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为何我国对工业4.0如此狂热 目标是数字工厂和人机协作?

日期:2015年12月28日 11:51

 德国为保持在制造业的领先地位,在2013年提出工业4.0概念。工业4.0是一个高科技战略计划,该项目由德国联邦教育局及研究部和联邦经济技术部联合资助,投资预计达2亿欧元。旨在提升制造业的智能化水平,建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂,在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是网络实体系统及物联网。

  德国学术界和产业界认为,“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命,或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统相结合的手段,将制造业向智能化转型。
  有意思的是,中国制造业界和投资界对工业4.0的热情程度超过了德国人。近一年来,国内几乎每天都有工业4.0相关主题的演讲、论坛和沙龙,业内业外都在热烈讨论工业4.0。按其热度,似乎工业4.0马上要落地,真实的工业4.0到底距离我们还有多远?
  一、数字工厂和人机是亮点
  德国企业在生产自动化上已经达到很高水平,同样的,日本企业的精益生产方面也有很高水平,但两相比较,德国并不占太大优势。德国企业要想获得领先,必须有新突破,而网络化涉及的产业链企业太多,整合难度较大,需要很长时间。所以目前的突破口只有选在数字化工厂。西门子在本届汉诺威工业展上还强调,做数字化工厂要注意积累专业的行业知识和服务,而每个行业、乃至每个企业,它们的行业特点和能提供的服务都有所不同,这就意味着每个行业甚至每个企业实践工业4.0的路径都可能会不一样。
  数字工厂既包含产品的数字化,也包含生产过程的数字化,以及全生命周期的数字化。西门子推广工业4.0,不会忘记推销自家现成的软硬件产品和方案,其涵盖从产品设计、生产规划、工艺工程、生产执行和服务的全套数字化软件方案,也提供了可资参考的德国安倍格市的数字化工厂样版。
  为了工人安全,一般工业机器人的工作区与工人隔离开,机器人像野兽一样被关在笼子里。同时,还安装了很多机器安全设备,如安全继电器、安全地毯、安全光幕、急停开关等,以防止对人身产生伤害。而协作机器人可以和工人一起协同工作,无需安全护栏,显然参展企业认为自己的机器人没有安全隐患。
  KUKALBRIIWA机器人为观众倒啤酒,从拿杯子、开瓶、倒啤酒,动作流畅灵活,一气呵成。KUKA的LBRIIWA机器人有七个轴,特别适用于电子、医药、精密仪器等行业,这些行业对柔性、灵活度和精准度要求较高。
  这些机器人之所以有较好的人机协作,是因为这些机器人所有的轴都具有碰撞检测功能和关节力矩传感器,在它碰到人时会自动减速或停止,工人也可以轻易地推开它。在安装工件时,它还能模仿人类的装配动作,它可以像人类一样用钥匙开门,它将钥匙插入钥匙孔一样,上下左右转动,感觉反馈回来的力矩,找到合适的角度进行装配。加之机器人具有较轻的机身,动作都较为温和,对人不易产生伤害。
  根据IHS公司的研究报告,目前工业机器人85%以上的应用都在汽车相关行业,而汽车行业已经成熟,未来机器人的应用增长空间有限。目前ABB和KUKA大力推广协作机器人是将目光投向了潜力更大的3C制造,该行业需要应用更多的协作机器人。
  一般工业机器人属于工业3.0时代的自动化产品,它们仅仅实现了自动化。机器人只有实现了既能按既定程序去执行,还能与人、材料,以及其他设备产生交互,才能叫作智能机器人。机器人协作会有多种外部通信端口与外界通信,与人类协作,实现柔性化生产和数字化生产。
  德国科研系统中,公共大学与公立研究机构主要从事基础研究,而私立的企业研究院从事应用研究。但是Fraunhofer这样的应用型研究机构则是基础研究和企业创新之间的重要桥梁。Fraunhofer联盟对中小企业创新支持项目的实施,为产学研合作研究提供重要的公共平台。在德国,研究人员也要发论文,但是他们更加注重应用型的科研,需要既有战略前瞻又能与企业需求对接的应用技术。
  二、数字化有深挖的空间
  日本的研究所主要包括国立和公立的研究所(产业综合技术研究所和理化学研究所是典型代表)、特殊法人研究所及财团法人和社团法人和民间企业研究所等。在2000年前后,日本政府将原来隶属于多个省厅的研究所调整为独立法人机构,研究所所长由政府直接任命,所有人员都为聘用人员,实行独立法人制度,在赋予大学和科研单位更大的行政权力的同时,这些独立法人也需要做好盈亏预算,运营绩效也要被考核,并以此推动了人员的流动和重组,充分发挥出科研的效益。日本科研力量的主体来自于企业,每年企业研发经费的投入占日本R&D(全社会研究与试验发展)经费的80%左右,其中绝大部分来自于大型企业。
  人是工业系统和产品中非常重要的元素。譬如汽车的功能是运输人或物,同时汽车也是由人来操控,正常行驶的汽车就是一个机器与人组成的系统。人类对汽车的零配件的形状、材料、功能已经有了深入认识,甚至早已为汽车建立了数字化模型。但这个人机系统中,我们了解最少的却是人,对于复杂的人在这个人机系统中的作用我们还没有太多认识,人成为这个系统中最薄弱的一环。
  原来为人建模的方法是在人体表面放置标识,通过为这些标识建模来构建整个人体模型。持丸教授的新方法不用标识,直接通过捕捉人体的视频图像、关节运动角度和相对位置来建立完整的人体数字模型。目前持丸教授的人体数字模型已经开始应用到了日本汽车厂的汽车碰撞测试,消费类公司的运动鞋设计、游戏公司游戏设计、外骨骼机器人、医康复机器人等服务机器人设计以及虚拟现实的应用中。
  狭义的工业4.0主要在生产系统,它的三大集成包含了生产过程的自动化、数字化和网络化,而广义的工业4.0包含了整个生态系统的数字化和网络化,这个系统的外延扩展到物联网和服务网。工业4.0和工业互联网一直在强调物联网、M2M和人机协作,持丸教授的人体数字化的研究其实是将人这个重要元素融入工业4.0打开了一扇窗户。
  三、德日大多数企业的态度
  德国前十大贸易伙伴,除了美国和中国外,其他全是欧洲国家,中国和美国加起来也只占了15%。相比较欧盟成员国和非成员国之间的贸易,欧盟成员国之间的交易有更多优惠条件。从2002年到2012年十年间,德国是欧盟经济一体化最大的收益者,同时也是最大的贡献者。而日本的主要出口贸易伙伴集中在亚太区域,同样也说明区域经济对国家出口的影响巨大。
  除了区域经济一体化,德国和日本两个国家竞争多于合作,因为日本只是德国第17大出口目的地,而德国只是日本第8大出口目的地,而且占比只有2.7%。
  具体到制造业行业,日本和德国在汽车、化工、基础材料、钢铁等行业全面竞争;在机械设备上,德国和日本的数控机床、包装机械、注塑机、机器人、建筑机械、食品机械直接竞争;在自动化产品上更是全面竞争,包括PCL(可编程序控制器),变频、电机、伺服、减速机等产品;从半导体来看,在功率元器件和控制芯片上面竞争也比较大。
  日本制造业界对德国工业4.0概念比较冷静,目前只是研究而已,并没有像中国一样大势渲染。日本虽然有自己的工业4.1J,但这个是个民间组织,影响力并不大。
  德国的大型企业、软件公司、大学和研究所提工业4.0更多一些,中小企业特别是一些基础自动化原件厂商对工业4.0还处在学习探索的阶段。在斯图加特Sudtec和柏林CWIEME展会的论坛现场,当Fraunhofer,Smartfactory协会和ZVEI电气电子协会的专家讲工业4.0时,偌大的会场听者寥寥,但讲行业和具体产品的专家演讲时,论坛现场瞬间满场。对于做配套元器件的中小公司,可能对大的工业4.0概念不太感兴趣,而更关注自身的产品销售和行业市场。
  德国中小企业(GermanyMittelstand)在各个工业领域都比较活跃,超过99%的德国公司属于中小型企业,很多德国的中小企业都是家族拥有或运营,这些企业的目标是做百年老店。它们行事谨慎,很少借贷,以求代代相传。德国同行之间在价格方面并不搞恶性竞争,他们或者在细分行业上构筑自己的竞争优势,或者在质量和产品创新上竞争。
  标准化和模块化是工业4.0的重要概念,对于这些只做配套元器件的中小企业,是工业4.0的标准化产品或模块产品供应商,比较好的策略是专心做好自家产品,跟踪工业4.0的发展,在适当的时候融入到工业4.0的大体系中来。所以,对于工业4.0概念大多数德企略显谨慎。
  日本企业生态模式中,大型企业或母公司扮演了带头大哥的角色,子企业或孙企业跟随大企业做配套。公司和银行集团关系紧密,通过复杂的交叉持股联系在一起;由于银行和其他工商企业关系密切,公司管理者受到保护,从而使之能够不受股东影响而可以进行长线投资。大型企业和中小型企业形成了紧密的企业群体结构,日本小型企业以供应大型企业为主,依赖几家大客户,这样以来日本小厂商在创新方面很难产生自己的想法。
  德日两国企业对工业4.0的热情明显不及中国企业,它们的着眼点还是聚焦于自身传统竞争力的提高。不过,中国人的热烈讨论并非多余,正因为有了这些讨论和争论,工业4.0的概念渐渐丰满起来,甚至反过来完善了德国的工业4.0的理论体系和实践案例。譬如青岛红领C2M模式和青岛海尔的倒金字塔模式就引起了德国人的高度关注。中国一些大型企业,比如流程制造型企业宝钢,离散制造型企业华为等公司甚至在工业4.0概念提出之前就已经开始了智能制造的实践。
YOKOKAWA依托多年研发、应用直驱电机经验,专业致力于DD电机、直线电机、音圈电机的开发和应用。DD电机主要应用于机器人、半导体、LED设备、电子部件及医疗设备等行业。直线电机广泛应用于智能手机、平板电脑组装、检测设备、LCD面板、机床CNC加工期行业。为应对更多更新的市场需求,YOKOKAWA除可提供标准产品外,也可以提供客制化的产品(例如:双驱动龙门式直线电机)。
 
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該資訊的關鍵字為:自动化  工业4.0  工业4.0概念 

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