易平/博士
武汉益模科技股份有限公司/董事长兼总经理
中国模具工业协会数字化信息化委员会/主任
一、回顾
2015年，益模科技尝试基于 “中国制造2025”战略计划，构思针对模具行业的“模具制造2025”发展路径。在当时的契机之下，益模科技提出了四步走的实施步骤：1.0零件化生产→2.0数字化生产→3.0自动化生产→4.0智能化生产。立足当下，回顾当时提出的“模具制造2025”概念，与今天我们对模具业迈向智能制造的认识是比较契合的。
模具企业应利用标准化、信息化、自动化与智能化技术，帮助企业提高质量与效率、降低成本，减少对人工的依赖。而当前中国的模具企业数量多但发展阶段各不相同，其所属细分领域、企业规模、研发技术水平及员工素质等差异非常明显，更适合并联式的发展道路。很多企业在1.0阶段仍然需要进行标准化、规范化的“补课”，在数字化生产的2.0阶段，不少企业已经实施了一种或多种信息系统，但覆盖面不够需要进行“完善”，少部分企业已经“试点”了自动化编程、自动化加工单元等3.0阶段特征的工作，而智能化生产目前还在“探索”阶段，需要全行业努力去研究及尝试符合4.0特征的智能化最佳实践方案。
近几年，为了实现智能制造，各种概念和技术层出不穷，黑灯工厂、智能工厂、云计算、互联网+及人工智能等，对于模具企业而言，如何将这些先进的理念及技术落地到实实在在帮助模具企业提升品质、效率及效益上，是现阶段的核心问题。
益模科技为了先进理念和技术的落地做了多方面的尝试，2017年也正式担任中国模具工业协会数字化信息化委员会（简称“中模数信委”）主任单位，结合这样一个模具厂商、行业软件及智能装备供应商的平台，未来将推动中模数信委为模具行业提供一系列数字化、信息化、自动化及智能化技术的应用报告，同时逐步建立行业基准，推进团体标准的建设、并在典型模具细分行业及模具聚集区推动示范工厂的建设，进而推进行业的数字化、信息化、自动化及智能化技术的应用水平。
二、效率篇
为了全面的分析模具行业的效率问题，益模科技对部分模具企业进行了抽样分析，主要针对模具企业设备年运行工时、模具零件在机时间、人机配比等方面的数据。
1.设备年运行工时
下表中，统计了2017年模具企业主要加工设备的年运行工时数据，如CNC加工中心、电火花、线切割、三坐标等机床。
以CNC机床为例，它的平均年运行工时4335个小时，但是却只占全年工时（注：按照一年365天，每天24小时运转计算，全年共计8760个小时）的不到50%，而在此项指标上表现卓越的企业年运行工时达到了7374小时，高于平均值70%，说明大多数模具企业的机床利用率不高，还有很大提升空间。
2. 模具零件在机时间
下表对零件的在机比进行了分析，在机比=零件在机时间/模具加工周期。
模具加工周期，即零件的下料到装配的时间周期，此周期短则几天，但是长的可多达200多天。
从数据来看，模具加工周期越短，零件的在机比往往越高。如图所示在机比范围主要集中在7%-30%这个区间，其中最高的在机比也只达到35%左右。此项统计指标的数据说明零件大部分的时间在各种等待中度过，若能通过管理提升，减少零件的等待时间，模具的交货周期将能够较大幅度缩短，企业资金占用也会相应减少。
3.人机配比数据
人机配比，即为每人每班次操作机床的台数。
从图表看，在统计的样本数据中，CNC机床的人机配比是最高的，平均每人每班次可操作1.52台机床(注：上述数据也包括了组长和学徒)。当然，因统计的是平均值，部分优秀企业的人机配比达到3台以上甚至更高，但可能有些企业只能做到1:1。从图表中我们还可以看出，在CNC机床、电火花机床、线切割机床及三坐标机床中，三坐标的人机比是最低的，相当于两个人才能操作一台机床，说明此类设备对操作人员的依赖度较大。
通过对这三组数据进行分析，我们发现不同企业间的工作效率、机床利用率的水平差异是非常大的，即便是效率最高的模具企业，在生产制造方面都是有很大的潜力可以开发，需要通过技术手段进行优化。
三、质量篇
很多企业通过了各类质量认证，在这些质量标准中，实现质量数据的管理和质量问题的可追溯的基本要求，然而模具行业因为是单件生产模式，其制造过程中产生的质量数据往往是很难准确获取的，而且大多未实现数字化的可追溯分析，因此我们只对部分能够提供相对准确质量数据的样本模具企业进行了分析。
1.设计质量事故
设计是模具品质的源头，也是首先需要被重视的环节。在收集到的设计质量事故数据里，有标准造成的问题，如没有按照企业模具设计标准去执行造成的质量事故，以及订料数据出错、模具结构设计错误、工程图纸尺寸标注错误等问题造成的质量事故。
通过对数据及现有技术分析，我们发现，至少50%以上的质量事故，可以通过技术手段以及有效的管控进行规避。
2.生产质量事故
通过对样本数据分析，我们发现在生产加工环节造成的质量事故中，因加工造成的质量事故高达79%，其中CNC加工的占比接近50%。
以EDM电火花机床加工为例，造成异常的主要有电极损耗、电火花精度、电极精度偏差等因素。
四、落地篇
通过对上述效率及质量数据的分析，益模科技认为，模具行业未来在提升效率、质量以及提高企业效益方面还有很大的可优化空间。
现阶段面对市场上充斥的各种概念和新兴技术，不管选择哪一种方式，关键的问题是如何通过现有的标准化、信息化、网络化、数字化及自动化技术，将这些先进理念落地，从而实现提质增效降本。这种情况下，很多模具企业还是感觉云里雾里，不知道该如何推进，如何选择。针对这些问题，我们总结十多年来服务行业的经验，结合模具行业的特点，构思了以下逐步迈向模具智能制造的整体思路，供各模具企业参考。
1.流程化
目前，我国有几万家模具企业，因为各自的细分行业特点、企业规模、区域特征以及领导层管理理念的不同，企业的管理模式也不同，但不论采用怎样的管理模式，很重要的一点是需要将管理进行流程化、规范化。
流程化改善首先需要对模具企业的现有业务流程进行深入的分析。益模科技曾经为一家模具企业提供了设计流程优化分析，该企业以前完成一副模具的设计多达53个步骤。经过分析后发现，其中一部分是可以简化的，一部分是可以合并取消，最后流程优化下来有30%以上的优化空间。
同理，对于编程、加工及项目管理流程也是可以进行相应的优化。
2.标准化
标准化是信息化的基础，是实现智能制造的“地基”，企业必须予以重视，很多企业信息化项目实施不成功，其中一个重要原因往往就是标准化的基础不好。有了流程的规范化，企业可逐步对每一流程步骤开展标准化的工作，下面以模具设计环节为例。
当企业获得模具订单，传统的做法是由一位设计工程师完成所有的模具设计工作，部分企业会将3D设计和工程图设计分工进行。这样的设计模式，对设计工程师的个人依赖性比较大，而且复杂或简单的环节都由同一水平的工程师完成，不利于充分利用工程师的能力，同时也不利于标准化的推行。因为客户的模具标准、产品类型各不相同，具有很强的多样性，如果把模具设计各环节进行细化，将更有利于标准化的推行。
比如说曲面造型设计，可以将它分解为分型面设计、镶块及滑块设计以及运动分析检验，分解之后再对每一个环节进行模块化、单元化的总结，继而制定相应的标准。
对于加工而言，则体现在对加工参数的标准化。以电火花加工工序为例，一般而言，经验丰富的电火花机床操作工在掌握了加工经验后，可以用更少的时间完成更高质量的加工。因此，在加工工序操作过程中，操作工的经验的丰富与否，直接导致加工质量和效率的优劣。那么针对加工工序，我们首先要做的是参数的标准化，将经验最丰富的操作工的个人经验数据，转化为企业的加工参数标准，然后通过流程化标准化将这些经验固化下来，并可开展人员的专业分工，降低大多数环节的人员要求。
3.专业化
益模科技一位为北美模具企业提供软件服务的合作伙伴，在分享其服务心得的时候提到，其实很多当地模具从业人员年龄层次偏高，对新事物接受度比较弱，甚至显的不够“聪明”，有些较为复杂的工作，只有少量的人有能力承担。而在中国的模具企业里面，“聪明”人是比较多的，很多工程师可以实现工作“一肩挑”。比如在做电极设计时，国内的模具企业往往是安排一个工程师从头负责到底，但是在北美的很多模具企业，如果有五个人负责电极设计，他们会将整个电极设计分解为4-5个步骤，每个工程师严格按步骤进行设计，其中最复杂的电极头部设计交给专人来完成，一方面专业化分工效率得以提高，另一方面可以大幅降低对其他4位工程师的要求。
因此，在流程化、标准化的基础上，模具企业可以开展专业化的人员分工，进一步提高运作效率并降低大多数环节的人员要求。
4.系统化
曾经有一家全球知名的世界500强企业，在美国总部和中国同时设有模具工厂，他们统一建立了比较详细的模具标准体系。然而美方同事经常会抱怨，从中国来的模具虽然功能方面都能实现但是同类产品不同模具做法都不相同，没有按照公司统一的标准来设计。实际上模具设计、模具加工等工作都是条条大路通罗马，不同的工程师可能有不同的做法。然而对于一家全球化的企业来讲，当模具交付给它全世界各地的工厂时，需要确保模具品质、模具标准的一致性，这样能最大程度的降低维护成本，因此如何能将统一的模具标准固化并贯彻到各地模具工厂是该企业面临的重要挑战之一。
在模具企业，标准化一般是内部总结并形成纸质或电子图档，然后通过培训考核去贯彻实施。但是想要实现完全固化并易于推行，则势必通过信息技术，通过软件系统来实现。比如不同客户的模具设计标准、模具机构设计标准、毛坯余量标准、热处理工艺标准、加工参数可以通过专业模具设计和加工软件进行固化。以加工参数为例，当加工参数固化到系统中之后，工人无需在机床上进行各种加工参数的调节和操作。操作工拿到零件后扫描零件的身份识别信息比如条码或芯片，零件对应的加工参数程序可以自动生成并上传到加工机床上。这种方式，一方面降低了对一线工人的经验要求，另一方面也大幅度提升了加工品质的一致性。
此外，还有工艺流程标准化及固化，针对产品类型、模具类型、零件类型进行工艺的标准化，同样会大幅降低对工艺人员的经验要求。
5.自动化
在人口红利消失、人力成本高企的今天，越来越多的模具企业需要借助自动化来降低对人的依赖，并减少人力投入。当然，自动化不仅是集成了机器人的车间加工自动化，还应该包括模具企业各个环节的自动化，下面介绍五个主要环节的自动化内容：
① 设计及编程自动化
当我们将模具设计进行流程化、标准化及专业化分工后，可以为模具设计的每个环节研发专业自动化软件，包括智能算法的模具设计软件，可以实现单一设计环节的半自动化甚至全自动化设计(如3D结构单元自动化设计、BOM表自动化设计、2D工程图自动标注)，大幅提升设计效率。
② 加工自动化
目前车间一线操作工的招工越来越困难，不少模具企业开始尝试车间自动化的应用。在车间自动化应用上，益模科技自主研发了单元的柔性线，比如CNC单元柔性线、三坐标单元柔性线、EDM单元柔性线，以及轨道柔性线，且这些线体已成功应用于益模科技部分客户群。
③在机检测自动化
在模具企业中对加工质量的控制，体现在每一个加工工段的操作中。比如前文提到，CNC加工的质量事故的占整个加工段的50%，一旦加工不到位，会给加工的后工序，尤其是钳工工段，增加大量的额外的修复工作。
采用在机检测此类软硬结合的产品后，当企业在做大型零件加工的时候，操作员不需要将零件拆卸下来，再搬到三坐标上进行检测，在CNC加工机床上就可以完成加工过程的检测，从而确保每道工序的品质；同时能及时发现加工质量异常，操作工无需拆卸即可直接在机床上进行返工修理。
① 数据采集自动化
目前，市场上在推行各种各样的管理系统，但是数据采集如果仅仅依靠人工处理，所获得的数据往往准确性及时性低，影响管理系统的使用效果。
近年来，益模科技推出了自动数据采集的产品，实现了对模具厂主要机床设备的数据采集，比如CNC、电火花、线切割、三坐标等。通过自动数据采集，可以采集到机床当前的运转状态，主轴转速，机床负载等信息。结合业务系统数据及主轴运行时间、调试时间等数据的分析，可以识别机床空闲的原因，然后进行相应改善。
⑤管理流程自动化。
针对管理自动化，当前的方式是在管理系统中设置各种触发点。当达到设置的临界值时，系统会自动触发下一个流程。比如库存量小于供应量，采购周期达到70%等，类似这样的管理流程触发点，从而实现管理流程自动化。
6.智能规划
很多企业认为导入自动化系统后，生产效率提升了，产出也应该相应提高。但实际上呢？
设想一下，有三台机床，有分别来自A模B模C模三套不同模具的三个零件，当把九个零件放到货架上，不做任何计划的情况下，可能的做法是一号机将A模的三个零件依次加工完，二号机将B模的三个零件依次加工完，三号机将C模的三个零件依次加工完，如果每个零件的加工时间是一个小时，那么三个小时之后，三套模具的三个零件，同时加工完，之后三套模具同一时间具备装配条件。
如果采用高级自动排产系统，在考虑交期的情况下，进行简单的调整后，结果是A模的三个零件同时在一、二、三号机上加工，一个小时后A模可进行装配，用同样的方式，对B模和C模的零件进行加工，两个小时候后B模可进行装配，三个小时后C模可进行装配。
这两种方式下机床的利用率是完全一样的，但是对于模具交货期，却有着巨大的区别。
因此，益模科技认为，智能规划即整个车间生产计划的APS（高级自动化排产）优化排产，是智能化工厂的“大脑”，而车间自动化生产线就相当于“手”和“脚”，动作再快也需要有“大脑”的指挥和安排，才能发挥出智能工厂的效益。
7.协同化
模具生产属于面向资源的工程订单型生产模式，完全按照客户订单组织生产，存在随机性也会随之出现波峰波谷，企业资源往往按波谷略高来配置，但在订单波峰阶段，工厂内的资源则无法满足交付需求。此时，可通过基于SaaS（软件即服务）技术的帮模网等模具互联网协同制造平台，将设计、编程及加工等任务分发给全国各地的协作伙伴来共同完成。
8.质量管控闭环
目前市场上有各种各样的质量管理理念和质量标准体系，比如全面质量管理，精益管理思想等，但是相当多的质量控制过程产生的数据，比如进货检验、工序过程检验及加工过程检验等这些质量数据并没有留存在企业的质量数据库中。那么，造成质量事故的根本原因，企业就无从得知，也就无法彻底消除这些未知的质量事故隐患。
近年来，益模科技推出了EQMS企业级可视化质量管理平台，该产品的研发宗旨是将源头的设计，到编程、物料、设备生产数据、过程检验数据、三坐标检验数据，统一汇总到平台上。
当出现质量事故时，EQMS平台自动进行大数据分析，比如甚至可以识别到哪一个工程师设计的模具，哪一个编程人员编程的零件程序，哪一个操作工操作的机床，在什么时间做了哪种特征的零件加工，产生了什么样的质量事故数据。
经过一段时间累积后，企业可能会发现同类型的机床，为什么只是某号机经常出现质量加工偏差？为什么某个编程员会出现这样的质量加工偏差，通过对这些质量数据的分析，企业可以发现一些根本原因，从而进行改善。
五、结语
智能制造是模具行业发展的必经之路，我们需要从现在开始一步步扎扎实实去走，并且每一步都需要紧密围绕提质增效这样最基本的目标，以流程化、标准化、专业化为基础，逐步开展系统化、自动化、协同化、全流程质量闭环控制以及智能规划等工作，形成企业的核心竞争力。
