工业4.0与机械钟表制造

文 / 王岳琳（香港中文大学，精密工程研究所）

傅 裕（天津海鸥表业集团）

杜如虚（中科院深圳先进技术研究院，香港中文大学）

工业4.0与机械钟表制造

文 / 王岳琳（香港中文大学，精密工程研究所）

傅 裕（天津海鸥表业集团）

杜如虚（中科院深圳先进技术研究院，香港中文大学）

工业4.0的简介

近年来，制造工业的重点发展方向当属德国提出的工业4.0，我国政府也提出了相应的战略计划《中国制造2025》。钟表行业作为传统的制造业，面对日益增加的零件与产品的需求，本文探讨了应该如何利用工业4.0概念来解决钟表制造的问题。

德国“工业4.0”的概念问世于2011年4月举办的德国汉诺威工业博览会。两年之后的该会上，德国“工业4.0”工作组发表了题为《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》（简称德国“工业4.0”,后文简称工业4.0）的研究报告。目前，工业4.0已经成为德国的国家战略并上升为德国政府《高技术战略2020》中的十大目标之一。工业4.0的内容可以简单概括为“1个核心”、“2重战略”、“3大集成”和“8项举措”。

“1个核心”是“智能+网络化”即通过虚拟-实体系统（Cyber-Physical System,CPS）构建智能工厂，实现智能制造。

“2重战略”是指领先的供应商战略以及市场战略。前者是执行工业4.0概念的基础，设计生产出基于互联网信息交互的智能生产设备，实现德国制造质地飞跃。而后者则强调整个德国制造业内的市场整合，实现快速的信息共享，从而使生产企业与商业公司无缝衔接。

“3大集成”主要是指生产过程中生产线与物联网的纵向集成，产品从设计到生产使用售后的整个周期的信息化共享的数字化集成，建立新的标准使全社会从商业环保等方方面面帮助制造业实现横向集成。

“8项举措”从实际出发点明了工业4.0的发展重点，其中包括：1、建立并实现技术标准化和开放标准的参考系；2、建立模型管理复杂的系统；3、提供综合的工业物联网基础设施；4、建立安全保障机制；5、组织创新工作和设计方式；6、注重培训持续的职业发展；7、健全规章制度，提高数据交换过程中的安全性，协调各国不同的贸易规则；8、提升资源效率，包括原材料、能源、人力资源以及财务资源[1]。

工业4.0的主要精神是制造业的智能化，包括以下4个方面：1、发展制造智能产品和智能装备；2、大力推进生产过程的数字化、网络化和智能化；3、通过产、学、研共同协作建立智能化的产业模式；4、通过智能设备节约能源人力等资源。

工业4.0在瑞士钟表业的应用

钟表业作为传统制造业在实现工业化的数百年中从未停止过创新，作为德国的近邻，近年来瑞士各大著名钟表集团都在践行工业4.0，推进设计、生产、产品检测以及使用、售后服务的改革。其中斯沃琪集团（Swatch Group）就是一个范例。在设计研发方面，集团旗下的Sistem51手表是一个革命性的设计（图1）。Sistem51是Swatch第一块也是唯一一块全自动装配的机械手表，整个手表内部只用51个零件就可以做到90个小时动力储备（图2）。51个零部件的设计着意简化装配步骤，为全自动装配打下了基础。Sistem51的出现被认为是瑞士机械手表制造业的近年来最有创意之举，打破了瑞士钟表制造业一直依赖人工装配的状况，改变瑞士手表制造业的格局。目前市场上的Sistem51手表有使用寿命短，无法简便维修等问题，但不可否认Sistem51的机心仍是机械手表历史上里程碑式的设计。

在制造生产方面，ETA作为斯沃琪集团旗下的机心制造公司从生产线及制造工艺均全面推行工业4.0概念。机械钟表的关键部件包括主夹板及齿轮。主夹板是机心的框架，它的质量与精度直接决定了机心的最终质量。为此ETA设计了全新的主夹板生产线（图3）。ETA的瑞士生产线位于瓦莱州和提契诺州，拥有20个生产基地，其生产装配的自动化程度及可靠性已成为全球标杆。

图1 斯沃琪集团新推出的Sistem51腕表

图2 斯沃琪集团Sistem51机心的爆炸图

此外ETA还致力于开发新技术。例如在Sistem51机心生产线中革命性地使用了全自动的数字打印技术（图4）。该技术创新性地使用了精密喷涂技术，可以在全部擒纵机构组装完成之后，在最后一块夹板上进行整体的喷涂，既保证了美观也提高了生产效率。

图3 ETA制造车间

图4 Sistem51机心应用数字印刷后的蓝色表面

图5 Fleury公司的夹板加工生产线modulo HP

图6 Willemin-Macodel公司的701S生产线

另外瑞士的Fleury公司与Willemin-Macodel公司也都推出了全自动的主夹板生产线（图5及图6）。Fleury公司的产品采用柔性生产线性方式，每个生产线可配备6，8，10或12个工作站，每个工作站均用标准化的装配托盘来做卡具，可独立完成多个加工的任务，并保证加工精度。每个工作站之间配备传送带，保证各站之间的自动化传输。

Willemin-Macodel公司的主夹板701S生产线上的工作站采用三轴并联结构，可进行超高精度的动态精密加工，一次装夹可实现夹板双面加工生产的全自动化。

机械钟表的另一个关键零部件是齿轮加工。齿轮加工机床包括擒纵轮滚齿机（图7、图8）等。瑞士Strausak针对擒纵轮的特点推出了HS38滚齿机。它可以根据擒纵轮的图形来自动编程。另外，瑞士Affolter公司的AF101滚齿机（图8）还具有在线监测的功能。

在产品检测方面，欧米茄（Omega）新推出的天文台系列腕表特别标榜通过了瑞士联邦计量研究院（METAS）和瑞士官方天文台（COSC）双重认证。METAS的全新认证程序比COSC的检测标准更加严苛，需要测试腕表的精准度（5秒/天）、防水性能、以及防磁性能。目前新的欧米茄表都使用硅游丝（图9），每一块机心均于两种不同的位置暴露在15,000高斯的强磁场中（相当于直接放置在一个电机的线圈之中），然后使用麦克风通过声音检查机心的运转情况从而获得测试结。在产品售后服务方面，该款手表推出了专属的手机应用程序以便使用者随时查询自己手表的检测结果。据悉，多家瑞士公司都将推出类似的服务。

图7 Strausak HS38滚齿机，使用西门子（SIEMENS）840D控制器进行编程及图形显示，可加工擒纵轮。

图8 Affolter AF101滚齿机，可加工擒纵轮。

图9 欧米茄手表的新型防磁游丝

图10 时、分、秒轮的相对位置

工业4.0在中国机械钟表制造业应用的展望

作为一个工业化历史不长的国家，中国难以照搬瑞士的模式，因此必须寻找自己的发展方式。我们认为，借助工业4.0概念，中国机械钟表可以借助以下3种方式发展。

1、自主研发高端设备

高端设备与互联网共同作用组成的智能工厂是工业4.0的基础。在产品更新换代时要把握机遇，尽多、尽早地吸收智能工厂的概念。高端设备作为制造过程中最重要最直接的设备，目前国内可供选择的品牌不多。依靠购买进口设备不仅造价昂贵，设备使用、配套的刀具夹具、以及设备维护也都是问题。因此需要依据自身的需求自主研发加工设备。研发能力不足的公司可以参考产学研的合作模式，寻求高校或研究院所的合作，提高所研发设备的质量，缩短研发时间。《中国制造2025》的战略任务中提到了信息技术、高端装备、新材料等高端制造领域[2]。钟表生产虽然不在重点发展的任务之中，但与信息技术及高端设备都有密切关系。我们相信，利用信息技术及高端装备会为产品质量带来突飞猛进的发展。《中国制造2025》中提到了多项金融扶持政策和财税政策，各公司可以根据具体情况利用这些政策，加速研发专用的高端设备。

2、利用智能制造

目前在我国的机械手表制造过程中，整体机心生产自动化水平不足5%。采用智能制造是提高生产效率、保证产品质量最高效、最快捷的方法。智能制造的主要思想之一是实时监控、实时调整。例如在机械手表机心的组装中，最大的难点之一是齿轮间的配合，误差不断累积将导致整块机心无法装配最终报废。为了解决这一困难，可以使用计算机视觉实时监测技术，配合以实时调整。以时针、分针、秒针的配合为例（图10），可以先加工外侧的时针和秒针两轮的轴承孔，使用计算机检测系统，判断两个齿轮间的装配误差，经过计算，从而得到分针齿轮轴承孔的最优位置。这一方法可以保证装配误差最小，而且不需要多部高精度的机床同时工作，减少投资的同时提高了加工精度。

图11：日本及瑞士两品牌的齿轮对照分析左上图：日本某品牌的齿轮右上图：日本某品牌的齿轮细部左下图：瑞士某品牌的齿轮右下图：瑞士某品牌的齿轮细部

3、大数据分析与优化

大数据分析是工业4.0的另一个重要工具。钟表工业已有数百年的历史，有许多数据可以发掘。例如，我们曾经通过对日本、瑞士某品牌手表的齿轮进行过分析（图11）。经过分析发现，两个公司的手表齿轮都进行过修形。日本公司的齿轮则强调啮合侧的受力。而瑞士公司的齿轮则是对称的。而通过仿真可以证明，修型后的齿轮传动效率高、对装配要求低，而且阻力更小，运行更佳。

此外，在上一节中提到的售后服务专用软件也是一个利用大数据获取信息的平台。采用智能工厂的生产线中，每一个零部件均有一个相应的二维码。在售后维修时可采集零部件上的维修信息，利用大数据分析某批次易产生问题产品的原因。

结语

瑞士的机械钟表业经过了几百年积累，才达到今天的成就。中国作为一个制造大国，在向制造强国的转变过程中，必然会经过一段摸索和发展的阶段。尤其是钟表制造业，前有瑞士名牌的标杆，后有众多低端公司的追逼，发展十分不易。

我们认为发展的关键在于策划与培养人才。策划主要是根据工业4.0的蓝图，一步一步地开发出智能产品与实现智能制造。根据我国的国情，争取更多的国家支持和社会投入。培养人才要着重培养具备多方面专业知识的人才，组织实施制造业人才培养计划，加大专业技术人才、经营管理人才和技能人才的培养力度，完善从研发、转化、生产到管理的人才培养体系[2]。从而使中国的钟表制造工业得以生生不息，最终走上世界一流的水平。

[1] 丁纯，李君扬，“德国‘工业4.0’:内容、动因与前景及其启示”，德国研究，Deutschland-Studien，2014年，第4卷，第49-66页。

[2] 国务院关于印发《中国制造2025》的通知，国发〔2015〕28号，2015年05月19日。