智能制造技術在門窗制造領域的應用

潘 福

（北京米蘭之窗節能建材有限公司，北京 102211）

0 引言

當前經濟高質量發展的背景下，制造業的高質量發展尤為重要，其中智能化水平的提升是不可或缺的一環。智能化水平包括智能管理、智能產品和智能制造三個環節[1]。智能制造作為新一輪工業革命的核心技術，隨著其不斷發展，越來越多的門窗制造企業開始應用智能制造技術，以提高生產效率、降低成本和提升產品品質。近年來，學術界對門窗智能制造的研究集中在個案設計上，郎洪林[2]研究設計了一種基于物聯網的智能門窗監測控制系統。龍華金[3]通過對市面上已有的智能門窗系統的分析，設計了一種以micro:bit板作為硬件電路核心的智能門窗系統。蔡秋[4]指出數字化轉型對門窗制造工廠數字化轉型的發展現狀。

本文旨在探討智能制造技術在門窗行業中的應用和前景展望，創新點主要體現在以下幾個方面：（1）典型案例分析。本文選擇了米蘭之窗智能門窗作為典型案例，通過深入分析其智能制造實踐，揭示智能制造技術在門窗行業中的應用情況。（2）問題與限制探討。本文將重點關注傳統門窗制造過程中存在的問題和限制，探討這些問題如何影響供應鏈、生產效率以及產品品質，進而引發對智能制造技術的需求。（3）應用和前景展望。本文將重點討論智能制造技術在門窗行業中的應用前景，分析其對提高生產效率、降低成本和提升產品品質的潛在作用，旨在為門窗行業的制造發展提供有價值的參考。

門窗是建筑物的基本組成部分，其在建筑設計和裝飾中起到了至關重要的作用。傳統的門窗制造通常需要大量的人工操作和精確的測量，這不僅費時費力，而且容易產生誤差。隨著智能制造技術的快速發展，門窗制造業也面臨著轉型和升級的機遇，門窗制造將進入工業4.0時代。智能制造技術的應用可以提高門窗制造的效率、質量和精確度，并減少人為因素對制造過程的影響。通過引入智能制造技術，通過數字化轉型，門窗制造商可以實現數字化設計、智能化生產和智能化管理，讓高性能門窗產品低成本觸達終端客戶，改變目前行業“劣幣驅逐良幣”的現象，引領整個門窗行業健康有序發展。因此，研究門窗在智能制造方面的突破和應用具有重要的實際意義和應用前景。

1 智能制造概述

智能制造是指利用先進的信息技術、自動化技術和智能化技術，以實現工業生產過程的數字化、網絡化、自動化和智能化的生產方式。它通過將傳感器、物聯網、云計算、大數據分析等技術應用于制造過程中，實現生產設備、產品和生產環境的智能化互聯互通，從而提高生產效率、產品質量和資源利用效率。通過信息技術驅動雙跨越的戰略變革，是企業實現轉型升級的重要路徑[5]。

智能制造的發展可以分為三個階段：第一階段是自動化制造階段，主要通過機械化和自動化技術實現生產過程的自動化，如傳統的生產線和機器人應用。第二階段是數字化制造階段，利用計算機技術和軟件工具對生產過程進行數字化建模和仿真，實現生產過程的可視化和優化。第三階段是智能化制造階段，基于先進的信息技術和人工智能技術，實現生產設備和系統的智能化互聯互通，實現物聯網，智能決策、智能控制和智能優化。

2 智能制造在門窗行業中的應用前景

智能制造在門窗行業中有著廣闊的應用前景。通過引入智能制造技術，可以實現四個方面的改進和創新。

首先是生產過程的智能化管理。通過引入物聯網、傳感器技術、嵌入式中端系統、智能控制系統、通信設施通過CPS形成一個智能網絡，可以實現對生產設備和生產過程的實時監控和數據采集，從而提高生產過程的可視化和透明度，實現生產過程的智能化管理和優化。

其次是個性化定制和柔性生產的出現。智能制造技術可以實現門窗的個性化定制和柔性生產。通過數字化設計和智能化生產設備，可以根據客戶需求實現門窗的定制設計和生產，提供更加符合用戶需求的產品。通過提供售后服務和其他后續服務，來獲取更多的附加價值，這就是軟性制造。個性化需求、小批量定制將成為潮流。

再次，可以更好地進行質量控制和品質管理。智能制造技術可以實現門窗生產過程的數據驅動的質量控制。通過實時監測關鍵參數和數據分析，可以及時發現生產過程中的質量問題，實施精確的質量控制和品質管理，提高產品的質量穩定性。

最后，智能制造可以帶來線上線下一體化的服務體驗。智能制造技術可以實現線上線下一體化的服務體驗。通過物聯網技術和智能設備，用戶可以在線上進行產品選購和定制，同時享受到線下的高品質服務和售后支持。

綜上所述，智能制造在門窗行業中的應用前景非常廣闊，將為門窗制造商帶來更高效、精確和智能化的生產方式，同時為用戶提供更優質的產品和服務體驗。

3 傳統門窗制造存在的問題

3.1 傳統門窗制造的流程和方法

傳統門窗制造通常采取手工制作的方式，由于技術和工藝的局限，生產周期長，生產效率低，無法滿足大批量、高質量、個性化的生產需求。同時，一些傳統門窗生產廠家存在小規模、工藝簡陋、質量不穩定等問題，致使消費者對該行業的信任度不高。

3.2 傳統門窗制造的局限性和挑戰

傳統門窗制造通常存在以下幾個局限性和挑戰：首先是制造精度低。傳統門窗制造通常采用人工生產，制造精度低，不利于提高產品品質和加工效率。其次是生產效率低。傳統門窗制造周期長、量少，生產效率低，這影響了企業的生產效益，并且無法滿足快速交付和個性化需求。再次是成本較高。傳統門窗制造采用人工制作方式，需要大量的人力資源，設備成本高，致使制造成本高昂。隨著人工成本的快速上升，原材料價格持續上漲，年輕人不愿意從事苦、臟、累的工作，給國內企業帶來了巨大的生存壓力，行業面臨向東南亞國家外遷的趨勢，企業面臨巨大的生存壓力。最后，傳統門窗無法滿足個性化需求。傳統門窗制造無法滿足新時代消費者的個性化需求，難以提供多款式、多尺寸、多功能的產品。

4 智能制造技術在門窗制造中的突破

為了克服傳統門窗制造存在的問題，門窗制造企業開始采用智能制造技術來提高生產效率、降低成本、生產精度和品質等方面都具有顯著的提升。

4.1 數字化設計與模擬

智能制造技術使得門窗制造企業可以利用數字化設計和模擬工具來進行產品設計和模擬。通過數字化設計軟件和仿真工具，可以創建門窗的三維數字模型，并進行結構分析、材料模擬和性能仿真。這樣可以預測和優化生產過程中的設計缺陷，提前發現和解決問題，大大降低產品開發周期。數字化設計和模擬還可以提高產品的制造精度和質量，確保產品滿足設計要求。建有基于互聯網的個性化定制服務平臺，收到客戶數據之后，自動化地將其與數據庫中存儲的模型進行比對，并提供給客戶一個3D模型，通過模型顧客可以立體、細致地觀察款式、細節設計，門窗材質等，這樣就實現了“一窗一版，一件一流”的定制化智能設計。

4.2 自動化生產與裝配

智能制造技術在門窗制造中廣泛應用自動化生產和裝配。傳統的人工操作和組裝過程可以通過智能制造技術轉化為機械化和數字化的自動化生產方式。利用數控加工設備和自動化裝配線，可以實現門窗零件的精確加工和快速組裝。以MES為產線大腦，實現自動排產、自動加工、上下料、智能測量、誤差自補償等作業全過程的閉環控制，支持不同材料、不同結構形式產品的混線生產，自動靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產模式。自動化生產和裝配不僅提高了生產效率，還降低了人為錯誤和浪費，保證了產品的一致性和質量穩定性。

4.3 物聯網和傳感技術的應用

智能制造技術借助物聯網和傳感技術在門窗制造中實現了生產過程的實時監控和質量控制。通過在關鍵位置安裝傳感器，可以實時監測生產過程中的參數，如溫度、濕度、壓力等，以及產品的質量指標。收集到的數據可以通過物聯網平臺傳輸和分析，通過云服務平臺的數據分析和算法優化，可以及時發現和糾正生產過程中的問題，確保產品的質量和一致性。

4.4 人工智能在門窗制造中的應用

人工智能技術在門窗制造中的應用也日益重要。在工藝標準化、管理組織化、信息一體化、生產自動化的基礎上，以MES為核心，打造24h可靠的無人值守的智能車間，實現生產全過程作業自動化，質量可追溯；同時實現互聯互通以及人機互聯、機物互聯、機機互聯、人人互聯，最終讓整個工廠變成一個類似人腦一樣的智能系統，自動響應用戶個性化訂單。利用機器學習和深度學習算法，可以實現生產資源的智能分配和調度，優化生產流程和資源利用效率。人工智能還可以通過對生產數據的分析和模式識別，預測制品的畸變率和缺陷率，提前采取措施來提高產品質量和生產效益。

4.5 其他創新技術的突破

除了上述技術，智能制造還可以融合其他創新技術來推動門窗制造的突破。例如，3D打印技術可以實現復雜結構門窗的快速制造和個性化定制；光固化技術可以實現高精度的光學元件制造；材料表面處理技術可以改善門窗的耐久性和外觀質量。通過集成和應用這些創新技術，可以進一步提高門窗制品在生產、設計、制造工藝和材料方面的突破，推動門窗行業向智能化和高品質化發展。

5 智能制造在門窗行業中的應用案例分析

智能制造在門窗行業的應用涉及門窗的設計與制造、質量控制、供應鏈管理、售后服務等各個環節。米蘭之窗品牌創立于1999年，是集自主研發、系統化智能生產為一體的高端科技系統門窗公司，是中國鋁包木門窗國家標準的制定者，國家建筑系統門窗技術導則的編寫者[1]。該公司現已形成北京、河北、山東三大運營基地。產品遍及全國，并出口美國和歐洲市場。米蘭之窗山東智能制造基地于2014年立項，2015作為中國首個工業4.0系統鋁包木窗智能化生產線正式投產。2021年，米蘭之窗再度開啟門窗智能制造新紀元，首個系統鋁合金窗工業4.0智能化生產線也正式開機。米蘭之窗在生產制造、質量控制、供應鏈管理和售后服務等方面全方位實現了智能制造。

5.1 智能化門窗應用于生產實踐的案例

以米蘭之窗山東基地鋁合金車間和鋁包木車間的智能化設計與生產為例，在鋁合金車間，米蘭之窗山東基地引入了最新的4.0鋁合金生產線，用德國的KLAES軟件和設備連線，使用戶訂單通過軟件可以直接和生產設備對接，解決了傳統生產方式效率低下、產品質量無法保證和人工成本不斷增加等問題。該生產線采用智能鋸切、智能分揀機加工、智能物料分揀和智能指示燈料車等先進技術。智能鋸切系統由智慧大腦控制，實現了無需紙質數據的啟動程序，只需輸入數據即可進行切割。僅需兩人操作，大大提高了工作效率。該系統還具備自動完成送料、切割和出料的功能，能夠一次性處理多個型材，機械手可適應鋁材切割的水平和垂直方向。同時，智能鋸切系統配備了防錯機構和自動報警功能，保證了工作的準確性和安全性。該生產線設備精度可參見表1。

表1 智能制造門窗生產設備精度表

此外，生產線還采用了環保設計，配備了自動排屑機和集塵系統，提高了工作效率。鋁合金車間的智能分揀機系統根據二維碼標識掃描型材所屬部位，并自動分配給機器人進行加工，實現了智能化加工。而智能物料分揀和智能指示燈料車系統則通過機器人完成銑型打孔和中挺的加工，并利用指示燈將零件輸送到料車上進行組裝，避免了人工錯誤分類。

在鋁包木車間，采用先進的生產設備和工藝，實現了高品質的鋁包木門窗制造。主要設備包括德國原裝進口的數控優化備料線，具有自動上料，優化切割和四面刨光等功能，有效提高了生產效率和材料利用率。此外，還采用了自動注膠機、自動壓木機等設備，實現了鋁包木門窗的自動化制造。

總的來說，通過引入先進的智能制造技術和設備，實現了全自動智能化流水式生產，提高了生產效率，擺脫內部工序混亂、產品堆積的局面，這些創新和實踐不僅推動了企業的發展，還為整個行業樹立了榜樣，展示了智能制造在門窗行業的巨大潛力和應用前景。

5.2 智能制造在門窗質量控制、供應鏈管理、售后服務等方面的應用案例

米蘭之窗的智能制造生產基地，在數字化運營平臺將ERP、MES、SRM、CRM、PDM等軟件應用于制造的實踐上，推動制造裝備之間、產線、車間、工廠的數字化信息快速流動和廣泛應用，以期使企業在質量控制、供應鏈管理和售后服務等方面的能力有效最大提升。通過自動化生產設備的有序運作，提高生產效率、實現高效批量化規模生產的同時，其數字化管理、大數據分析為優化生產結構和管理模式提供了便捷，使資源利用率得以提高、資源能耗得以降低，在產品生產端實現智能制造體系的搭建，以智能化生產助推綠色產業發展。

首先，在質量控制方面，米蘭之窗生產基地的產品制造過程質量控制系統可以對生產過程中的數據進行實時監控，員工通過智能數據中心的質量管理模塊，可以隨時檢查車間內實時的產品產能和品控情況，運用制造系統質量狀態評測指標體系，實時判斷車間不合格品、不合格品原因、故障停機臺時、車間設備完好率、設備利用率等，并實時進行質量特性管理、數據采集、控制圖分析、異常原因處理、過程能力分析等，保證產品制造加工過程的穩定性。通過數據挖掘和分析可以發現生產中的瑕疵和問題，及時調整制造流程。通過參考在制品信息，可以更靈活的制定或者變更生產計劃，減低損耗，達到精益生產的目的，提高了生產效率和質量，同時減少了人工成本。依靠智能控制技術，該企業實現了批量生產和高品質，同時滿足了市場上多維化和個性化的需求。

其次，從供應鏈管理的應用來看，米蘭之窗采用企業資源計劃系統ERP構建了一個數字化的門窗供應鏈管理系統，以信息化為手段，將企業所有資源進行整合集成管理，即企業的三大流（物流，資金流，信息流）進行全面一體化管理的管理信息系統，實現生產流程的重組、優化和企業內部資源的整合，提供銷售管理、采購管理、倉庫管理與存貨核算的集成應用，使得企業構建高效的基礎供應鏈管理體系，形成整體綜合優勢，能夠快速響應市場，獲取效益的最大化。該系統從客戶下單到款項清算整個過程，全程在線化，可根據訂單、生產、安全庫存等情況自動生成采購建議，可根據行業預設多種材料類型如：型材、玻璃、木方、板材、五金件等等，即裝即用，支持多種常規出入庫業務及盤點業務，支持與條碼管理相結合，大幅降低錄入工作量，可追溯物流，也可以透過系統交流信息，可提供外購、估價、自制、其他入庫的成本核算功能，采購費用自動分攤，可大幅提升行業生產效率，并減少生產和運營成本，并減少了傳統模式下個別業務環節的流失和外漏，從而為企業節約了管理成本和時間。

再次，將智能制造技術應用于售后服務中。通過智能傳感器和數據分析，可以監測門窗的性能和使用情況，并提供定期維護和遠程故障診斷，實現設備故障的提前預警和遠程運維，以確?？蛻舻拈T窗系統始終處于良好狀態。米蘭之窗的設備故障遠程診斷系統實現對門窗啟停記錄、狀態變更、運行日志及裝備/設備運行初始值設置等運行情況記錄，對運行工作進行全面和規范的管理；同時實現對設備及裝置運行過程的跟蹤；并且實現對設備故障和缺陷及時發現、監控、識別、快速處理以及故障分析等的閉環管理。通過大數據分析，建立各設備中傳感器的異常檢測模型，從而通過輸出異常得分，輸入行業專家庫，從而分析出故障成因，使用戶或者公司能及時排除故障，可以提前發現門窗故障和損壞，進而進行預警和修復，提高了售后服務質量和效率，同時降低了售后服務成本并提高了客戶滿意度。

6 結論

通過對智能制造在門窗行業中的應用前景、傳統門窗制造存在的問題以及智能制造技術在門窗制造中的突破進行研究，得出以下結論。

（1）智能制造在門窗行業中具有巨大的應用前景，可以提高生產效率、降低成本，并實現個性化定制。

（2）傳統門窗制造存在流程繁瑣、效率低下以及質量難以保證等問題，制約了行業的發展。

（3）智能制造技術在門窗制造中的突破包括數字化設計與模擬、自動化生產與裝配、物聯網和傳感技術的應用、人工智能的應用，以及其他創新技術的突破。

綜上所述，智能制造對于門窗行業具有重要意義。通過采用智能制造技術，門窗制造企業可以提高生產效率、降低成本，并滿足消費者個性化需求。然而，為了實現智能制造的全面應用，企業需要加強技術研發與創新，政府和相關機構也應提供支持和推動政策。只有充分發揮智能制造的優勢，門窗行業才能實現可持續發展，并迎接未來的挑戰。