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幾十年來(lái)，世界制造業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)力一直是降本增效所必需的大批量、少品種生產(chǎn)思維。這導(dǎo)致了半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)的生產(chǎn)離岸外包，工廠盡可能地向最廉價(jià)的地方轉(zhuǎn)移，全世界都在承擔(dān)著龐大的全球供應(yīng)鏈和運(yùn)輸系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。20世紀(jì)90年代，日本機(jī)械工程師實(shí)驗(yàn)室 (MEL) 提出了微型工廠的概念，但這個(gè)想法在業(yè)界基本上被束之高閣，直到最近才開(kāi)始引起人們的關(guān)注。
在過(guò)去的幾年里，微型工廠越來(lái)越容易建立，對(duì)微型工廠的需求也顯著增加?，F(xiàn)在已經(jīng)有相應(yīng)的技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和市場(chǎng)需求來(lái)建造小型、靈活的微型工廠，以快速響應(yīng)客戶(hù)的定制要求，同時(shí)保持低成本費(fèi)用、低占地面積和低環(huán)境影響（通過(guò)可持續(xù)發(fā)展措施和近岸外包）。
那么這意味著微型工廠時(shí)代的到來(lái)嗎？ 本文將探討微型工廠概念的起源，介紹微型工廠的特點(diǎn)，并展望微型工廠的未來(lái)。
微型工廠的起源
微型工廠概念的起源相對(duì)簡(jiǎn)單。日本的MEL曾倡導(dǎo)縮小傳統(tǒng)制造設(shè)備的相對(duì)尺寸、重量、占地面積和成本，以實(shí)現(xiàn)更高的效率和模塊化制造。在此倡議下出現(xiàn)了單元式和模塊化的制造設(shè)備，現(xiàn)在這種設(shè)備在快速成型機(jī)和緊湊型制造系統(tǒng)中已相對(duì)普遍。單元式制造的一個(gè)重要特點(diǎn)是，自動(dòng)化系統(tǒng)允許工件或組件在各工位之間自由移動(dòng)，以滿(mǎn)足產(chǎn)品的定制和功能要求。這種方法與大多數(shù)大規(guī)模制造中典型的高線(xiàn)性度生產(chǎn)線(xiàn)方法截然不同。
除了制造設(shè)備的物理特性外，微型工廠的概念還秉承了昔日工匠和手藝人的多品種、小批量原則，可以就地生產(chǎn)高度定制化的產(chǎn)品。不過(guò)，受許多地區(qū)的勞動(dòng)法規(guī)影響，支持眾多人力所需的成本、占地面積和基礎(chǔ)設(shè)施代價(jià)很高、難度很大。因此，微型工廠能否盈利并取得成功，取決于對(duì)自動(dòng)化、云基礎(chǔ)設(shè)施、智能和連接的大量使用。
幾十年來(lái)，微型工廠主要是作為一種創(chuàng)新方法用來(lái)快速制作原型，或者滿(mǎn)足客戶(hù)的關(guān)鍵需求，比如客戶(hù)需要緊急提供高度專(zhuān)業(yè)化的產(chǎn)品，但自己又沒(méi)有時(shí)間或資源來(lái)建立整個(gè)傳統(tǒng)制造系統(tǒng)。
現(xiàn)在，隨著全球可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)興起，企業(yè)、業(yè)界和消費(fèi)者都在尋求降低碳排放，并減少與運(yùn)輸和大規(guī)模工業(yè)活動(dòng)相關(guān)的環(huán)境影響。工業(yè)5.0是推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ?，它?qiáng)調(diào)將人類(lèi)的創(chuàng)造力與自動(dòng)化的效率相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更加環(huán)保、對(duì)社會(huì)更加負(fù)責(zé)的工業(yè)運(yùn)營(yíng)。這也是微型工廠的另一個(gè)重要原則：從整體角度提高效率，減少浪費(fèi)。在靠近需求源的地方建立分布式制造能力，可以降低運(yùn)輸成本，更快地向客戶(hù)交付貨物。這種方法的另一種思路是，微型工廠可以設(shè)在非?？拷璧脑牧匣蚧A(chǔ)產(chǎn)品的地方，從而進(jìn)一步減少運(yùn)輸開(kāi)銷(xiāo)。
微型工廠的要素
微型工廠有幾個(gè)關(guān)鍵要素，使這一概念能在現(xiàn)實(shí)中落實(shí)，并在商品生產(chǎn)中發(fā)揮出價(jià)值：
- 占地面積小、位置便利
- 自動(dòng)化、機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 和人工智能 (AI)
- 連接和通信基礎(chǔ)設(shè)施
- 智能和數(shù)據(jù)
- 響應(yīng)快速
- 成本支出低
- 監(jiān)管輕松和稅收優(yōu)惠
占地面積小、位置便利
顧名思義，微型工廠占地面積小，可以提高效率，降低材料和貨物的運(yùn)輸開(kāi)銷(xiāo)。微型工廠的占地面積小意味著，這些工廠可以建在傳統(tǒng)制造工廠無(wú)法建造的地方。這取決于可用的不動(dòng)產(chǎn)或限制地區(qū)工廠規(guī)模的地方法規(guī)。
微型工廠占地面積小的一個(gè)好處是，它可以設(shè)在關(guān)鍵原材料/基礎(chǔ)產(chǎn)品的來(lái)源地或客戶(hù)群附近。在選址上有了更大的靈活性，微型工廠優(yōu)化供應(yīng)鏈或交付能力的可能性就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)工廠。
自動(dòng)化、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能
微型工廠概念的關(guān)鍵是單元式制造站，它可以根據(jù)各種制造和組裝要求快速重新編程或進(jìn)行模塊化配置。工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化歷來(lái)都很昂貴，這就是為什么大多數(shù)制造系統(tǒng)都基于高度專(zhuān)業(yè)化的線(xiàn)性和大批量制造設(shè)備。現(xiàn)在的市場(chǎng)上有固定式機(jī)器人和自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 系統(tǒng)，它們可以快速編程或更換，以實(shí)現(xiàn)各式各樣的操作能力。借助自動(dòng)化工具更換和模塊化工具系統(tǒng)，可以配置許多新型自動(dòng)化系統(tǒng)完成諸多專(zhuān)用制造系統(tǒng)的任務(wù)。隨著ML/AI視覺(jué)和處理系統(tǒng)越來(lái)越容易獲得，現(xiàn)在可以使用ML/AI機(jī)器人控制器，快速培訓(xùn)機(jī)器人按照人類(lèi)指令執(zhí)行任務(wù)，就像培訓(xùn)新技術(shù)人員一樣，但所需的時(shí)間和成本卻要低很多。
與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，自動(dòng)化制造站更加緊湊，因?yàn)樗鼈儾恍枰獮槿斯げ僮鲉T和安全裕度留出專(zhuān)用空間。自動(dòng)化設(shè)備還可以使用遠(yuǎn)程操作員，進(jìn)一步減少特定工廠所需的空間和人員。有了基于網(wǎng)絡(luò)和云的基礎(chǔ)設(shè)施以及足夠的自動(dòng)化程度，一名遠(yuǎn)程操作員就可以同時(shí)對(duì)多個(gè)制造站進(jìn)行編程和監(jiān)控，甚至可以同時(shí)支持多個(gè)微型工廠；也就是說(shuō)，一名技術(shù)嫻熟的操作員可以幫助遠(yuǎn)程支持多個(gè)微型工廠。相比之下，傳統(tǒng)制造業(yè)需要在每個(gè)位置都配備一名經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員。
連接和通信基礎(chǔ)設(shè)施
要實(shí)現(xiàn)任何遠(yuǎn)程操作，甚至是機(jī)器和操作員之間的自動(dòng)協(xié)調(diào)，都必須具備功能強(qiáng)大的通信基礎(chǔ)設(shè)施。該基礎(chǔ)設(shè)施必須同時(shí)處理每個(gè)傳感器、執(zhí)行器、控制器、機(jī)器人系統(tǒng)、自動(dòng)化站、安保、消防和安全系統(tǒng)以及本地或遠(yuǎn)程人類(lèi)操作員之間的數(shù)據(jù)交換。這絕非易事，而是需要大量的通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。不過(guò)，與前幾年相比，現(xiàn)在這種技術(shù)更容易獲得，而且現(xiàn)在有專(zhuān)門(mén)為制造業(yè)設(shè)計(jì)的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。許多著名的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已納入與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)兼容的機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 通信協(xié)議，以更好地支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和一般物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
有了新的衛(wèi)星連接選項(xiàng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，現(xiàn)在甚至可以在多年前無(wú)法連接互聯(lián)網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)建立具有合理數(shù)據(jù)吞吐量要求的微型工廠。現(xiàn)在，具有相對(duì)較高數(shù)據(jù)傳輸速率的衛(wèi)星和蜂窩模塊已經(jīng)足夠小巧，價(jià)格也足夠低廉，可以包含在AMR和機(jī)器人系統(tǒng)中，進(jìn)一步支持蜂窩規(guī)模的微型工廠連接。
智能和數(shù)據(jù)
面向微型工廠的更高自動(dòng)化水平的基礎(chǔ)設(shè)施意味著微型工廠可能會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)必須妥善處理和存儲(chǔ)，以保證質(zhì)量和進(jìn)行跟蹤。不過(guò)這些數(shù)據(jù)也可以提供寶貴信息，用于進(jìn)一步提高各種制造流程的效率。這些數(shù)據(jù)的某些部分甚至可以包裝成智能產(chǎn)品出售。
響應(yīng)快速
有了更多的模塊化制造和加工系統(tǒng)、單元式制造流程和自動(dòng)化，微型工廠系統(tǒng)就可以根據(jù)客戶(hù)或顧客的需求快速重新配置。例如，工廠可以連續(xù)生產(chǎn)各種暢銷(xiāo)的商品和產(chǎn)品系列，也可以快速按需生產(chǎn)客戶(hù)直接訂購(gòu)的商品；工廠可以根據(jù)市場(chǎng)機(jī)會(huì)完全重新配置以生產(chǎn)新產(chǎn)品；也可以生產(chǎn)各種批量的產(chǎn)品，從一個(gè)訂單一件到數(shù)千件。這種針對(duì)客戶(hù)需求的敏捷性和靈活性，再加上便利的位置帶來(lái)的快速交付和材料供應(yīng)，意味著微型工廠只需傳統(tǒng)工廠的很小比例就能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求或客戶(hù)訂單。
成本支出低
對(duì)自動(dòng)化和效率的看重意味著微型工廠加工和制造站可能是單個(gè)成本相對(duì)較高的項(xiàng)目。不過(guò)，這些系統(tǒng)應(yīng)該能滿(mǎn)足多個(gè)傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的要求。而且，微型工廠的整個(gè)概念側(cè)重于小巧、靈活的裝置，其成本支出自然要比傳統(tǒng)工廠低得多。利用微型工廠的概念，小型企業(yè)或初創(chuàng)企業(yè)可以在其客戶(hù)群或材料供應(yīng)地附近建立微型工廠，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，以有限的成本支出自然地發(fā)展和擴(kuò)大規(guī)模，而不必承擔(dān)經(jīng)常伴隨著高利率貸款和借款的高額初始投資。大型工廠往往需要借貸大筆資金來(lái)購(gòu)買(mǎi)必要的不動(dòng)產(chǎn)，甚至在建造廠房、購(gòu)買(mǎi)設(shè)備和建立生產(chǎn)線(xiàn)之前，還需要遵守選址規(guī)定?；谖⑿凸S的企業(yè)可以利用現(xiàn)有資金，在擴(kuò)大規(guī)模時(shí)建立微型工廠，從而避免上述情況。這種方法還可以最大限度地降低將資金投入到專(zhuān)用生產(chǎn)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵撛O(shè)施可以隨著市場(chǎng)風(fēng)向的變化而迅速調(diào)整。
監(jiān)管輕松和稅收優(yōu)惠
與傳統(tǒng)工廠相比，微型工廠對(duì)占地面積、機(jī)器數(shù)量、電力和基礎(chǔ)設(shè)施的要求較低，因此在特定地區(qū)可以免去一些昂貴的規(guī)定性支出和稅收。工業(yè)區(qū)和地方上的許多法律法規(guī)都是針對(duì)特定規(guī)模的生產(chǎn)設(shè)施而制定的，規(guī)模很小的微型工廠可能不受這些法律法規(guī)的約束，甚至還能免稅。
微型工廠的未來(lái)
有證據(jù)表明，制造業(yè)和全球貿(mào)易的許多趨勢(shì)都支持在制造業(yè)中增加微型工廠的觀點(diǎn)。在短期內(nèi)，微型工廠不太可能取代傳統(tǒng)的大型工廠，因?yàn)橐?guī)模經(jīng)濟(jì)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法提高微型工廠自動(dòng)化的效率。不過(guò)，微型工廠可能會(huì)在制造某些高混合型產(chǎn)品時(shí)發(fā)揮關(guān)鍵作用，或填補(bǔ)特定地區(qū)急需的制造能力缺口。
下載ECAD模型
