在第二次工业革命的高潮期,亨利·福特(Henry Ford)将装配线引入汽车制造中,这是一项了不起的成就。现在看来,事实并非如此。历史学家追溯了装配线的起源,其历史可以追溯到公元1104年威尼斯兵工厂的建立。


尽管随着时间的流逝,未来工厂的自动化水平越来越成为人们关注的焦点。


机器人技术推动工业生产由规模化生产走向规模化定制


为了降低单价并最大程度地提高利润,工厂自动化一直以来都在降低制造成本,消除产品质量的差异并快速批量生产商品。为此目的,工厂自动化已经取得了成功,但未来将不再是大规模生产,而将是大规模定制。也就是说,“一刀切”的所有产品,将逐渐让位于为满足每个消费者的特定需求而定制的产品。因此,工厂将必须变得极为灵活,同时还要在连通性和能源效率方面取得长足进步,以保持竞争力。今天的工厂自动化与个人计算机革命之前的大型计算机时代相当成熟。值得庆幸的是,许多新兴的支持工厂自动化的技术正在涌现,以助推下一个“工业4.0”。


机器人技术推动工业生产由规模化生产走向规模化定制


图2:百特工厂机器人


当大多数人想到工厂自动化时,他们就会想到机器人。当今工厂中发现的大多数机器人都是特制的。由于专注于生产,当代的机器人不会挑剔工作的环境,为了保护人类同事的安全,许多机器人被放在笼子后面。由于集成了广泛的传感器和基于人工神经网络的智能,下一代机器人工厂的工人将拥有远超人类的视觉功能。


来自Rethink Robotics的制造机器人Baxter是工程师为明天的工厂建造的示例。百特的起价为25,000美元,就工业制造机器人而言,其价格极为实惠。可以对这些自适应机器人进行培训,以执行各种任务,例如机器维护,包装/拆包,生产线装载,甚至收拾工作,所有这些都不需要复杂的软件重写或硬件更换。例如,只需让人类训练员通过一系列所需的动作手动操纵机器人手臂,就可以将百特重新编程为执行不同的功能。换句话说,百特通过执行由动手人类老师教给他的任务来学习,而不是让工程师进行相当于机器人手术的重新布线和内部编程的学习。


此外,下一代工厂机器人也被从笼子中解放出来,旨在与人类紧密亲密合作。这些机器人正在执行繁重的重复工作,因此人类工人可以自由地专注于那些仅需要人类才能提供的灵巧性或分析能力的任务。简而言之,我们将越来越多地看到在工厂中出现人类/机器人制造团队。


工厂由许多不同制造商制造的机械组成。诸如可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)之类的设备代表了工业自动化技术的最大市场领域控制这些机器。还有其他一些较小的解决方案,每个解决方案都具有自己独特的通信协议。互操作性通常是通过使用协议转换器来实现的,协议转换器为工厂的生产线增加了成本和复杂性。此外,机器之间的互连需要长距离使用各种布线配置和连接器的电缆。这意味着重新配置生产线以适应设计或制造技术的变化并非易事,并且这样做通常需要大量的停机时间。


物联网(IoT)概念所设想的万物互联无处不在的承诺正在进入工厂自动化解决方案。以工业互联网(II)或工业物联网(IIoT)之类的名字命名的,可互操作的机器对机器(M2M)协议的概念已开始成为对传统封闭式专有协议(如Modbus,以太网/ IP和CANopen。


在协议栈的下方,我们已经看到融合为基于TCP / IP的以太网作为工业互连标准。所谓的工业以太网使用与传统以太网相同的协议,同时提供更坚固耐用的外壳和连接器,以适应工厂设置中遇到的独特而恶劣的环境条件(例如温度,振动,化学物质)。我们还看到更多无线解决方案的采用,因为它们不需要购买昂贵的电缆,也不需要电缆安装和重新配置所需的劳动力。有趣的是,802.15(蓝牙®,基于Zigbee的协议比802.11(WiFi)的采用率更高,因为它们倾向于低功耗。实际上,许多传感器将通过收集周围的RF或热能并将其转换为电流来供电。无线解决方案使工厂能够即时灵活地进行配置。这是实现需要更多定制产品而又不会显着增加成本的市场需求的关键要求。


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图3:工业高压釜


到目前为止,大多数人已经接触到3D打印机的概念,该概念使工厂能够使用比铣床中使用的减法方法更有效的增材制造技术。尽管大多数人对3D打印机的接触仅限于在许多家庭和制造商场所坐在桌面上的低成本塑料打印机的爆炸式增长,但工业3D打印却要先进得多。总部位于荷兰的研究小组TNO最近展示了一种增材制造机器,该机器使用100个平台在转盘上移动,以沉积各种材料,例如塑料,金属和陶瓷,从而制成整个产品。


现在,我们经常将流水线的概念与传送带联系起来,传送带将原材料从一个工人运送到另一个工人,直到最终产品投产为止。但是,传送带系统是固定的,没有大量额外费用就无法重新配置。输入便携式流水线的概念,该流水线用无电池自动驾驶汽车代替传送带将正在进行的工作从一个工作站移到另一个工作站。机器人车辆的使用将使制造执行系统(MES)能够在接到通知后立即重新布置虚拟装配线,以反映公司的企业资源计划(ERP)工具收集的实时需求。这将使适应性工厂能够根据销售数据精确生产市场需求,从而减少对脆弱的销售预测的依赖。


纳米技术,奇异复合材料和嵌入式MEMS技术将继续改变工厂的面貌,以便考虑到采用新材料的建筑产品带来的新制造技术。例如,工程师正在研究替换与当今复合材料制造相关的大型高压釜的方法。一种有前途的解决方案是结合微波以帮助快速固化大体积或大体积的复合材料组件。微波固化还具有减少能耗和进行部分固化的优势。这意味着装配体的不同部分可以以不同的速率固化,从而实现了传统高压灭菌器无法实现的新颖装配技术。


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图4:内华达州正在建造的特斯拉超级工厂概念车


越来越多的制造企业认识到,提高能效是降低管理费用和提高利润率的关键因素。工厂正在寻求通过采用现场可再生能源来减少对电网的依赖。在给定的地理位置上利用最丰富的可再生能源,除了被认为对环境负责外,还将越来越具有经济意义。特斯拉所谓的Gigafactory,预计将有190万平方英尺的空间,目前在内华达州正在建设中,由于其利用了地热,太阳能和风能,预计产生的可再生能源将超过其运营所需的能源。 。


工厂的另一个巨大机遇将是采用高效电机。工厂消耗世界上产生的电能的40%以上,仅电动机就消耗了近30%。可再生能源和电池技术正在帮助解决能源方程式的供应方问题,而高效电动机则有助于解决需求部分。机器的设计必须便于对电动机进行改造,以最大程度减少与未来升级相关的成本和停机时间。


现代工厂是经过微调的系统,可以通过将原材料转变为制成品来为我们的经济创造价值,同时还要与法规遵从性,安全性等竞争力量相抗衡关注,质量保证和保持成本效益。因此,改变生产线并不是一件容易的事,许多工厂经理理所当然地对自己的工业自动化系统进行修补。但是,在建立制造能力障碍的成本直线下降的时代,看到启动效应影响工厂规模制造并非不可想象。台式机制造市场的增长将使情况更加复杂,这将消除大型工业工厂生产低端消费品的需求。尽管从这个角度看似乎是注定要失败,但精明的工厂经营者将看到摆脱低利润率业务的千载难逢的机会,转而寻求可以利用这些新兴工厂自动化技术的丰厚机会。


一些技术专家设想到一个世界,在这个世界中,工厂将放弃固定的基础设施并变得可移动,以便工厂可以搬到最便宜的原材料的位置,而不是将这些资源运到工厂,从而降低了运输成本,成为单价方程式的一部分。在这种情况下,高度的自动化是至关重要的。由于建立工厂的成本直线下降,其他人看到了本地化工厂的复兴。这些所谓的“微型工厂”可以获取便宜的半成品,并在当地市场进行最终组装和定制。反过来,这意味着可以减少向消费者的运输成本,从而降低单价。在这些新的陆上工厂所服务的地区直接提供就业机会也将带来额外的好处。


无论工厂自动化的未来如何发展,技术将继续建立在数百年来人类惊人的创新力和创造力之上。明天的工厂无疑将变得更加强大,适应能力强,能源效率高,同时生产出具有成本效益的,高度定制化的产品,以满足全球客户的需求。


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