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机械工程学报，第17卷，第4期，第5-28期，2017
ISSN 1895-7595(印刷)ISSN 2391-8071(在线)
收到日期:2017年9月5日/接受日期:2017年10月18日/在线发表日期:2017年12月20日
智能工厂，CPS(信息物理系统)，FCIPS(柔性计算机集成生产结构)，
FMC(柔性制造单元),功能集成机床
[日本] 吉见 国际贸易组织
智能工厂分模块柔性加工系统的布局设计
智能工厂虽然不符合“工业4.0”最初提出的概念，但已经做到了逐步应用于实践。相比之下，我们可以看到几乎所有建议和讨论都是在没有考虑柔性制造(柔性计算机集成生产结构)的情况下进行的，柔性计算机-集成生产结构(柔性计算机-集成生产结构)是工业化国家最大的主导设施，也是智能工厂中的核心物理系统模块。到目前为止，承认智能工厂的强大，最关键的问题是讨论智能工厂迄今积累的技术和人力资源在哪个程度上和如何使之可供利用。本文首先在柔性计算机集成生产结构概念的基础上提出了智能工厂的概念图，然后提出了这两个概念的相似性。事实上，智能工厂是由云计算、信息通信网络和网络物理系统模块组成的，而柔性计算机集成生产结构则是由通讯接口模块、信息通信网络和一组柔性制造单元组成。然后，本文介绍了网络物理系统模块和柔性制造单元的现状及未来的发展方向，特别是对机械加工的重视，并对柔性制造单元模块由于“一次加工、高加工成本”的特点提出向信息物理系统模块的改造方案。最后，本文总结了柔性计算机集成生产结构的研究与工程开发主题以及未来需要研究的智能工厂，并详细介绍了其中的一个主导主题，即将人的智能融入CIM(通讯接口模块系统）的方法论。
1. 介 绍
众所周知，“智能工厂”的概念是2012年德国的国家科学和工程院提出“工业4.0”计划中的最重要的项目之一。国家科学和工程院用一些具有代表性的关键术语和句子来代表智能工厂，然而没有详细介绍它的概念和基本布局(工厂配置)。 [1]例如，国家科学和工程院提出智能工厂应该生产个性化的产品；然而，国家科学和工程院并不能识别工厂内部的物流模式，即“流”或“离散”类型。众所周知，在生产系统的布局设计中，物料流动的模式是占主导地位的。
一般来说，“一次性生产”是针对个性化和离散型的产品，而不是流动型。简而言之,智能工厂是云计算的协同,信息通信网络和CPS(网络物理系统)模块(雾计算),并按照在2016年VDMA (德国机器和工厂建设协会)的报告,大约有50个案例研究“工业4.0”在德国的应用，包括了智能工厂的试验。其中，在机床领域，舍弗勒报告了基于智能工厂概念的铣削主轴预测维修方法。重要的是，我们现在有相当多关于德国智能工厂的案例研究；然而，这种智能工厂并不符合国家科学和工程院最初提出的概念，尤其是在“系统组件之间的自主性”方面。事实上，每一个案例研究的目的都是在生产系统中进行有利可图的应用，并且通过在一定程度上使用智能工厂的原始概念，使得我们可以获得相当大的收益。[2]
在日本,几乎所有的评论、演讲、讨论、和参考资料毫无疑问的高度评价智能工厂的概念,也没有任何国家对FCIPS(柔性计算机集成生产结构)在进入智能工厂工作的可转换性,或者不寻求FCIPS(柔性计算机集成生产结构)的“存在的理由”保持怀疑。总的来说，企业在没有任何补救措施的情况下，将其生产设施与人力资源和技术诀窍完全结合使用是令人难以置信的。这样的故事很少出现在生产活动中，即使不是专业人士也会觉得很傻。
在此背景下，我们必须回顾FCIPS(柔性计算机集成生产结构)的一项杰出建议，该建议已在1990年代提出，其相当多的变体已实际应用于工业国家，它取决于每个国家的技术、经济和社会环境。总之，FCIPS(柔性计算机集成生产结构)由CIM(计算机集成制造)、信息通信网络和FMS(柔性制造系统)组成。重要的是，FCIPS(柔性计算机集成生产结构)的概念看起来非常类似于智能工厂。综上所述，我们必须首先着眼于FCIPS目前和近期的发展前景，以及一些关于智能工厂的案例研究，然后讨论FCIPS在智能工厂中的可转换性。但值得指出的是，即使是FMS，从加工到装配，再到产品检验，再到更窄范围内的再制造，都是一个范围。为了便于理解和澄清这个讨论,因此,在这篇文章中,智能工厂加工只会在考虑FCIPS第一概念和设想,然后讨论可用性融合的一次性生产,FCIPS内最先进的变体之一CPS(信息物理系统）模块。最后，本文将提出一些领先的研究和工程开发课题，进一步推进与智能工厂和FCIPS相关的技术的发展。
2. 智能工厂与FCIPS的概念比较
国家科学和工程院提出了一组关键术语，包括叙述性语句，以表示智能工厂的概念，如表1所示。在一般情况下感官上，结合这些关键术语和句子，可以绘制出智能工厂的示意图或基本布局；然而，国家科学和工程院还没有产生任何这样的概念图。[4]
表1.在工业4.0下具有智能工厂代表性的关键术语和句子
重要的是，我们至少需要概念图或系统布局(系统配置)来明确、合理地讨论工厂系统，原则上工厂系统的设计应考虑“目标产品”、“生产模式(具体化)”和“系统布局”之间的联系。
在此背景下，通过将FCIPS的概念与表1中的关键术语进行详细比较，我们可以得到一些线索。回顾20世纪90年代，基于对“2000年及以后的生产环境”的预测研究成果，FCIPS被概念化了。如表2所示，这种预测研究是由领先的工业国家进行的，到2010年代，FCIPS的完整版本仍处于概念阶段，离实际应用还很远。这是因为当时的计算机和信息通信技术还不成熟。[3]
在这种情况下，一个有趣的试验是2005年前后生产监控系统的“代理平台”。重要的是，代理平台实现了不同通信标准的接口，例如，汽车行业在不同程度上便利了许多独立的信息处理系统，代理平台可以高效地将这些系统彼此连接在一起。[5]
表2.对2020年左右理想生产系统的预测研究——在20世纪90年代进行
综上所述，不成熟的信息通信网络技术是实现FCIPS的障碍之一。换句话来说，随着云计算的出现和信息通信技术的进步，智能工厂成为了现实，因此这强调了对表2中预测研究的高度评价。
图1首先展示了FCIPS的概念，然后将智能工厂对应的关键术语与FCIPS的主要功能紧密结合在一起。虽然有不同方面的生产技术,值得建议或主张的是,智能工厂是FCIPS的变体之一,但前提是该系统具有极强的“自主功能”，并提高其一次性生产的适用性,稍后将详细讨论(智能工厂的概念,不同于那些在生产技术，这在一定程度上造成了对智能工厂的误解和困惑。例如，对于生产技术领域的人来说，“大规模定制”是一个错误的术语，但“一次性生产，制造成本高”是正确的)。此外，为了便于理解，FCIPS采用仿人模型表示，即重要的是，FCIPS应该像人类一样，将这三者完美地融合在一起，保持健康的状态。更重要的是，没有“四肢和工具”，即使“大脑和神经系统”能够令人满意地工作，我们也无法创造出产品。在这样的背景下，我们必须意识到，智能工厂已经被一次又一次的讨论过了，可以说，主要强调的是云计算和信息通信(大脑和神经系统)，而不是工厂的地板(四肢和工具)。
承认智能工厂是FCIPS(柔性计算机集成生产结构)的变体之一，关键问题是对FMC（柔性制造单元）进行描述，即“单元描述”，这是为FMC提供自主功能的前提；然而，即使是现在，单元描述也远远没有完成[6]。
2.1.FCIPS的总体视图
图2通过对自主功能的强调，重点展示了FCIPS的单元控制器和信息处理方面。可以从图表1和2中看到,FCIPS表现为：(1)CIM（通讯接口模块）和具有基于人的智能功能。(2)一群设施管理(柔性制造单元)和自主功能,例如“拍卖”或“任务代理”类型。(3)广泛分布分配类型的设施。(4)同时发生的材料和信息流动的数据标记[3]。
更具体地说,CIM主要过程中最主要的三个信息,即“工程设计和制造的产品”,“生产控制管理”和“企业管理”,在几乎所有情况下,FMS（柔性制造系统）是模块化设计的原则，在基本模块的融合下，FMC可以分散在一定的区域内,如一个工业园区或整个世界[7]。
因此，它能够根据CIM和FMS之间的组合模式产生相当数量的FCIPS变体。此外,CIM的特征取决于系统配置的FMS在某种程度上,和FMS可以表现为一组的基本模块,例如设施管理,也能进行组合的可能(实际上,CIM主要包括CAD(计算机辅助设计),CAPP(计算机辅助工艺设计),CAOP(计算机辅助作业计划),MRP(物料需求计划或物料资源计划),SCM(供应链管理)等等)。
事实上，FCIPS可以在更大程度上促进本地化全球化时代的生产活动。在适当的时候，一个关键的问题是研究制造业文化，这是一种生产技术和工业社会学的协同作用。例如，制造文化提出了“文化-和思维协调产品”、“个体差异导向产品”、“敏感性兼容产品”、“美学类产品”，似乎属于智能产品的一个家族。[8]
图2所示 . FCIPS中的单元控制器和信息处理
为此,我们必须意识到“四肢和工具”在生产中的极端重要性,并在适当的时候特别注意层次结构中表示的顺序“工厂位置规划- FCIPS -FMS -机床-加工空间-附属物，刀具和原材料”。
2.2 智能工厂案例研究
在第一阶段，利用大量传感器(变频器)方便CPS模块采集“大数据”及其输出信号处理。然而，与FMS相比，CPS模块的定义还不明确，配置也没有按照表1具体显示，实践中的智能工厂可以给我们提供关于云计算和信息通信技术的宝贵知识。因此，下文将介绍和讨论一些案例研究，包括装配研究。
宝马雷工厂根斯堡工厂
该工厂已投产汽车智能装配系统，如表3和图3所示，该系统采用软件对品牌产品进行生产控制。[9]更具体地说，这条装配线上的CPS模块和云计算是以下硬件和软件的协同作用。
表 3. 配线规格
(1)硬件由数据标签和传感器组成。
(2)软件名为RTLS (实时定位系统)，该软件原则上由MES(制造执行系统)和ERP(企业资源规划)组成。
图3所示. 宝马实际应用与“国家科学和工程院”原创概念的比较
在适当的时候，管理者可以通过RTLS（实时定位系）统掌握工厂生产资源，即产品、人员、工具等的“状态和动作”，在虚拟空间中可视化这种状态和动作，并在适当的时候对装配流程进行适当的控制和调整。因此，宝马取得了如下可观的成绩，即使还没有量化。
(1)管理者基于装配状态实时识别的无调整指示和决策。
(2)流水线流程效率最高，减少重新组装。
(3)定制产品装配中错误工作的优化和保护。
相比之下，装配系统是传统的线流式，而不是CPS（信息物理系统）模块式的站(单元)，国家科学和工程院推荐使用CPS模块式[1]。此外，装配线只由“垂直网络”组成，而智能工厂则由垂直网络和水平网络组成。因此，图3通过雷达图将实际应用与原有概念之间的差异可视化，便于理解我们能在多大程度上受益，以及如何运用智能工厂的概念进行生产制造。简而言之，宝马的压力在于“大脑和神经系统”。
布拉格的捷克技术大学
在“数字双晶智能加工系统”项目下，开发了一种大型工件一次加工的CPS模块，其中数字双晶指的是两台实际的和虚拟的机器，核心机器为托斯品牌[10]。从字面上可以看出，该加工系统的特点如下。
(1)智能夹具:技术人员通过手持式显示器接收到“工作定位和调整”的指示，并可通过该指示提出问题，使空闲时间减少75%。
(2)利用CAD/CAM数据生成数控信息:通过“基于有限元模型的虚拟加工仿真”来强化这一功能，优化加工顺序。
(3)采用“双数字”识别加工误差。
德国机床制造商
一些德国机床制造商已经稳定销售适用于智能工厂的先进数控控制器，如表4所示。简而言之，表4显示了高级NC控制器和一般单元控制器之间的功能比较。
例如，Index品牌先进的数控控制器可以通过网络连接企业的管理机构，将其显示方式变为现实中的“无纸化加工”，也可以积累每个用户的加工知识和历史。虽然无法获得细节，西门子宣布其产品(品牌名称:SINUMERIK)的显著特征如下：(1)通过虚拟机将CAD/CAM与CNC进行集成优化。(2)用户订单规格显示。(3)无纸化生产。
相比之下，虽然在智能工厂中CPS模块是必须的，但是在高级NC控制器中还没有建立自主功能。
表4. CPS模块控制器与单元控制器的比较
为了加深理解，图4为EMG品牌先进数控控制器的功能；为了便于理解单元控制器的可交换性，图5为通用标准化FMC控制器的功能。
图4所示. 控制器兼容工业 4.0 - EMAG品牌, 2016
图5所示. FMS控制器的一般功能(乌尔曼, 2008)
从图5可以看到,单元控制器的主要问题是:(1)生产数控信息一起加工序列。(2)控制工具和工具布局。(3)监测细胞本身的操作条件和电池组件。(4)完成部分的质量控制和加工成果报告(除了这张照片外，第五张是基于2008年柏林大学教授的“柔性技术”的“网络上的自动化技术”）。
随着市场化程度的加强，我们必须推进单元控制器功能和性能的差异化研究，因此CIM与单元控制器在信息处理中的“分工”是当前面临的关键问题。
3.介绍了FMS及其在CPS模块中的可转换性
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