完全动态配置的制造系统--智能生产矩阵
本帖最后由 defeng28 于 2021-10-10 16:42 编辑摘要：本文从生产线本质特征的角度分析了现有的以生产线为基础的制造系统所存在的问题，辩证地提出二维并行的制造系统--智能生产矩阵，并通过与生产线进行对比，阐述智能生产矩阵的动态配置工艺和工序、发散式发展的特点，以及其作为智能制造核心基础的原理优势和颠覆性意义，并系统描述了以生产矩阵为基础的智能制造系统的应用需求和对社会生产发展的意义。
关键词：生产矩阵，二维并行制造系统，动态配置，发散式发展，大规模定制，智能制造
引子：完全动态配置的智能生产矩阵是智能制造和智慧生产的核心基础，是真正意义上的百万机器人、犀牛制造、大生产体系，是实现“人为生产”向“生产为人”转变的使能技术。由智能生产矩阵提炼出来的矩阵生产方式，亦将像丰田生产方式一样深刻改变和深远影响社会生产组织模式。
生产线是现在普遍使用的生产制造系统，其原理特征是一维串行的，工艺和工序静态配置，并且，就某一条生产线而言，随着功能的增加，其发展必然收敛于专用产线。由于生产线存在这些原理性特征，当前的以大规模定制为发展方向的制造系统如果以生产线为基础物理模型，在发展上很容易就会遇到一些无法解决的瓶颈和天花板的问题。 生产线的一维串行原理，需要将生产的工艺和工序固化，将操作设备和工位固定，并按照生产流程顺次执行。这种静态配置工艺和工序的生产组织方式导致生产线没有柔性，或柔性不充分的问题，一条生产线只能生产一种产品或有限的相似度极高的同类型产品。并且，同一条生产线上，在同等时间内完成多个不同工序非常困难，也并不现实，这就必然产生生产节拍的不平衡问题。 生产线的效率和柔性始终是不可调和的矛盾，提升效率必然降低生产线的柔性，提高生产线的柔性又必然带来效率的损失。 尽管我们在传统生产线上通过配置更多的机器人和机器视觉等设备，以期提升产线的效率。但是，在实践中，我们很快就发现这种效率的提升非常有限，远不是我们所需要的可持续的线性提升。 人工智能等先进技术的融合度低，数据采集并处理后，很难反馈回产线以形成质量控制和生产优化的闭环，导致制造系统的智能化无法快速发展。 收敛式发展的特性使生产线最终必然成为一条只能生产一种产品的专用产线。如果企业要更换产品型号或生产全新的产品，就要对之前的产线做相应的调整，耗费企业资源和成本。更有甚者，当出现产品的代级变化或品类变化，之前的产线很可能彻底不能用，比如生产功能手机的产线无法生产智能手机，这就严重阻碍了企业转型。这些问题是生产线的本质特征造成的，只要使用生产线作为制造系统的基础，相应的就必然会存在这些问题。 大规模定制是制造业的发展趋势，需要相应的制造系统充分柔性和冗余，能够动态配置工艺和工序，在发展方式上能够线性提升产能和效率，并且这种提升不与柔性相互矛盾。应用于单一型号产品的大批量生产，传统产线为基础的制造系统确实有较高的效率。但对于大规模定制这一更智能化的制造需求，以产线为基础的制造系统暴露出诸多在原理上无法解决的问题。毕竟，百年前创造生产线的目的是为解决单一品种产品大批量生产的问题。现在的需求发生了根本性的变化，百年前的解决方案还能解决今天的问题吗？ 生产线不是大规模定制这一类智能制造真正优选的核心基础。相应的，通过对生产线进行再多的智能化，也无法从根本上实现大规模定制的“生产为人”的真智能目标。 根据哲学的对立统一规律，既然存在生产线这种一维串行的、收敛式发展的、静态配置的制造系统，必然存在与之相对的二维并行的制造系统，这种制造系统的特征是动态配置工艺和工序，并且发散式发展。事实上，确实存在这样的制造系统--生产矩阵。 生产矩阵，是指在矩阵轨道系统上设置关联回路，基本单元机器人在关联回路上通过运动耦合进行重构，重构机器人和物料通过运动耦合执行工艺操作，完成产品生产的制造系统。 智能生产矩阵是在生产矩阵的基础上，结合5G/6G通信、人工智能等先进技术，使生产制造系统通过自学习，自行组织生产，实现“生产为人”的真智能。 生产矩阵是一种二维并行的生产制造系统，具有充分柔性、充分冗余、完全动态配置工艺和工序、发散式发展的本质特征。从基本原理上解决以生产线为基础的制造系统在发展中遇到的无法解决的问题，生产矩阵是较之生产线更适合作为智能制造和智慧生产的核心基础。
生产矩阵相对于生产线，并包含生产线。通过与生产线的特征进行对比，可以更加明显的看出以智能生产矩阵为基础的制造系统的原理优势及其颠覆性意义。
1）智能生产矩阵是二维的生产制造系统 当前广泛应用的生产线在维度上是一维的线，根据所制造产品的工艺流程设置固定工位，以顺次执行相应的工艺操作。一维生产线所处理的对象只能是固定的工艺流程，因为这根“线”不能“乱”。 智能生产矩阵是二维的制造系统。因为二维可以设置回路，可以让工艺设备和物料在设置好的关联回路上无限循环的运动耦合以执行工艺操作。这种运动耦合的处理对象除了包含常规的固定工艺流程外，还包括实时变化的工艺流程和更为广义的“流”，即可以通过调整轨道矩阵相应节点改变关联回路，实现物料和工艺设备实时分流/合流，从而实时调整物料、工艺（工艺设备和工艺参数）和工序（工艺流程）。 二维的制造系统是并行生产的前提，是动态配置的物理基础。维度的提升从本质上改变了制造系统的特性，也相应的改变了生产组织方式，我们称之为生产矩阵对生产线的“降维打击”。
2）智能生产矩阵是并行生产 一维的生产线只能串行生产，物料在流水线上，完成第一个工序后才能接下去执行第二个工序。必须顺次执行，不能调整先后顺序。串行生产要求生产线全部建成后才能投产，其中的任何一个工位或设备未完成，都无法生产；同样的，在生产线运行过程中，如果有某一个工位或某一台设备故障，整条产线都将无法工作。串行生产系统相当于串联电阻电路，每个电阻都有效，整个电路才可以实现功能。 智能生产矩阵是完全并行的生产制造系统，这种并行不是两条固定工位的生产线的并行，而是同一条路径上的多个工艺“流”的并行，是某一时刻同时耦合的可重构机器人所执行的多个工艺操作。打个比方，生产线系统是一条路线上在某一时刻只能行驶一辆车，而且其行驶的过程中还不能执行工艺操作，要等车行驶到固定工位，停下来后才能执行操作，这个行驶的过程其实仅仅是物料输送。而生产矩阵是一条路线上在某一时刻可以同时行驶多辆车，这多辆车在运动的过程中同时执行工艺操作。矩阵的并行特征，为制造系统提供了充分冗余。并行生产可以让制造企业根据投入和产出的需要更灵活的组织产品的部件或整机生产。生产矩阵这样的并行制造系统相当于并联电阻电路，即使某一个电阻无效，整个电路仍然可以工作，当然，并联电阻电路的比喻并不能完全表达出矩阵这样并行制造系统的特征。 广义的并行生产，是在生产矩阵上同时执行多个工艺操作“流”，也就是说，在一个生产矩阵上可以同时生产多个不同的组件，多个不同型号或品类的产品，这是生产矩阵较之生产线的颠覆性的改变，将生产线的效率-柔性矛盾，转化为既提高产能又增加柔性，从原理上提升了制造系统的适应能力和生产效率。
3）智能生产矩阵的工艺操作在物料运动的过程中执行 生产线的工位是按工艺流程固定设置的。在生产线上，物料随传输系统传送至固定工位，并在工位上处于静止状态时才能进行工艺操作。并且，目前看来，多数组装性的工艺操作时间远远短于物料传输时间。 智能生产矩阵没有固定工位的概念，工艺操作是一组可重构机器人在回路上与物料的运动耦合，这个耦合是在运动的过程中进行的，也就是说，机器人与物料在同步运动的过程中相互之间执行工艺操作。在生产矩阵上，物料从装到托盘机器人上开始“流动”，在流动的过程中，完成多个所需的工艺操作，在这期间不停车，从矩阵上出来就是制成品。多个不同类型的工艺耦合可以同时在生产矩阵的闭合回路上无限循环的执行，多个工艺耦合的先后顺序（工序）也可以在矩阵上进行实时调整。工艺和工序的调整不需要任何停机，只是执行智能生产矩阵软件的指令而已。 在生产矩阵上，所有工艺操作随物料的传输流动就已经完成了。这一功能极大的缩短了物料在工序之间传输的时间，这对制造系统在产能效率方面是根本性的提升，这也是丰田公司大野耐一的“连续单件流”梦想的客观实现。
4）智能生产矩阵是动态配置的生产系统 生产线布置取决于所要生产的产品的工艺流程，也就是说，产品的工艺流程确定了，相应的生产线就确定了。如果要调整一下工艺流程，或者调整某一个工艺参数，则需要将整个生产线停机，对相应固定工位上的工艺设备进行相应调整，再重新调试生产线后才能生产。生产线的操作工位，工序和工艺都是固定的，这是生产线的静态配置的本质特征。生产线不具有动态配置的特征。生产线的物料流动只是按工序分配物料，不是动态配置。 动态配置，配置的对象是物料、工艺和工序；动态的衡量指标是实时性。 智能生产矩阵的工艺操作是多个“流”的耦合，耦合的物理对象是工艺设备和物料，耦合的时间和路径是工艺参数，耦合的先后顺序是工序。对于运动耦合的物料、工艺设备、工艺和工序参数，都可以通过智能生产矩阵软件在设备正常运行的过程中进行实时的调整，而不需要任何停机。这种完全动态配置的特征是生产矩阵所特有的，也是生产矩阵对生产线在原理上的颠覆。同时，我们可以明显的看到，动态配置是软件化制造的基础前提。
5）智能生产矩阵是发散发展的制造系统 生产线的功能随产品加工的工艺和工序而定，并且固化。本质上，生产线随着其功能的增加和固化而收敛于专用制造系统，也就是常说的”专线“，这种发展方式是收敛式发展。收敛式发展是一种不可持续的发展方式。收敛式发展的制造系统存在的问题是，一方面，在设计时就有明确的产能和柔性的天花板，到了天花板，即使再多投入也无法提高产能和增加柔性；另一方面，收敛式发展的制造系统，在产品换型或更换产品品类时，原有产线仍可继续使用的部分较少，调整周期长，浪费多，成本高。 智能生产矩阵的运动功能设备和工艺功能设备都是极度单元化、标准化、模块化的可重构机器人，换型或换产品时，系统可以随时随需的通过运动耦合进行重构，用时组装，不用时拆分入库，这种发展方式是发散式发展。发散式发展是一种可持续增长的发展方式。发散式发展给制造企业提供了持续线性投入的发展模式，即：很少投入即可开始产出，持续投入获得持续增长的产出；而不是像生产线，需要一次性完成全部投入才能生产。最主要的，当企业需要转型改做其它产品时，智能生产矩阵除了极少的工装治具需要适量调整外，可重构机器人和矩阵轨道系统都不改变，工艺和工序都在软件里调整。而生产线，往往是整条线改造，或者整条线作废，这是多大的浪费呀？
智能生产矩阵较之现有的生产线，既是技术和产品的代级的发展，也是原理和逻辑的根本性改变。在当前普遍应用生产线的行业背景下，对生产矩阵的研究还非常少。但是，生产线在智能制造中暴露出来的问题逐渐尖锐，智能制造对更加普适的核心基础的需求更为强烈，问题带来需求，这是刺激生产矩阵基础理论更深入研究和系统产品更快速实现的契机。 与生产线类似，生产矩阵自身就是一个庞大的行业和市场，并且具有所有工业普遍应用的基本特征。智能生产矩阵原理上的优势为其在大规模定制的智能制造和智慧生产方面的应用展现出壮丽蓝图。
1）智能生产矩阵充分柔性、充分冗余、并行生产，实现不停机换型、不停机换产品、多种类型产品穿插生产，单件与批量无生产成本差异、单件与批量无交付时间差异。2）真正软件化制造。智能生产矩阵具有完全动态配置物料、工艺和工序的基本特征，产品换型和所有工艺工序调整只通过软件实现，生产矩阵上完全不需要操作人员，真正实现自动化、黑灯工厂、无人工厂。
3）基于5G/6G通信技术，融合人工智能，真正自学习、自组织的生产制造系统。人的作用，用户提出产品需求，管理人员制定生产规则，如何组织生产完全交由矩阵完成，真正实现“生产为人”，而不是现在的“人为生产”。
智能生产矩阵是真正意义上的百万机器人、犀牛制造、大生产体系和智能制造平台；发散式发展的制造系统更深远的影响社会生产。智能生产矩阵上升为与丰田生产方式相对应的矩阵生产方式，以更智慧的生产制造体系改变社会生产组织模式。
挺高端的智能制造业！ 远祥 发表于 2021-10-14 02:02
挺高端的智能制造业！
期待多交流！！！
DOFSIM动仿 张德丰
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