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智能性生产模式 工业4.0“机器协作”的故事

德国人将这种生产模式称为“工业4.0”,美国人也许叫它“工业互联网”。不论哪种名称,它已经在中国发轫,在一个人力资源不匮乏的劳动密集型国家坚定地写着“机器协作”的故事。
关键词: 工业4.0 智能制造 新工业革命 机器协作
时间:2013-12-17 22:01 来源:物联网在线 作者:Ioter 点击:

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  德国人将这种生产模式称为“工业4.0”,美国人也许叫它“工业互联网”。不论哪种名称,它已经在中国发轫,在一个人力资源不匮乏的劳动密集型国家坚定地写着“机器协作”的故事。

美德对新工业革命的话语争夺,是它们企图重振制造业的野心。

         夏日阳光下的白色工厂。没有一个人。
       
         在距离长沙市最大的主题公园“世界之窗”向东5公里外的广汽菲亚特的厂区,有着一条完整“白车身”(Body in White,即完成焊接但未涂装之前的车身)生产线。这条生产线上分布着250个机器人,它们被有序地分配到每一个单元的特定工位,高低旋转、全方位开工。整条生产线上看不到一个工人,取而代之的是每一个工位的机器人相互合作,对生产线源头缓缓驶入的汽车空壳进行焊接、上底板、上螺丝……
      
     这是一种出现在科幻电影里面的智能性生产模式。




        “这是我们当年交付的最大规模,也是难度最大的项目。”柯马(上海)工程有限公司机械工程部经理丁裕冬说。

          德国人将这种生产模式称为“工业4.0”,美国人也许叫它“工业互联网”。不论哪种名称,它已经在中国发轫,在一个人力资源不匮乏的劳动密集型国家坚定地写着“机器协作”的故事。

        这非常耐人寻味。

“虚拟式生产”

         柯马(COMAU)是一家隶属于菲亚特集团的全球化企业,成立于1976年,总部位于意大利都灵。其业务包括:车身焊装、动力总成、工程设计、机器人和维修服务。1997年,柯马正式进军中国市场,目前拥有员工400多人。
        在菲亚特项目进行模拟测试的半年时间里,在柯马位于上海松江泗泾工业园区的工厂里,几乎看不到人声鼎沸、机器轰鸣的景象,人迹寥寥的车间大多时候只是堆满了生产线轨道,成型的机器人手臂等零部件。
       “事实上,这个项目有超过三分之一的时间是在办公室和电脑软件中完成的。”丁 裕冬解释说,现代制造业中整车生产线的工艺设计,“传统的做法是在每个环节单独模拟完成之后,把各自生产好的设备带到现场去安装,进行机械的程序调试,常 常会遇见各种错误和想象不到的误差。”这个过程需要不断与客户沟通协调,双方通常会将40%-60%的精力投入到前期的不断模拟和调试中。“更早期,在模 拟软件还没有普及的时代,是用铅笔来画的。”丁裕冬说。
         而这一次,丁裕冬和他的团队要做的是完整模拟所有的白车身作业单元,从点焊到螺柱焊、激光焊等每个工作单元。这个项目的核心设计,是18台机器人同时在一个焊接工位工作。
       这个18台机器人工作台的复杂性,相当于一个常规面积的工位,18个人同时在上面工作。”丁裕冬解释,每个机器人的个头比人还大一点,而且有些机器人在同一个区域焊接,所用的焊枪型号也不同,所以在一个时间点上需要错开。
         菲亚特针对这个焊接工位的设计产能是49秒钟完成所有工作,包括焊接、闸具关闭、车的传输。“所以纯焊接的时间很短,到了49秒这种高节拍,想再提高一秒都很困难。”这意味着所有机器人程序都需要事先编好,而且要避免互相之间的通讯错误和干扰,用软件在电脑中模拟清楚。
         为了解决多个机器人手臂之间的协调工作,单个工位的设计和模拟经历了两个多月的反复修改。“我们做机器人假肢的设计是从结构出发,因为这些假肢不能到现场 用一段时间就断掉,所以会设计得比较强壮一点。但是强壮就意味着更大的体积,占用更多焊接的空间,这个难度就大了。”丁裕冬解释。
        另外,模拟的过程还包括“虚拟式生产”,即把所有信号和机械的动作协同模拟出来,因此,模拟过程不再是单独每一个环节的模拟,而是把整个生产过程在软件中进行仿真预演。


模糊的分工界限

         2005年,大学毕业的丁裕冬加入柯马中国。彼时整个公司只有两个意大利人会用仿真软件,进行单个的生产过程前期模拟。作为模拟仿真工程师,丁裕冬在过去 8年多的时间里经历了柯马在中国整体团队的本地化。目前柯马拥有规模成型的3D 模拟团队,以及几十位模拟工程师。
        在菲亚特项目中,丁裕冬的团队选择了模拟软件Tecnomatix的新版本Process Designer和Process Simulate解决方案。软件提供方——Siemens PLM Software的大中华区市场总监权奎奭解释,新方案可以对整条生产线进行仿真模拟,更易于实现整个项目的协同。而以往大多数汽车制造商习惯用的 Tecnomatix Robcad解决方案,只针对于单一工作站点的仿真模拟。
       Tecnomatix曾是一家以色列公司,2005年跟美国公司UGS合并。2007年,西门子收购UGS,该公司更名为Siemens PLM Software。
         要实现“虚拟式生产”,还需要将电气工程师、仿真工程师、机器人工程师三个部门的人员组织在一起工作。各个部门的分工界限开始变得模糊,“所有的事情都要预先共同在电脑上完成。基于这种虚拟一体化的解决方案,这个项目的总架构也做了调整。”丁裕冬说,柯马针对菲亚特项目专门建立了一个由仿真工程师、电气工程师以及机器人设计部门组成的临时工作组。
        通过“虚拟式生产”,柯马节省了60%的试验成本。“原先是三个星期提供一套设计蓝本,这次菲亚特项目的合同签下来之后,模拟团队通知我三天就可以有一套完整的设计了。”丁裕冬说。
        柯马的“虚拟式生产”被西门子称为“数字化制造”。从单一环节的模拟,到整个生产过程在模拟环境中进行仿真预演,这只是未来制造业变革,实现“数字化制造”的第一步尝试。

        “我们如今的解决方案覆盖工艺、仿真、人机分析、工装设计、虚拟生产、工厂布局等。工厂本身的设计建造也是我们的重点,就像柯马提供工厂和生产线的优化和模拟。”西门子 PLM Software首席应用顾问张冲莉说。
德美殊途同归

         从手工业、工业化、大规模生产到信息技术革命,制造业的演进步伐从未停止。原材料价格的上涨,产品创新周期的缩短、资源的匮乏以及竞争的愈发激烈,使工业领域面临巨大挑战。

        制造业的数字化、虚拟化正在彻底改变人们制造产品的方式。为此,以德国为代表的欧洲,以及美国都打算大幅提升工业产值。继去年年底,美国以通用电器(GE)为代表的企业提出了“工业互联网”的概念后,在今年德国汉诺威工业展上,德国政府和工业界提出了“工业4.0”的概念,其关键是将软件、传感器和通信系统集成于所谓的物理网络系统。在这个虚拟世界与现实世界的交汇之处,人们越来越多地构思、优化、测试和设计产品。

        18世纪,蒸汽机的发明和手工业的机械化掀起了第一次工业革命。20世纪初,批量生产技术的运用拉开了第二次工业革命的大幕。过去几十年来,面向自动化生产工艺的电子系统和计算机技术开创了第三次工业革命。如今在德国人看来,随着数字化、软件和互联网的发展,“工业4.0”将代表着第四次工业革命的到来。

       为此,德国联邦政府今年拨出近2亿欧元资金用于帮助行业协会、研究机构和企业制定实施战略。大西洋的另一边,美国政府也极为重视创新制造战略的制定,并计划拿出高达10亿美元资金建立一个覆盖全国研究机构和企业的网络。美国政府部门负责提供无处不在的宽带网络,工业界需要及时地将数据标准化和传输协议系统部署到位。
        西门子工业战略主管Marion Horstmann是向德国政府提供有关高科技战略意见的科学家,同时也是工商界高管组织研究联盟的代表,该联盟创造了“工业 4.0”这个术语。他认为,“实现工业4.0目标,需要我们解决介质和数据传输方面的大量不连续性问题”。

        事实上,还需要解决众多国际标准问题,构建新的安全理念,比如对价值网络的保护,硬件和软件必须进一步开发。同时,高度数字化也意味着高度的无人化生产,将令厂房空无一人。

        但是,西门子工业领域全球 CEO鲁思沃在接受《21CBR》采访时认为,组织架构的变化并不会给社会带来负面影响。“在工业4.0中,人的作用将更为重要。在制造业的创新领域,人的聪明才智仍是不可或缺的。同样,在操作层面,人类还将继续发挥核心作用,他们将不再从事体力劳动,而主要从事创新设计、控制和监测等工作。”

         不过面对“第四次工业革命”,鲁思沃显得非常冷静,“这一变革时期可能持续20年左右,其结果将是革命性的,但其中将涉及到许多个发展阶段。” (责任编辑:ioter)


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