制造與智能制造相互結合，促進綠色+智能協同發展。

1 智能制造的裝備概述

智能制造裝備指的是具有感知功能、分析與推理能力、決策力、控制力的制造裝備，實現了制造技術和信息技術以及智能技術的集成，可體現制造業的智能化和數字化以及網絡化發展水平。從產業鏈的角度分析，涉及到機器人、增材設備制造以及重大成套設備制造等。

2 智能制造裝備的發展現狀分析

2.1 國外的智能制造裝備發展情況

根據國際市場研究機構發布的數據顯示，2020年全球智能制造市場規模將會達到2147億美元，預計到2025年會增加到3848億美元，期間年復合增長率大約為12.4%。從市場區域發展情況分析，預測期間內亞太地區的智能制造市場將會是增長率最高，中國智能制造裝備的需求不斷增加，并且經濟快速發展以及各類技術發展的鼓勵，將會促進智能制造的發展。在全球范圍內來看，預測期間內，美國和德國以及日本的前沿企業將會成為領先的智能制造解決方案提供商。

美國，美國是智能制造概念的發源地之一，其政府也是高度重視制造裝備的研發，認為智能制造能夠助力技術的領先。一直以來，美國不斷加大智能制造裝備的研究，并且推進很多項目，比如智能設計項目以及智能物流傳輸項目。從過去的一段時間分析，美國積極推動“智能處理系統”研究，涉及到動態優化設備生產系統和數控系統研發等，利用聰明加工系統，促進美國智能技術的研發。美國的3D Systems和思科以及通用電氣等，都是智能制造領域的領軍企業。日本的橫河電機和三菱公司等，也占據著國際市場。2019年，美國制定了未來工業發展規劃，將人工智能技術和先進制造業技術等列為推動美國繁榮和保護國家安全的四項技術。

日本，目前已經形成了以汽車及零配件、機床、機器人、電子電器為支撐的支柱產業。從智能制造的發展實際分析，集成利用物聯網技術和傳感器以及機器視覺等，并且圍繞產品提供延伸的解決方案。以川崎重工為例，研發的協作機器人能夠在一個空間內和人協作，具有靈活性優勢；再例如，牧野機床采用loT技術研發了ProNETConneX系統，能夠為客戶最優化停機時間，達到延長設備壽命的效果。在很多方面，日本的智能制造裝備都表現出優異的狀態，為其制造業的發展提供支持。

德國，德國也是制造業強國，2013年首次提出工業4.0戰略；2019年發布了《國家工業戰略2030》。根據麥肯錫2018年調研的報告顯示，800家企業中超過了70%的企業開始陷入了數字化轉型試點的困境，也就是簡單的小規模試點后難以實現全面轉型。對于此難題，行業者達成了共識，開始走規模化道路，創造更多的價值。在全球制造的領先16強中，5家來自于德資企業、3家為美資企業。美國和德國憑借自身的工業資源優勢與高質量生產能力，快速轉型發展。

2.2 國內的發展情況

智能制造裝備是先進制造技術和信息技術以及智能技術在裝備產品上的集成與融合，推動著制造業的智能化和數字化以及網絡化發展。根據德勤調查的數據顯示，國內工業企業智能制造5大部署為數字化工廠、設備與用戶價值深挖、工業物聯網、重構生態和商業模式、人工智能，占比分別為63%、63%、48%、36%、21%，從關注的技術情況分析，主要為工業軟件和傳感器技術以及人工智能等。根據工業和信息部、中國電子技術標準化研究院數據顯示，截至2020年12月，全國12000多家企業通過平臺開展智能制造能力成熟度自診斷，江蘇、浙江、山東、寧夏等省市對于智能制造高度重視，積極推動標準應用。表1整理了部分城市的智能制造試點情況。

表1 2020年部分省智能制造的試點情況

基于工業4.0智能制造背景，流水線工作的方式也出現了很大的變化。使用工業機器人，顯著提高了作業效率，同時出錯率更低，并且自動化生產能夠給企業帶來巨大的經濟效益。一般來說，流水線按照運輸方式進行細分，主要包括皮帶流水裝配線和插件線以及網帶線等，通常組成部分包括牽引件和承載構件以及驅動裝置等。在工業4.0的浪潮下，工業機器人的大量應用，將會使得對傳統流水線作業方式產生很大的變化，轉變了人工作業的模式。從當前的工業機器人應用情況分析，ABB為主流機器人，應用比較廣泛，若將其編程靈活運用，則其他的機器人系統運用也能夠更加便利。在邏輯思維方面，工業機器人的情況差異不大，不過也面臨很多難題。使用工業機器人，需要熟悉機器人坐標應用和圓弧指令以及邏輯控制語句應用等。隨著自動化水平的不斷提高，能夠為智能制造流水線的高效率運行和管理，提供更多的支持和保障，提高流水線作業的效率，保障工作的質量。

從工業機器人的發展情況分析，2020年的需求快速增加，根據國家統計局、工業和信息部發布的數據信息，2020年1-11月全國規模以上工業企業的工業機器人總產量為206851套，制造企業的收入額為453.3億元。在消費需求增加的影響下，工業機器人技術和產品快速發展。一方面，汽車工業對工業機器人的需求增加，應用行業也從汽車工業朝向通用工業繼續拓展延伸。根據統計的數據顯示，2020年機器人的需求增加主要來源于3C和新能源以及金屬機械等，需求總量超過60%。除此之外，工業機器人生廠商也在積極推動產品與醫療以及其他行業的融合，力求研發更多的新產品，促進工業機器人的發展。值得一提的是，機器人生產是被日本壟斷將近30年，被應用在工業生產的各個方面，很大程度上促進了日本的經濟發展。現如今，我國工業機器人實現逆襲，助力市場整體的工業化進程。工業機器人的構成包括操作機和控制器以及伺服驅動系統等，可以自動化控制以及重復變成，支持在三維空間內完成各類作業。

3 智能制造裝備的發展趨勢

3.1 綠色化

從智能制造裝備的應用和發展角度分析，環境保護始終是堅定不移的原則，促進裝備升級，必須要注重節能。一方面，提供智能制造裝備的智能化水平。另一方面，要提高節能環保水平，減少能源消耗。智能制造裝備的使用能夠滿足各行業生產的需求，同時也是各個行業進行轉型升級的重要保障。積極推廣使用高水平的智能制造裝備，輔助相關行業持續化發展，適應高標準和嚴要求。雙碳目標的提出，對制造業也提出了更高的要求，需要不斷的升級和優化，提高生產的能源使用水平，減少能源消耗和浪費。這對使用的智能制造裝備提出了更高的需求和要求，需要加大節能的研究力度，通過設備本身的節能或者輔助生產節能來實現具體的目標。

3.2 智能化

從當前的發展情況分析，中國智能制造核心裝備與核心軟件獲得重要突破，不過和發達國家相比，關鍵技術裝備相對薄弱，例如高檔數控機床和工業機器人以及增材制造裝備等。除此之外，數字化設計和制造等關鍵核心技術還需要提升，影響著智能制造的發展。目前，移動互聯網、大數據、云計算、物聯網、第五代移動通信（5G）、區塊鏈等新一代信息技術不斷取得突破，尤其是5G技術和AI技術。隨著5G技術的快速發展，中國智能制造加速，但5G+智能制造的發展還面臨很多挑戰。5G技術的領先企業-華為提出點亮1000座5G智慧工廠計劃，意在加速5G技術的應用。5G技術和云計算以及AI等的應用，雖然能夠促進制造企業智能化升級，不過還有很多工廠沒有實現數字化與智能化，因此加快5G基礎設施的部署與建設為重點任務。在實施方面主要面臨以下挑戰：（1）落地資金需求大。目前，推進5G建設的成本很高且周期長，以5G基站為例，投資為4G的1.5倍，全國總體投資規模大約為1.2萬億元，投資周期超過8年。除此之外，我國還處于4G建設的高峰期，雙網建設的成本壓力比較大，并且5G落地應用風險難以精準預估以及防范。從推動5G在智能制造行業的應用角度分析，需要政府、企業等共同努力，促使整個產業鏈建設高效化推進，利用技術+商業的方式，共同推動5G+智能制造的進一步發展。

3.3 人才需求大

智能制造裝備的發展需要人才力量的支持，當前我國此類人才匱乏。一方面，智能制造裝備對于人才素質要求比較高，既需要掌握先進技術的應用知識和相關技能，也需要對未來的智能制造有著一定的理解。另一方面，我國亟需的是智能制造工程技術人才。《智能制造領域人才需求預測報告》發布的數據顯示，2019年，智能制造從業人員（包括：工程技術人員、技能人員）數量為971.2萬人，預測到2025年，智能制造工程技術人員缺口數量將接近100萬人。在人才培養方面，需要加大職業人才的培養力度，同時需要注重研發人員的培養。通過不斷增加人才的儲備，為智能制造裝備的發展提供更多的堅實基礎。積極發揮高校的資源優勢，加大對智能制造相關領域人才的培養力度。圍繞當前學歷教育內容和實際崗位需求脫節的問題，以及在職教育體系需要完善的問題，積極優化和調整，加快人才的培養力度。通過整合高校、科研單位以及企業等多方力量的支持，推進智能制造裝備研發和相關人員的培養。

3.4 做好企業升級

從推進智能制造的發展角度來說，需要從企業入手。雖然當前制造業的發展狀態是東強西弱，但是很多東北的制造基地處于發展的落后狀態，難以跟進國際水平，需要進行升級與改造。以沈陽為例，為了能夠促進制造業升級轉型，圍繞5+3+7產業補鏈延鏈強鏈。通過提高龍頭企業本地配套率，促進制造業的規模擴大。對老字號企業進行改造升級，構建現代化水平較高的汽車整車生產體系，并且構建完善的零部件配套體系，重新塑造機床制造產業領先地位。加大新一代通用機械裝備產品的研發力度，力求發展一批新興重礦裝備，推動電力裝備應用創新。與此同時，關注新能源領域，加大對新能源產品的研究力度，推動智能網聯汽車產業發展，構建機器人產業創新生態圈，促進航空產業基礎設施和整機能力的提升。在推動智能制造產業發展的角度來說，積極部署現代化技術應用的基礎設施，例如5G基礎設施，滿足產業發展的需求。從江蘇的發展規劃分析，江蘇省提出龍頭骨干企業引領工程，通過對標世界智能制造領先水平，加大對行業龍頭企業的支持力度，推動企業創新發展。采取分行業分領域制定智能制造示范標準的方式，每年認定一批省級智能制造示范工廠和車間以及互聯網標桿工廠。到2024年底，累計建成國家智能制造示范工廠項目30個、省級智能制造示范工廠項目300個、省級智能制造示范車間2500個、工業互聯網標桿工廠200家、5G全連接工廠10家。同時還推進中小企業“智改數轉”推進工程，面向中小工業企業，為期提供智能制造服務，了解其存在的問題，指導其制定解決方案。除此之外，積極發揮南京和無錫以及蘇州等的集成電路、新型顯示以及智能裝備等產業優勢，積極培育生態主導型鏈主企業。通過資源整合，搭建基于產業鏈協作平臺，推進協同采購和協同制造以及協同銷售等的應用，進一步提高產業鏈協作效率。積極鼓勵建設工業互聯網平臺，一次達到匯聚賦能資源的目的，實現工業大數據和工業APP以及數字化轉型解決方案的集成，面向應用場景提供數據產品以及數據服務。

4 結語

綜上所述，智能制造裝備正處于快速發展的狀態，涌現出很多新型工業機器人和機床裝備等，為很多行業生產提供裝備支持。從需求和發展的角度分析，智能制造裝備的綠色化和智能化水平會不斷提高。從技術的集成應用角度分析，還面臨很多挑戰，需要加大技術的研究力度，積極整合各方的力量促進智能制造裝備發展。