制造业中的工业 4.0：自动化的强大力量

1784 年，第一次工业革命始于由水和蒸汽驱动的机器。第二次革命发生在 1870 年，钢铁和电力的大规模生产；在此期间，世界也见证了飞机的发明。 1960 年，第三次工业革命引入了复杂的电子、计算机和自动化。这场革命主要集中在工业过程中的数字革命。今天，我们生活在一个专注于将现实世界与虚拟世界同步的网络物理系统中。这被称为第四次革命，即工业 4.0，这是世界经济论坛执行主席克劳斯·施瓦布先生于 2015 年正式提出的术语。

工业 4.0 是新的工业革命，旨在创建由机器和流程与智能平台联网提供支持的智能工厂。工业 4.0 制造革命包含各种元素，例如数据分析、物联网 (IoT)、先进机器人技术、增强现实、增材制造、虚拟工厂软件和数字可追溯性。

本文将深入探讨工业 4.0 制造，包括卓越的工艺和技术以及仍需改进的地方。

工业 4.0 制造的主要技术要素

下面，我们将详细介绍构成当今工业 4.0 制造流程的一些主要技术元素，并看看它们的优势和局限性。

增材制造

增材制造 (AM) 也称为 3D 打印，它利用 3D CAD 模型通过添加材料逐层制造零件，这与传统的减材技术不同。如今，增材制造技术正在满足汽车、制造、航空和医疗等许多行业的复杂设计需求。

在过去的二十年里，增材制造技术经历了不同的发展阶段。立体光刻是1986年在AM下开发的第一个获得专利的快速成型技术。此后，它经历了以下几个继承：

• 3DP（三维打印）——1993 年
• 熔融沉积建模 - 1992 年
• 选择性激光烧结 - 1989 年
• 层压制品制造 – 1988 年
• 激光工程网成型 – 2000 年

优势

与传统的减材工艺不同，增材制造技术可以帮助您在短时间内设计出功能原型。材料浪费显着减少，因为该技术利用了零件所需的原材料，并提供了重新使用剩余材料的选项。由于零件是使用一种工艺制造的，并且几乎不需要设置，因此您可以在多个制造和组装步骤上节省时间和金钱。

限制

增材制造仍处于测试阶段。存在功能限制，例如低速，使其不适合大规模生产。使用增材制造创建的原型通常还需要后期处理。此外，由于增材制造使用液体粉末和金属聚合物，这些材料缺乏足够的强度来制造大型零件。

虚拟工厂

今天的智能工厂采用信息物理系统，并在很大程度上利用信息技术的力量。在智能工厂中，该系统有助于机器和其他制造资源进行沟通、协作和团队合作，几乎没有或没有人为干预。然而，安装这些制造系统的成本很高，并且测试起来可能会有风险。对此，虚拟工厂框架提供了必要的决策支持。

优势

虚拟工厂 (VF) 框架是一种先进的 3D 仿真软件环境，用于评估您的智能工厂在可变需求和动态工厂条件下的性能。您可以将它用于单个设备或整个工厂。 VF 技术对于在没有历史数据的情况下预测新制造系统的工艺变异性非常有用。

限制

为了让模拟程序返回可靠的结果，必须准确地概述您的设施的具体情况。这些是劳动密集型定制，需要主题专家。由于模拟基于连续的实时数据输入运行，制造系统、机器或机器人内的任何参数变化都可能影响结果的准确性。

工业机器人

借助人工智能和大数据分析等技术，工业 4.0 制造流程依靠工业机器人来提高生产速度并降低流程成本。

优势

与传统的祖先不同，工业 4.0 制造革命中的机器人被设计成具有自我意识、自我维护和自我预测能力。凭借先进的感官系统，这些新一代机器人与其他机器人和人类工人互动，以提高制造质量。他们使用先进的传感器技术来增强对各种手动任务的感知能力，例如自动零件检测、正确的材料拾取和物品的安全处理。

限制

搭载高度敏感和节能的机器人具有挑战性。此外，工业 4.0 阶段的机器人还没有成熟，无法取代经验丰富的工人完成装配线和配送中心的复杂任务。

工业 4.0 和金属加工设施

金属加工行业可以从工业 4.0 革命中大大受益，包括降低运营成本、减少材料浪费、快速交付和低修改可能性。制造商可以在制造过程的每个阶段获得收益。

智能数控机床可以使用历史数据构建预测模型，以防范潜在的故障点。物联网传感器和智能电表的综合作用可以帮助大型机器在空闲时间有效地管理能量流。来自机器的实时过程反馈将是操作员在其 alpha 阶段消除任何潜在错误的理想选择。

自动化可以提高生产速度并减少人为错误，但某些元素仍然无法实现。其中一项要素是为项目采购合适的材料。如果工件质量差，自动化的智能数控机床就没有用处。

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