25年后制造业自动化的愿景

预测技术的未来是有风险的，可能是一项无情的工作。想想上世纪五六十年代那些关于飞行汽车将在2000年左右普及的前瞻性预测吧。不过，偶尔思考一下明天还是很有趣的。这种前瞻性的一瞥类似于控制工程公司在最近的60周年纪念期间对过去所做的历史性回顾。

未来20-25年的制造业自动化必须至少分为两个主要部门:重工业和所谓的更清洁的、连续生产的商业和消费产品的轻工业。

钢铁等重工业生产、造船、采矿和其他资本品制造业不会在很大程度上改变了2034 - 39因为固有的粗糙或脏过程。然而，自动化、环境清洁生产工厂和制造业能源效率方面的巨大进步将得到实现。这些工业将由数量少但规模大的设施组成。

在轻工制造领域，产品开发将完全处于计算机控制之下——从设计概念阶段到商业产品，再到报废处理。生产过程将没有书面记录。更多更小的生产设施将成为常态，因为许多产品将不会大规模生产。相反，制造中心将专注于定制的短期产品，并能够响应特定的订单或客户需求。

由于最新的多层自动化控制系统、生产计划工具和软件，制造的灵活性将大大提高。从整个工厂的传感器收集的非接触式数据将为工厂控制系统提供实时的过程反馈。几乎独一无二的生产将成为可能，这将成为无库存零件和无昂贵材料库存的趋势，随之而来的是成本和房地产的减少。现在已经有了一些这样的制造线，但在未来20-25年里，它们将被常规应用。

现成的过程信息也将用于产品质量评估、工厂设备的预防性维护和持续的能源消耗计算——除了作为控制生产线的输入外。能源效率将成为制造业不可或缺的指标，这反映在工厂运营和生产的产品上。

仿真软件，高级机器人

计算机化的产品设计和开发将以前所未有的方式与仿真软件相结合。仿真技术将从多年的经验和大量参考模型和来自现实应用程序的反馈中成熟起来。

这种“校准”将把模拟程序推进到设计师完全信任软件建议的程度。用户与仿真软件的交互也将得到简化。当然，在使用仿真工具时，实际的工程经验将继续是一种资产。

虚拟产品设计将走向现实。对产品进行正式测试的需求将基本消除——除非涉及人体安全的特殊情况。将产品推向市场的成本和时间应该大大减少。

机器人技术也将取得巨大进步。两条平行的道路将被预见:多个机器人在比今天更大的范围内协同工作，以及机器人与人类一起工作。第一种情况将需要更先进的控制和软件算法来处理更复杂和更高的动态运动，以便多个机器人在生产线上同时安全交互。生产速度更快将是主要的好处。

第二种情况是人类和机器人在制造过程中共享互补的任务。不同的、专门的控制系统和软件将是确保机器人在人类附近安全高效运行的关键。人工智能方法将在更大程度上用于协助这类工作共享，机器人将需要采取一些类似人类的行为。

在强制性最低能源绩效标准(MEPS)的推动下，到2034-39年，工厂系统和设备的能源效率将达到前所未有的水平。电机、泵、风扇、压缩机、变速箱和工艺加热/冷却系统将受到法规影响。电机驱动系统的能源需求很早就被认为是全球电力生产的最大单一部分，特别是在制造业。

由于电机的巨大安装基础和公认的测试标准，MEPS计划于1997年左右开始于电机。这是由美国主导的(美国已经出台了重要的监管措施)，随着时间的推移，其他工业国家也纷纷效仿。到21世纪20年代初，大多数类型的电动机的强制MEPS将在全球范围内普及。然而，将MEPS扩展到上面提到的各种电机连接负载这一更加困难的任务将需要更多的时间来实现，但也应该在20-25年内到位。此外，MEPS将更广泛地适用于为商业用途制造的设备以及供消费者使用的电器和设备。

变速驱动器(VSDs)将在制造业和其他领域得到更大的应用，到2039年，50%或更多的电机将进入市场，在速度/扭矩控制下运行。新的电源开关设备的发展也有望在变频器方面取得重大进展。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)将成为候选技术。与当今最好的硅igbt(绝缘栅双极晶体管)相比，这些半导体将提供优越的开关速度和更高的温度操作。

成熟的新技术

一些全新的制造方法可能在20年内实现;然而，今天更成熟的新技术可能会成为大玩家。增材层制造(ALM)，又名3D打印，是列表的顶部。到2034- 2039年，ALM将在工厂中心广泛应用，但在小企业甚至个人家庭中也会大量应用。

设备的紧凑性将ALM置于桌面制造的更大领域。ALM的一项新发展将是标准化的生产流程，即生产实际工作的部件而不是原型部件。此外，可加工材料的种类将大大扩大，包括主要的工程材料。由于它将是一种广泛分散的技术，ALM将承担确保产品一致性、可靠性、生产安全性和知识产权保护的责任。

在这里有一个关于今天“3D打印”的术语来描述ALM的个人评论。这个术语可能很吸引人，但它淡化了所涉及的新颖制造过程，并暗示了一种常规的、玩具般的环境。在此之前，它被称为快速原型，当它主要用于此目的时，这是有道理的。增材层制造似乎是一个比3D打印更好的名字，直到更好的名字出现。

纳米级制造，台式数控

另一项技术，纳米级制造，将在2034-39年的时间段内发挥作用。先进计算机芯片的生产将是这项技术的一种应用。随着越来越多的开关和计算功能被放在硅芯片上，传统的微芯片工艺正在达到其能力极限。

目前正在进行深入的研究，将纳米级制造提升到分子水平，以制造各种极小的电子电路和机械设备。它预示着将为这项技术开辟更广泛的制造专业。

与此同时，伺服电机、电动驱动器和运动控制器的持续小型化将为小型精密工业零件的制造创造一个利基市场。这种“桌面CNC”方法目前存在，但尚未充分发挥其潜力。相对于ALM，其竞争优势将是更精确的尺寸公差和更精细的制造部件表面光洁度。

有些行业不适合桌面制造环境。汽车和航空航天就是这样两个特殊的制造业子集。

汽车生产将受益于ALM的许多更小的部分,但较大的组件在底盘、发动机、动力传动系统将在串行生产线组装,像我们今天看到的。然而，这些生产线将在许多方面更加自动化、机器人辅助和精简。

航空航天制造业将是高科技制造业中的一个特殊部门——超越我们今天所看到的先进水平。更大的非金属结构将普遍存在，需要适当的生产工艺。例如，超大尺寸的微波炉将被用于固化大型复合材料航空航天部件。特殊控制将能够选择性地热固化结构的不同部分，并管理这些复杂部件的不同加工。

人的问题，新经济学

不幸的是，从社会经济的角度来看，未来工厂的人口将会减少。从自动化或效率的角度来看，这将是一个积极的结果。

由于生产机器和工业机器人将完全自动化，因此将需要更少的工程师、技术人员和支持人员。即使是我们今天所知道的正常维护程序也将被纳入未来的制造控制系统。因此，需要具备故障排除和系统级知识的工厂人员，而不是传统的机器维护知识。

这些新时代的制造业岗位需要适当的教育和培训。到2034-39年，类似欧洲工业学徒计划的培训方法将被世界其他地区所接受。然而，这些培训计划将侧重于制造系统管理和设备故障排除，而不是传统的机器操作员的知识。一批高素质的技术骨干将会到位。

工厂管理也将有不同的面貌。可能一个经理在一个设施可以监督所有的生产功能借助于复杂的IT软件和计算机化工具。对工厂指标的全面监控将被过滤，并根据重要性进行优先排序，以防止经理被数据压垮。各级专家将随时待命，根据需要迅速提供援助。

总拥有成本

制造计划和成本管理将达到一个更加开明的水平。生命周期成本和总拥有成本将作为项目成本的真实衡量标准被广泛应用。生产产品或实施新的/更新的工厂系统的经济评估将基于这种方法。

未来20-25年的世界制造业将与今天的世界有本质上的不同。这会是一个更好的世界吗-也许吧。这会是一个更有效率的世界吗?大多数的可能性。然而，未来的世界对我们这些有幸见证它的人来说一定是一个有趣的世界。

- Frank J. Bartos，体育，是一个控制工程贡献内容专家。联络他的地址是braunbart@sbcglobal.net

关键概念

• 未来20-25年的制造业自动化将没有书面记录。
• 自动化、环境清洁生产工厂和制造业的能源效率将取得巨大进步。
• 仿真技术将从多年的经验和大量参考模型和来自现实应用程序的反馈中成熟起来。
• 生命周期成本和总拥有成本将是项目成本的真正衡量标准。
• 机器人技术、3D打印和人工智能将被广泛应用。

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