不可見世界的掘金者，如何改變中國機床行業(yè)下

作者：微胖

天澤智云無憂機床系統(tǒng)聚焦機加工領域，通過結合領域知識與機器學習算法，提供關鍵組件健康評估、故障預診與壽命預測等功能，一方面幫助企業(yè)實現(xiàn)降本增效，另一方面幫助發(fā)掘新的增值點，突破制造附加值較低的瓶頸，服務機床廠商和加工廠向智能化升級，甚至促進他們未來服務模式的轉型。機加工是一個非常典型的裝備制造產(chǎn)業(yè)，把產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)服務好，其他行業(yè)便可以借鑒其有效經(jīng)驗，進而加速整個中國制造業(yè)的升級。類似機加工產(chǎn)業(yè)的案例說明，中國的豐沛工業(yè)數(shù)據(jù)資源或許可以幫助中國制造業(yè)在工業(yè)大數(shù)據(jù)中創(chuàng)知和創(chuàng)值，成為世界可以參考的成功標桿。

2019 年工博會的一場演講結束后，晉文靜博士在一陣熱烈掌聲中走下臺。不久，她就被一些聽眾圍住，走出會場時，隨身攜帶的名片已所剩無幾。

上面印著她頭銜：天澤智云首席數(shù)據(jù)科學家。這家堅持走工業(yè)智能技術路線的公司一直與中國傳統(tǒng)制造企業(yè)合作，幫助他們落地工業(yè)智能，探索升級與轉型。

天澤智云首席數(shù)據(jù)科學家晉文靜博士。 晉文靜在演講中講述了公司與富士康深圳某工廠合作的無憂機床項目。經(jīng)過半年多的努力，他們成功證明傳感器+系統(tǒng)的方式可以為 CNC（數(shù)控機床）提供刀具壽命預測以及主軸的在線監(jiān)控與預測。

接下來的一串數(shù)字越發(fā)引起臺下觀眾關注：

降低了 60% 的意外停機，質(zhì)量缺陷率從 6‰降至 3‰，節(jié)約 16% 的成本。

MachineInsightTM 無憂機床系統(tǒng)。

最大機床市場告別「前半生」

隨著中國成為全球制造中心，中國也成為全球最大機床工具的生產(chǎn)國和消費國。 Gardner Research World Machine Tool Survey 數(shù)據(jù)顯示，2017 年，中國大陸地區(qū)機床消費金額達到 299.7 億美元，同比增長 7.5%，占全球機床消費額比重的 36.1%；中國大陸地區(qū)機床產(chǎn)值達到 245.2 億美元，同比增長 5.1%，占全球機床產(chǎn)值比重的 28.1%。

由于中國不僅是最大汽車制造國，也是最大機械、3C 電子產(chǎn)品制造國，因此，從機床下游行業(yè)來看，汽車行業(yè)占比超過 40%、機械行業(yè)占比約 20%，3C 電子產(chǎn)品行業(yè)占比約 15%。軍工行業(yè)因其戰(zhàn)略意義重大，對于機床的性能、種類和需求量要求極高，占比約 15%。

數(shù)據(jù)來源：Gardner Research。

九年前，晉文靜前往辛辛那提大學美國智能維護系統(tǒng)中心攻讀博士學位，師從李杰教授時，正值中國機床工業(yè)黃金十年的高光時刻。沈機集團登頂世界機床行業(yè)營收第一。2011 年，中國金屬加工機床市場規(guī)模達到創(chuàng)紀錄的 390.9 億美元，為歷年最高。（根據(jù)國家統(tǒng)計局關于中國機床工具行業(yè)經(jīng)濟運行情況數(shù)據(jù)）

2012 中國機床行業(yè)告別長達十年的黃金周期，整個行業(yè)開始下行。行業(yè)內(nèi)的大小機床企業(yè)盈利快速下滑至虧損，且至今未能緩過勁來。

目前，傳統(tǒng)中低端機床市場萎縮已成行業(yè)共識，相比于傳統(tǒng)機床行業(yè)，「失守」的數(shù)控高端精密機床市場已進入高速發(fā)展時代。 以手機制造為例。當 2012 年庫克舉起 iPhone 5 的時候，鋁合金一體化機身成為當時消費品金屬加工的極致。由于強度更高的金屬材料處理起來比傳統(tǒng)的金屬外殼更難，CNC 加工所需要時間更長，其他手機廠商跟進導致市場對 CNC 產(chǎn)能有更大的需求。 隨著 5G 時代手機后蓋去金屬化進程接近尾聲，中高端機型后蓋材質(zhì)變成了玻璃、陶瓷，對精密化部件的要求又給上游機床廠商的生產(chǎn)和服務提出更高要求。 這幾年，新能源汽車抓住風口，也讓汽車零件數(shù)控 CNC 加工產(chǎn)業(yè)受益不淺。以新能源汽車為代表的車身結構輕量化、高強度需求逐漸成為主流的同時，也倒逼機床走向智能化和高精度化。 事實上，沈陽機床可以在過去十年間賣出近七十萬臺機床，是因為吃到了中國迅速成長為制造業(yè)大國的紅利。當時，單靠國外高檔數(shù)控機床，根本滿足不了市場需求，國內(nèi)勞動力素質(zhì)也無法與之匹配。再加上勞動力成本較低，國產(chǎn)機床可以通過價格和服務占領中低端市場。

但是，現(xiàn)在不行了。某中部城市一位機床制造從業(yè)者曾坦言，對于持續(xù)低迷的中國機床行業(yè)來說，歷經(jīng)數(shù)控化的洗禮后，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)引領機床行業(yè)再出發(fā)，已經(jīng)成為一個趨勢。 機床產(chǎn)業(yè)的利潤空間已被大大壓縮，中國機床工具工業(yè)協(xié)會當值理事長龍興元曾對媒體表示，2017 年中國機床全行業(yè)虧損企業(yè)占比仍達 33.8%，「如果廠商想實現(xiàn)裝備制造業(yè)的價值鏈延伸，服務轉型、提供智能化解決方案幾乎是一個必然方向?！挂晃粯I(yè)內(nèi)人士告訴我們。

此前，機床廠商做的是一次性買賣，如今，在產(chǎn)品差異不是特別大的情況下，以機床為載體的增值服務開始成為制勝關鍵。對于他們來說，像晉文靜這樣的數(shù)據(jù)科學家，就像是券商行業(yè)中金牌分析師一樣的人物。

范式轉換：從可見到不可見

從國外經(jīng)驗來看，近幾十年來，得益于硬件（各種傳感器、GPU 等）成本降低、無線連接、數(shù)據(jù)分析等技術的不斷進步，預測性維護已經(jīng)成為智能制造最為重要的落地應用之一。 李杰從事智能制造和工業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)學研工作已經(jīng)幾十年，不僅是該領域的權威，目前也是富士康工業(yè)人工智能總顧問和天澤智云首席顧問。對于預測性維護，他在《從大數(shù)據(jù)到智能制造》當中進一步解釋道，制造系統(tǒng)中的問題也有「可見」和「不可見」之分，我們對待這些問題的方式以前大多是在問題發(fā)生后去解決，而未來能夠在問題發(fā)生前去避免才是競爭力的核心。 生產(chǎn)系統(tǒng)中存在的「不可見」問題包括設備性能的衰退、精度的缺失、易耗件的磨損和資源的浪費等，可見的問題往往是這些不可見因素積累到一定程度所引起的，比如設備的衰退最終導致停機、精度的缺失最終導致質(zhì)量偏差等。通過大數(shù)據(jù)對「不可見」問題獲得深刻的洞察，是實現(xiàn)無憂制造環(huán)境的基礎，也是智能制造的本質(zhì)。 事實上，機床制造廠商已經(jīng)在嘗試相關落地應用。日本 MAZAK 公司的 Smooth Technology(流暢技術) 體現(xiàn)了智能機床的最新發(fā)展，可以通過開放的系統(tǒng)結構設計，借助智能手機、平板電腦等外部終端對設備的運轉狀況進行監(jiān)控。

FANUC 公司開發(fā)了智能自適應控制、智能負載表、智能主軸加減速、智能熱控制等智能機床控制技術。Heidenhain 公司的 TNC640 數(shù)控系統(tǒng)具有高速輪廓銑削、動態(tài)監(jiān)測、動態(tài)高精等智能化功能。

李杰（Jay Lee）,2016，《從大數(shù)據(jù)到智能制造》。

在晉文靜看來，中國制造業(yè)有著最全場景，大量的機床產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，把握住了這些數(shù)據(jù)，就等于握住解決問題的源頭。新技術可以幫助擁有大量機床的中國制造企業(yè)預知設備加工狀態(tài)，從而減少意外宕機、提高產(chǎn)品良率、降低刀具成本。但問題在于，中國機床行業(yè)單靠自身力量實現(xiàn)智能化轉型，極為乏力，這也是在為曾經(jīng)的歷史支付代價。

早期的機床行業(yè)基于專業(yè)分工思路，誕生了當時的「十八羅漢」（十八家機床廠），一家只能做一種機床。當時，全行業(yè)有八綜合性研究院所，形成「七所一院」的綜合性專業(yè)技術研發(fā)機構，也是解決機床廠共性技術問題重要支撐。另外，還有三十七個專業(yè)研究所與企業(yè)設計部門，形成機床工具行業(yè)的科研開發(fā)體系的第二道護城墻。

然而，1999 年一刀切的院所轉制，國家計委二百多個院所隨之下放，最后導致機床企業(yè)一旦遇到工藝問題，無處可去。當這些企業(yè)銷售額不漲、利潤不漲，想辦法創(chuàng)新降本增效時，卻變得失措無依。

這也是為什么目前從供給側來看，機床工具行業(yè)自動化產(chǎn)品市場一直保持增長態(tài)勢的原因。除了技術交流和新產(chǎn)品推廣，市場第三方供應商也非常愿意將先進的數(shù)字化解決方案導入到機床工具企業(yè)，幫助他們進行智能化升級改造。除了上游機床廠商，這些市場第三方服務對象也包括下游的加工制造企業(yè)。

2018 年底，富士康基于無憂機床系統(tǒng)搭建的精密工具智能制造工廠成功入選全球「燈塔工廠」，成為代表新一輪工業(yè)革命轉折點的工廠之一。

三十五歲肖敏（化名）正是該制造商某模具車間課長。十八歲那年，他進入這家位于深圳的大型制造商，成為一名模具廠工人。

肖敏有些驕傲地告訴我，如今，他們已經(jīng)將模具加工的幾個基本工序流程打通，其所在車間基本實現(xiàn)全程自動化。物流、上下料實現(xiàn)自動化后，他們卻發(fā)現(xiàn)，最為擔憂的是機加工中那些看不見的東西。比如，刀具和軸承的失效。

在銑削加工過程中，刀具磨耗程度是影響模具成品質(zhì)量的關鍵因素，據(jù)相關統(tǒng)計，由于刀具失效引起數(shù)控機床停機的時間總數(shù)占故障停機時間的 20%-30%。

然而十幾年來，這些老師傅們并沒有一套行之有效的辦法，準確預測刀具和軸主軸狀態(tài)。

我們主要是靠聽來判斷刀具狀態(tài)，肖敏舉例說，加工中機床振動很大，發(fā)出「嗡嗡」的聲音時，可以確定刀具達到了急劇磨損狀態(tài)，需要更換刀具。也有類似冒無規(guī)則火星這樣肉眼可見的異常。有時，他們甚至會用手觸摸機器，通過溫度感受異常。

但是，經(jīng)驗再豐富也對付不了層出不窮的各種加工狀態(tài)?！覆煌庸ひ螅邢饔龅焦战?、位置不一樣，力也不一樣，對刀的磨損也不一樣，僅憑經(jīng)驗和人為判斷，很難抓到每一把刀的真實狀態(tài)?！剐っ粽f。

「有時斷刀了，機器會繼續(xù)跑，你都不知道。」

為了盡可能避免這些情況發(fā)生，這些對加工精度要求很高的工廠大都采取更為保守的措施。比如，在刀具運行到預先設定好的時間或距離后，立刻更換，往往這些刀具壽命僅用到 80% 甚至更少。這又會帶來生產(chǎn)成本的升高。

這就是我們這個行業(yè)的痛點，一家東莞 3C 制造商坦言，且不說再豐富的經(jīng)驗積累也趕不上機器更新?lián)Q代的速度，再則，現(xiàn)在的年輕人都不愿進到制造行業(yè)，老師傅們也有退休的那一天，將來制造產(chǎn)線的從業(yè)者越來越少，有經(jīng)驗的老師傅就更少。

無憂機床的落地

既然通過工業(yè)大數(shù)據(jù)，能使原本不可見的設備衰退、質(zhì)量風險、資源浪費等問題變得可見，并加以避免，天澤智云決定選擇這樣一個項目作為工業(yè)智能在制造和機床行業(yè)的突破點，帶出一套可快速復制化的產(chǎn)品，幫助行業(yè)實現(xiàn)無憂生產(chǎn)環(huán)境。 晉文靜當年求學的美國智能維護系統(tǒng)中心（IMS）正處在智能制造最前沿。19 年間，中心與全球 100 多個企業(yè)合作工業(yè)智能與工業(yè)大數(shù)據(jù)研發(fā)與應用，大量的一線工業(yè)項目實踐機會，也讓她積累甚豐，特別是機加工。

「我從讀博就一直專注在機床和刀具，要找一個切點深耕下去，因為這個領域?qū)嵲谑翘盍恕！箷x文靜說。

無憂機床的模型建構從源頭開始。天澤智云定義的「源頭」是業(yè)務痛點，而非數(shù)據(jù)。工業(yè)智能落地，不界定清楚具體問題，數(shù)據(jù)無從搜集。

「設備故障診斷與壽命預測的難點不在于選什么樣的模型」晉文靜強調(diào)道，「而在于場景化分析，對工業(yè)場景的理解，對數(shù)據(jù)的準備，找到最恰當?shù)奶卣鳎軌蛘_反應機理性能的特征，才是關鍵?！篂榇耍鞚芍窃七€自行研發(fā) GenProTM 建模平臺，用于規(guī)范數(shù)據(jù)和建模流程，并提供行業(yè)模板來提升數(shù)據(jù)分析和建模的效率。

GenProTM 建模平臺。

先決定采集哪些數(shù)據(jù)。答案往往不是顯而易見，需要比較深的行業(yè) know-how。

構建一個刀具剩余壽命預測模型，除了振動數(shù)據(jù)還要采集機床產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，比如主軸負載、伺服電機電流、主軸轉速、進給率等。因為，振動傳感器所采集到的振動并非僅僅來源于刀具磨損，加工狀態(tài)（或者叫「工況」）的變化也會干擾采集到的振幅，所以，預測模型還需要其他數(shù)據(jù)來更精準地辨別磨損狀態(tài)、預測刀具的剩余使用壽命。

缺失或錯誤的數(shù)據(jù)可能會扭曲結果，掩蓋故障。

布置傳感器的最佳數(shù)量和位置也必須決定好。放得太少，預測就會不夠準確；太多又是冗余。

數(shù)據(jù)的采集頻率也很關鍵。如果頻率太低，會漏掉在高頻振動范圍的故障信息；頻率過高，會導致數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，使得工廠網(wǎng)絡不堪重負。

邊緣計算的性能要求更高。機器需要具有脊椎反射式的能力，就像人類面臨某種異?；蛭ｋU，身體做出條件反射一樣。

EdgeProTM，一款支持快速實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集和邊緣計算的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與邊緣智能系統(tǒng)。

比如，采集到的振動信號，有些需要就地取用，以便實時識別工況。在發(fā)生撞擊事故、斷刀等突發(fā)性重大故障時，以 ms 級反向反饋給機床及控制。通常，這個反應速度相當于云上進行同等監(jiān)控反饋的百倍至千倍以上。

數(shù)據(jù)安全需要得到保障。將涉及到生產(chǎn)工藝、訂單信息、設備運行等數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)現(xiàn)場進行計算，生成降維后的、加密的特征信息，再輸入到云端支撐應用運算，從機端直接杜絕敏感數(shù)據(jù)的泄露。

建模要求跨學科知識和技術融合。晉文靜特別強調(diào)了這一過程中，機理（先驗領域知識）和數(shù)據(jù)的深度融合，這也是目前工業(yè)中最常用的方法。

比如，機床的主軸軸承監(jiān)測。軸承的振動分析已經(jīng)被學者研究得非常透徹，給定軸承的物理參數(shù)，有明確的理論指出，不同的失效階段在哪些頻段上會出現(xiàn)什么樣的響應。

建模的時候，可以直接內(nèi)嵌這個機理模型，輔助特征選擇和健康狀態(tài)的判斷。較之泛泛地去做特征提取選擇建模，這種做法可以獲得更高的準確性和魯棒性。 最終，團隊不僅收獲了一連串讓客戶滿意的 ROI，比如降低 60% 的意外停機，產(chǎn)品良品率由 99.4% 提升至 99.7%，節(jié)約 16% 綜合成本，幫助實現(xiàn)了真正的無憂生產(chǎn)，也帶出了一套可快速推開的產(chǎn)品。 而且，有了刀知識具庫，日積月累，通過對比不同種類刀具的孿生，用戶將清楚知道每種刀具在切割不同形狀、不同材料工件時的性能，從而在采購時能夠更經(jīng)濟地管理供應商，進一步降低成本。

刀具壽命預測。

刀具性能評估。

主軸健康評估。

采訪過程中，晉文靜還分享了一家自動焊接機企業(yè)的案例。

和過去機床行業(yè)的打法一樣，這家企業(yè)依靠價格占領市場。但問題在于過了維保期，賣家和買家都要承擔極大的停機損失與維護成本。 「焊接制造對時間、成本要求很高，如果一個月壞幾次，如何才能保住訂單？」晉文靜說，「如果是國外維保，經(jīng)濟損失就更高了。」

在預測性維護系統(tǒng)幫助下，這家自動焊接機廠可以對設備進行遠程監(jiān)測，一旦系統(tǒng)預警，立刻將配件快遞給買家，不僅降低了維護成本，對方也不會因為突然停機而遭受損失。 除了服務下游制造商，對于上游機床廠商來說，這套無憂機床系統(tǒng)也很有意義。 系統(tǒng)不僅能為機床研發(fā)部門實時提供設備核心參數(shù)，以利于其開發(fā)出數(shù)字化、集成化、模塊化和智能化產(chǎn)品，同時，也有利于其從設備全生命周期的角度做這門生意，提高附加值，向服務型制造轉型。 甚至對于刀具這樣的重要部件供應商來說，他們也可以通過諸如刀具衰退曲線，建立洞察，改進刀具的性能，減少實驗成本，提高自己產(chǎn)品的競爭力。 講到這里，可能會引發(fā)業(yè)內(nèi)人士的一些顧慮，上游廠商能夠拿到下游廠商的數(shù)據(jù)，那么企業(yè)之間的隱私和競爭核心機密豈不是消失殆盡？關于這個問題，同為李杰教授的學生，也是晉文靜博士的學弟史喆，曾經(jīng)在一次技術沙龍當中有過清晰的解讀。

在過去幾年從「互聯(lián)網(wǎng)+」到「智能+」的發(fā)展過程中，國家的思路也趨于更加清晰，當下推行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最終目標是想把智能化的方法用在工業(yè)里。歐美很多企業(yè)提出「工業(yè)互聯(lián)+網(wǎng)」，這是更為前沿的一個方向——企業(yè)與企業(yè)之間，打破技術壁壘，合作完成一個項目，并共同占領未來的市場。

舉個例子，2019 年 6 月在法國的巴黎航展中，歐洲、美國幾家航空發(fā)動機公司聯(lián)合起來發(fā)表聲明稱要整合核心技術一起研究下一代發(fā)動機。原本他們之間是有很強的壁壘，很難合作，導致各家投入不少研發(fā)經(jīng)費，最終各家發(fā)動機都有各自的特點，在解決不同問題上有各自優(yōu)勢?，F(xiàn)在他們把技術整合，研究下一代發(fā)動機，這樣更容易壟斷市場，研發(fā)經(jīng)費也可以大幅度下降。

他們?yōu)槭裁船F(xiàn)在有信心和需求這樣做？因為有一張網(wǎng)可以幫他們監(jiān)控發(fā)動機運行的實際狀況，在出現(xiàn)問題時可以明確認定責任和各自的服務邊界，運營管理層面的困難被打破了。這也是從另一個側面給未來的工業(yè)發(fā)展提供了新的思路和方向——朝著資源最優(yōu)化的方向去發(fā)展。

賦能機床，改變中國制造

「關燈工廠不是無人工廠，是無憂工廠，是把工作放到前端，到前面去做決策；同時，改變?nèi)肆Y構，從傳統(tǒng)的以人為中心，變成以數(shù)據(jù)為中心的管理，這才是關燈工廠的意義?！估罱茉诮邮堋蹲C券日報》記者采訪時如此表示。 到 2022 年，我國數(shù)控機床行業(yè)的市場規(guī)模將突破 5000 億元，然而，國產(chǎn)機床行情一再告急。當年機床行業(yè)「十八羅漢」之首被裁定破產(chǎn)重整，只是國內(nèi)老牌機床企業(yè)未能完成轉型升級而走向沒落的殘酷現(xiàn)實的一個縮影，也是整個中國機床行業(yè)的一個縮影。 機床，工業(yè)之母，國之重器，不可不救。當?shù)旅廊盏韧高^將 ICT 及先進制造技術融入現(xiàn)有制造體系，推動智慧制造應用，提振制造業(yè)競爭力時，智能化也成為中國機床行業(yè)轉型升級的重要抓手。 在天澤智云的征途上，屹立著 10 年 100 個無憂工業(yè)場景的目標，機床是一個非常典型的裝備制造行業(yè)，從機床內(nèi)部機理入手，更深入的挖掘數(shù)據(jù)價值成為天澤智云幫助機床行業(yè)轉身的突破口。通過實現(xiàn)加工過程中刀具磨損狀態(tài)、主軸健康狀態(tài)透明化，公司不僅幫助富士康從「無人工廠」轉型為「無憂工廠」，還快速度形成了一套可快速復制化的產(chǎn)品，從服務標桿客戶進入到復制規(guī)?；A段，進而賦能整個機床行業(yè)。

數(shù)據(jù)是中國人自己的，擁有的技術也是最先進的，順應智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，所有契機促成了天澤智云來到世界前沿。雖然傳統(tǒng)的市場在適應新技術時慣性依然很大，但對于未來，天澤智云充滿信心和耐心：

把機床產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)服務好，借鑒其有效經(jīng)驗，服務中國更廣的傳統(tǒng)制造業(yè)，將會為中國工業(yè)帶來巨大改變。

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