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根云-工業(yè)趨勢分析
返回智能制造領(lǐng)域的創(chuàng)新可以像靈光一樣突然閃現(xiàn)，但這種情況很少。更多時候，生物打印、區(qū)塊鏈、云制造及實時生產(chǎn)控制等技術(shù)的突破需要多年的悉心鉆研，并且時常伴隨著學(xué)術(shù)環(huán)境中艱辛和系統(tǒng)的工作。
這里我們將介紹這一群專家和他們所開展的辛勤研究。所有專家都具有博士學(xué)位，他們中的許多人不光注重個人研究成果，更將培養(yǎng)眾多學(xué)生成為下一代創(chuàng)新者視為重要成就。他們期待所有人不光會思考“為什么”，還會思考“為什么不”。
Laine Mears教授希望成為智能制造領(lǐng)域的一位“紅娘”。他說，“在智能制造解決方案如何落地到制造車間方面還有很多工作要做，許多技術(shù)在不斷涌現(xiàn)。我希望設(shè)計出一種流程，使有廣闊前景的技術(shù)可以以可控和可擴展的方式找到合適客戶，而不會消失在潛在解決方案的海洋中。”
Mears在克萊姆森大學(xué)創(chuàng)立了THINKER（技術(shù)-人結(jié)合的知識、教育和研究）計劃，并獲得了國家科學(xué)基金會（National Science Foundation）的五年資助，以教育學(xué)生如何最好地將人與數(shù)字化制造企業(yè)相結(jié)合。“這超越了傳統(tǒng)的人機界面設(shè)計，取而代之的是了解人類如何生成和使用信息，以及將人與機器的組合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最有效信息的最佳方法。”是否也想從事這類研究？米爾斯建議建立一個廣泛網(wǎng)絡(luò)來支持這一計劃。“我發(fā)現(xiàn)制造業(yè)研究人員（包括工業(yè)界和學(xué)術(shù)界）是一個非常協(xié)作的團隊，因此網(wǎng)絡(luò)越大，機會就越大。”
Bukkapatnam教授和他的“復(fù)興工程師”學(xué)生團隊使用Python創(chuàng)建了一個開源的CAD / CAM界面，以生成用于混合3D打印和金屬銑削的G代碼。他們在大學(xué)網(wǎng)站上寫道：“基于金屬的增材制造工藝仍缺乏開源軟件和支持社區(qū)（如FDM打印的社區(qū)）。”
他們成功地將開源軟件與該大學(xué)的Optomec混合打印機集成在一起，并演示了各種現(xiàn)成的軟件和硬件模塊，以足夠快的速度收集、管理和分析過程中的大型數(shù)據(jù)流，從而可以及早發(fā)現(xiàn)故障以保證質(zhì)量。“我的學(xué)生們對制造技術(shù)以及最新的測量和數(shù)據(jù)分析方法有了很好的理解。他們在高級制造平臺上獲得了實踐經(jīng)驗，接受了高級數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)方法的培訓(xùn)，以解決數(shù)據(jù)和智能制造系統(tǒng)中的復(fù)雜挑戰(zhàn)。” 他自己的研究是利用高分辨率的非線性動態(tài)信息，特別是來自無線MEMS傳感器的信息，來改善制造業(yè)過程和系統(tǒng)的監(jiān)測和預(yù)測。
曹教授的實驗室開發(fā)了一種完全無模具的成形系統(tǒng)，稱為雙面增量成形。該系統(tǒng)可以形成3D鈑金零件，而無需使用當(dāng)前的特定幾何模具。她說：“借此我們可以將零件設(shè)計周期從最多12周減少到不到一周，并且不再需要制造模具。
雙面增量成型（DSIF）面臨的挑戰(zhàn)包括幾何精度和可成形性預(yù)測，為此我們開發(fā)了一種使用機內(nèi)傳感器和基于機械的離線計算模型的原位補償方法。” 目前，她正在研究制造過程編譯器的概念，該編譯器將來自多個領(lǐng)域的知識集成到一個平臺上，這樣就可以確定哪些制造過程最適合給定的設(shè)計。“最終，可以將這種編譯器用作新流程創(chuàng)新的基礎(chǔ)。這說起來容易做起來難，需要一些長期的工作。” 她指出，制造業(yè)教育的意義不僅僅限于STEM課程。“因此，我的建議是要有一個系統(tǒng)視角，盡量開闊眼界，然后找到自己的專業(yè)并進行協(xié)作。
未來十年，F(xiàn)einberg教授希望將3D生物打印支架和組織從工作臺轉(zhuǎn)移到床旁。在五年內(nèi)，他希望展示更多小型功能性器官，比如像多腔心臟，它可以輸血并且可以存活90天以上。他開設(shè)了實驗室研討會并有望從一些參會人員那里得到幫助，研討會專門討論如何制造他所用到的開源3D生物打印機。
同時，F(xiàn)einberg教授的實驗室為液體和軟性材料開發(fā)了一種新的3D打印技術(shù)，被稱為懸浮水凝膠自由可逆嵌入（Freeform Reversible Em
Ajay P. Malshe教授發(fā)現(xiàn)，在已工業(yè)化和正經(jīng)歷工業(yè)化的世界，每人每天至少會接觸10臺機器。而摩擦、磨損、機加工和腐蝕等制造、操作和維護方面的挑戰(zhàn)——他稱之為“機械設(shè)備癌癥”——正嚴(yán)重影響著機器的性能，并造成數(shù)十億美元的損失。這些設(shè)備癌癥發(fā)生在納米級，因此納米制造是治愈它們唯一明智的解決方案。
Malshe教授說，“我和我團隊在納米制造方面的創(chuàng)新有助于解決對全世界產(chǎn)生影響的制造、運營和維護挑戰(zhàn)。”展望工業(yè)5.0，Malshe認(rèn)為工業(yè)5.0將以人類和地球為中心，并且將是人類與地球和諧相處的真正智能制造。他說，“我們正在經(jīng)歷全球人口、中產(chǎn)階級規(guī)模和整體預(yù)期壽命的空前增長。作為一種文明，我們需要為大眾在地球生存提供越來越多的好工作。” 他認(rèn)為“智能制造”的定義需要重新審視，因為我們將很快達(dá)到地球上可用自然資源的理論極限。
Cormier教授在增材制造領(lǐng)域的25年中，大部分時間都集中在工程化晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造上，這些晶格結(jié)構(gòu)現(xiàn)已廣泛用于輕型航空航天結(jié)構(gòu)、骨植入物表面、過濾器和熱交換器。“這一切始于1990年代后期，當(dāng)時我在同事的桌子上看到一塊泡沫銅，”他說，“他解釋了細(xì)胞結(jié)構(gòu)的表面積、孔隙率和曲折度等特性如何對其功能性能至關(guān)重要。那是在3D打印的初期，我立即開始考慮巴克球或其他幾何構(gòu)造塊的3D陣列，這將允許設(shè)計人員根據(jù)給定應(yīng)用程序的性能要求優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)。”
Cormier教授最終將這些東西稱為工程細(xì)胞材料，并開始了整個職業(yè)生涯的研究。他說：“如果你今天去參加增材制造貿(mào)易展覽，幾乎每個展位都會展示工程蜂窩材料的例子?？吹讲⒘私獾轿沂沁@一領(lǐng)域的先驅(qū)之一，非常令人高興。”
Glenn Daehn教授正與一群頂尖聰明的人一起開發(fā)兩個愿景：一個是脈沖制造，即在工廠或?qū)嶒炇噎h(huán)境中使用脈沖產(chǎn)生的爆炸樣的能量。另一種是變形制造，也就是機器鍛造，利用數(shù)控形變來制造零件。他表示：“我們希望看到脈沖和變形制造發(fā)展為常用的商業(yè)流程。這兩種材料都有望解決成形和連接新材料和結(jié)構(gòu)中的實際問題。”
Daehn認(rèn)為，先進的控制和人工智能有望使許多專門制造技術(shù)成為主流技術(shù)，并且可復(fù)制和更敏捷。“想象一下，一個機器人系統(tǒng)可以做熟練工匠能做的事情，但它的可重復(fù)性更高，而且每一步操作都有清晰記錄，”他若有所思地說。關(guān)于學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的合作，他表示這兩個業(yè)界之間還存有太多差異。“在學(xué)術(shù)界，我們必須更多地關(guān)注集成、工程和實際問題的解決，注重培養(yǎng)那些更喜歡動手而不是分析的人才。這樣就會有更多的實驗室可以在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界之間共享” 。
倪軍教授就像一條智能制造之河的河口，他所帶領(lǐng)的近百名博士、70名碩士以及數(shù)百名工科生則形成了這條智能制造之河的支流。這些支流散布到了其他大學(xué)的教職職位和全球企業(yè)的高管職位。他說：“我為自己作為密歇根大學(xué)和上海交通大學(xué)聯(lián)合學(xué)院的創(chuàng)始院長所取得的成就感到驕傲。成千上萬的美國和中國學(xué)生已經(jīng)從工程教育的這種全球創(chuàng)新中受益。”
他的國際成就不止于此。從2017年到2019年，倪教授在世界經(jīng)濟論壇上擔(dān)任全球未來先進制造和生產(chǎn)委員會的聯(lián)合主席。在從事先進制造技術(shù)的研究40年后，倪軍教授最想幫助智能制造的企業(yè)家們，因此三年前他創(chuàng)立了一家公司。他對未來智能制造系統(tǒng)的愿景包括：傳統(tǒng)品質(zhì)之外的響應(yīng)性、順應(yīng)性、可重構(gòu)性和可重用性；能夠評估自身狀況并做出必要補償?shù)木哂凶晕乙庾R和自適應(yīng)能力的機器；零缺陷與故障源的預(yù)測和自動識別；近零停機和所有零件從頭到尾保證正確。
目前為止，Binil Starly教授最重要的研究成果是使一個LED燈發(fā)光。而那道光意味著他的團隊成功使一臺物理制造機器通過數(shù)字孿生與全球的區(qū)塊鏈進行通信。該機器能夠根據(jù)存儲在區(qū)塊鏈上的智能合約自主發(fā)起交易，從而觸發(fā)另一臺聯(lián)網(wǎng)物理機器上的LED。
他說：“這一刻證明了區(qū)塊鏈技術(shù)在縮小制造服務(wù)公司與其潛在客戶之間的差距方面具有巨大潛力，提高了透明度和信任度。這也意味著整個機器現(xiàn)在可以連接到全球分散的制造資源節(jié)點網(wǎng)絡(luò)上，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)制造。”據(jù)Starly教授預(yù)計，智能制造將在跨越產(chǎn)品生命周期的三個領(lǐng)域取得進展，這些領(lǐng)域相互關(guān)聯(lián)。首先是與人類共同協(xié)作的智能界面；其次是分散的制造服務(wù)市場；第三，制造商將通過從車間層的機器到業(yè)務(wù)和IT系統(tǒng)進行數(shù)字連接，來響應(yīng)用戶偏好，將人、流程和技術(shù)整合在一起。
1998年，王立翚教授已經(jīng)著手研究基于網(wǎng)絡(luò)，模型驅(qū)動的機器和機器人實時監(jiān)控。2008年，他的工作又涵蓋了人機協(xié)作。監(jiān)控與人機協(xié)作兩者構(gòu)成了數(shù)字孿生和信息物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。他的團隊目前正積極研究應(yīng)用于預(yù)測性維護、加工工藝規(guī)程以及人機協(xié)同裝配的大數(shù)據(jù)分析和人工智能。
王立翚表示：“大數(shù)據(jù)和人工智能算法的結(jié)合可以利用實時制造智能，充分發(fā)揮各決策流程的潛力。這將使制造業(yè)朝著更高的生產(chǎn)力、效率、盈利能力和長期可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展。”在他的愿景中，未來將由數(shù)據(jù)、人工智能模型、知識和人類技能驅(qū)動，由網(wǎng)絡(luò)空間的云/霧計算賦能，并以人類為中心。他表示：“一方面，人工智能和增強現(xiàn)實將為人工操作人員提供按需決策支持，另一方面，人類的感知和適應(yīng)能力將被用于以腦波形式取代死板的控制代碼來驅(qū)動制造設(shè)備。”
Wuest博士和南卡羅來納大學(xué)的Ramy Harik博士去年撰寫了《先進制造概論》一書，這是一本旨在填補工科學(xué)生在制造教育方面空白的教科書。Wuest指出，這本書有一章專門介紹智能制造，這“據(jù)其所知尚屬首例”。2018年，他開始在《世界制造業(yè)論壇報告》的編委會擔(dān)任美國和智能制造業(yè)代表。
他十分強調(diào)智能制造系統(tǒng)中人的因素；彌合專家知識之間的差距；混合方法中基于物理的建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，并支持協(xié)作方法以幫助小型企業(yè)制定智能制造藍(lán)圖。Wuest希望看到學(xué)術(shù)界使其教學(xué)有關(guān)制造的內(nèi)容更加現(xiàn)代化。他表示，學(xué)術(shù)界也可以很好地接受面向工程專業(yè)學(xué)生的跨學(xué)科、跨項目的課程以及基于項目的學(xué)習(xí)。而大學(xué)與高中合作，改變?nèi)雽W(xué)新生對制造業(yè)“黑暗、骯臟、危險”的看法，并反映當(dāng)今的現(xiàn)實，即制造業(yè)提供高薪、令人有成就感的有助于整個社會的高科技職業(yè)，將是明智之舉。
通過引入機會窗口，直接虛擬數(shù)據(jù)建模和永久性生產(chǎn)損失等新穎的概念和方法，常教授成為數(shù)據(jù)驅(qū)動建模以及實時生產(chǎn)控制和提高制造系統(tǒng)的效率和決策方面的先驅(qū)。她表示：“我研究的幾個方面已經(jīng)在物理形式上得到了實現(xiàn)和驗證，我對此感到特別自豪。”
常教授開發(fā)并實施了一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時決策支持系統(tǒng)，用于在動態(tài)和隨機操作條件下優(yōu)化生產(chǎn)操作。她的研究成果已在北美的許多通用汽車工廠得到了實施，并為工廠的運營效率和經(jīng)濟效益帶來了顯著的改善。若經(jīng)廣泛采用，它將為其他許多行業(yè)帶來更大的經(jīng)濟利益。她認(rèn)為人工智能和機器學(xué)習(xí)的最新發(fā)展顯示出巨大潛力，可以通過先進的分析工具來處理大量的制造業(yè)數(shù)據(jù)，從而改變制造業(yè)。她表示，對數(shù)據(jù)驅(qū)動制造的關(guān)注要求未來的工程師獲得數(shù)據(jù)科學(xué)方面的培訓(xùn)，這也是智能制造領(lǐng)域的一項使能技能。
Schmitz教授認(rèn)為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的共生關(guān)系是智能制造未來的關(guān)鍵。“在學(xué)術(shù)界，我們處在培養(yǎng)下一代制造工程師的第一線，”他指出，“學(xué)術(shù)界了解行業(yè)需求是很重要的，這樣教育才能滿足這些需求。同樣，工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的合作也很重要，這樣才能成功地實現(xiàn)新的想法和技術(shù)。此外，Schmitz認(rèn)為智能制造是美國工業(yè)發(fā)展的催化劑。
他表示:“我認(rèn)為智能制造是擴大美國制造基礎(chǔ)（包括機械加工）的基礎(chǔ)。由于我們能夠在制造過程中做出更好的決策，我們將提高我們在全球市場上的競爭力。”Schmitz的研究重點是開發(fā)制造過程的預(yù)測模型，包括預(yù)測銑削和銑削過程仿真中刀位動力學(xué)的方法。他認(rèn)為，將基于物理的制造過程模型與機器學(xué)習(xí)算法結(jié)合起來以實現(xiàn)自主操作大有前景。這也將是他今后的智能制造研究方向。
Harik教授在南卡羅來納大學(xué)建立了未來工廠實驗室，他希望看到學(xué)術(shù)界通過創(chuàng)建類似的實驗室來形成一個網(wǎng)絡(luò)，從而為智能制造的未來做出貢獻。他說:“該網(wǎng)絡(luò)將整合來自網(wǎng)絡(luò)制造、自動化和先進制造的基本概念，形成一個生態(tài)系統(tǒng)，未來的學(xué)生將在畢業(yè)前探索和使用這些概念。”Harik的實驗室是一個獨特的實驗平臺，包括一系列工業(yè)設(shè)備：機器人、無人機、實時攝像機、傳送帶、智能眼鏡和增強現(xiàn)實設(shè)備。
這是一個數(shù)字化平臺，擁有活躍的數(shù)字孿生和一個數(shù)字引擎處理所有傳入的數(shù)據(jù)并運行潛在的沖突、故障場景。他希望在這個平臺上繼續(xù)創(chuàng)新，同時在此基礎(chǔ)上開發(fā)智能制造的在線課程。他表示:“未來工廠的平臺將是在線課程的一個活躍的測試平臺。我想讓這門課程盡可能普及，以吸引未來的工作者關(guān)注智能制造以及制造業(yè)就業(yè)這一極為有趣的話題。”
