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来自德国工业4.0的重要启示

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供稿:中国工控网 2016/5/25 11:07:51

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  近日,美的集团要约收购德国机器人制造巨头库卡集团的消息,引发业界震动。这家位于佛山的家电企业,喊出要做“世界级”企业的口号。在广东,美的的同行者越来越多,在它们开启新一轮全球布局的背后,是广东加快迈向全球制造之巅的雄心。

  制造业是一个大国的脊梁,广东是“中国制造2025”的探路先锋。在“十三五”的新起点上,广东正以创新驱动为核心战略,加快实现由制造业大省向制造业强省的历史性转变。

  作为广东制造重镇的佛山,是全国唯一的制造业转型升级综合改革试点,正在迈向中国制造业一线城市。做制造业一线城市,就是要为建设制造业强国的理想代言,要为广东再创发展新优势闯关。为此,今年1月至4月,南方报业传媒集团与佛山市联合发起“佛山制造 问策全球——中国制造2025对话世界新工业革命”跨国大调研,奔赴德国、美国、以色列、日本、瑞士、加拿大等制造业强国,走访新工业革命的一线现场,为广东创新驱动和制造业转型升级探寻路径。

  实验室内,一具身体模型躺在手术台上,但围绕它的并不是医生,而是数台医学机器人手臂。它们灵活移动,协助主刀医生完成手术。但主刀医生不在手术台前,也没有直接接触病人,而是在手术室外远程遥控。通过机器人手臂上的传感器,主刀医生能实时感知病人皮肤张力、血液流动等情况。

  这是德国卡尔斯鲁厄理工学院正在研发的手术机器人。5年前,德国在汉诺威工业博览会上首次提出“工业4.0”概念,随后上升为德国引领制造业变革的国家战略。今年汉诺威工业博览会以“融合的工业——发现解决方案”为主题,展示百余项工业4.0应用与解决方案,标志着工业4.0逐渐从概念走向实践。

  作为中国和广东制造的典型代表,佛山正大力推进以信息化和自动化为核心的“中国制造2025”计划。在本届汉诺威工业博览会上,数十家企业组成“佛山制造军团”集中亮相,嘉腾、利迅达、科达洁能等佛山企业首次参展便成功跻身核心展区,与库卡、ABB等国际机器人巨头同台“炫技”。

  广东向德国工业4.0学习什么?为此,在汉诺威工业博览会举行前后,南方日报与佛山市政府组成联合调研组奔赴德国,深入德国科研机构、生产一线与展会现场,直击德国新工业革命正在发生的变化,为广东制造探寻从量到质的升级之道。

  隔空操作机器

  让机器像人一样灵活反应

  视觉系统研究区内,一只大型“蜘蛛”正寻找目标,发现后迅速锁定“猎物”,并快速移动到目标面前,伸出两只长长的“手臂”,熟练地对目标物体实施焊接。该项目的研究人员Hua Yingbing说,机器人精准定位目标物体,是通过其身上的摄像头来实现的,相当于人的“眼睛”。

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  实际上,让摄像头充当人的“眼睛”捕捉物体影像并不难,难的是摄像头背后的那一套复杂的信息处理系统。摄像头所捕捉到的信息,要实时传回后台的电脑系统,让系统及时判断并作出指令,实时指挥机器人作出反应。

  让机器人能像人类一样瞬时作出判断和反应,正是德国卡尔斯鲁厄理工学院正在研究的内容。该学院计算实验室负责人Jrg Raczkowsky博士说,他们正尝试通过肢体、触感等方式,让机器人能与人进行密切交流与对话,以实现多种适应性调整。

  实验室里,一个依靠电磁感应和人进行交互的机器人,机器手臂上装有八块电磁传感器,能根据不同方位的磁场强弱,准确分辨出物体的位置、大小和方向。跟普通机器人不一样,该机器人能更好感受物体表面的曲线分布,抓取不规则物体。与这台机器人相距不远,一台重达数十斤的机器手臂,正跟随操作者的各种动作灵活摆动,像是大人“手把手”教小孩,并且比小孩更加“听话”。

  Hua Yingbing说,通过电磁感应加上力学传感器,操作者能真实感知机器人的“感受”,换言之,人类将可以隔空操作各种机器。

  全面自动化

  实现虚拟与现实融为一体

  位于斯图亚特的弗劳恩霍夫协会是德国工业4.0战略的发起机构之一,该协会在去年新组建工业4.0应用中心,专门研究工业4.0时代的“未来工厂”。在该中心,研发人员Biltin向联合调研组展示了一个装有“眼睛”的智能装配盒:当盒中物料减少到一定程度时,盒子就会自动发出警报,并将信息实时传递给供应商,提醒供应商及时补充物料。

  用智能设备代替人类成为自动化的“工人”,是“未来工厂”的一个重要特点。弗劳恩霍夫协会工业4.0应用中心主任Martin Landherr说,未来各生产环节将布满摄像头之类的“眼睛”,随时随地监看物料运输和生产流程,向集成系统实时传递信息,并根据信息指令即时调整生产。

  在距离应用中心数百公里的慕尼黑宝马总部工厂车间中,机器轰鸣声中各种机器人在忙碌地工作。喷涂车间内,一台台“披”着银灰色“衣服”的机器人灵巧地挥舞着手臂,打开车门再转动手腕,为车壳内外喷漆。它们比人工操作更加温柔、到位。机器人之间流畅的配合,确保每一道生产工序都能在58秒内完成。

  在汉诺威工业博览会上,西门子公司展出了一个将虚拟世界与现实世界灵活融合,具有更高可用性的“生态系统”。参观者只要坐上体验台,就能在虚拟环境下驾驶飞机。即使是操控体量巨大的挖掘机,也可以在电脑平台上建立一个三维模型,设定挖掘机的工作路径和活动轨迹,然后挖掘机就会自动按照模型中设定的方式进行操作。此时,虚拟与现实的界限已经消失,真实的挖掘机和数字化的挖掘机连为一体,也无需再有工人参与操作。

  人机协作

  珠三角中小企业的现实路径

  在汉诺威工业博览会开幕式上,德国机器人巨头库卡展出了最新产品KMR iiwa机械手。而就在此后不久的5月18日,美的发布公告称,该集团旗下子公司MECCA International(BVI) Limited有意通过自愿要约,以每股115欧元价格,合共不超过40亿欧元、折合人民币292亿元收购库卡集团超过30%的股权。

  如收购成功,美的将凭借库卡在工业机器人和自动化生产领域的丰富经验和产品线,进一步提升生产效率并推动公司制造升级,同时与库卡合作向全国一般工业企业推出一流自动化制造解决方案。有评论认为,这种技术并购方式或许将为佛山企业迈向“中国制造2025”提供新模式。

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  不过,这种模式并不适用于大多数企业。实际上,无论是卡尔斯鲁厄理工学院所展示的前沿技术,亦或是宝马、西门子所展示的自动化、虚拟生产场景,对佛山的中小企业来说,要真正应用到生产之中还非常困难。

  联合调研组在MAN公司看到了工业4.0实践中的另外一种方式:人机协作。因为卡车型号众多,这家世界著名的重型卡车生产企业并没有推行全面自动化,而是采用熟练工人和机器人配合的方式来提升生产效率。“我们是小批量生产,全面自动化投入产出比不划算,但通过人与机器协作实现互补,既保证生产效率,又可降低成本。”MAN公司员工Matthias Lessel说。

  这也是汉诺威应用科技大学经济学教授赫尔贝格的观点。他认为,企业要不要实施工业4.0,从哪个环节切入工业4.0,更应考量整体效益,把上下游价值链中看得见的生产设备组织起来,实现高度灵活生产。

  “协同上下游产业链,一定要建立统一的工业数据标准。”在德国一家大型电控公司从事工业大数据工作的华人工程师小林说,实现工业4.0首先要推动原始数据收集和共享。在目前情况下,行政管理问题比技术更加重要,公司要尝试从生产一线开始导入数据管理,为推动全面信息化提供基础。

  ■启示

  德国工业4.0研究体系启迪中国制造2025——

  紧贴企业需求快速转化成果

  尽管中德在技术研发上仍存在差距,但联合调研组在德国走访的过程中发现,发动社会机构与企业参与研究,是德国推动工业4.0战略的重要路径。

  “企业提供现实案例,大学主要做基础研究,政府则打造适宜的环境,三者经常聚在一起共同研讨如何实现工业4.0。”德国下萨克森州管理学院国际项目总监Harald Becker说。在德国政府提出工业4.0战略之后,从高等院校到技术应用研究所再到各种经济促进机构和企业,各方迅速响应形成一个多层次、多维度的工业4.0研究体系,持续推进工业4.0从概念走向实际应用。

  作为一项高科技战略计划,德国联邦教育局及研究部和联邦经济技术部联合出资2亿欧元资助各种工业4.0研究项目,旨在建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂,提升制造业的智能化水平。这些资助经费面向社会进行公开“招标”,科研机构和企业可根据科研主题或单独或组成联合体进行申报,通过竞争获得资金。同时,政府也会根据经济发展需要,委托科研机构进行相关课题研究,如弗劳恩霍夫协会,约有三分之一的经费来自联邦和州政府的项目委托。

  在研发引导之外,政府还负责打造工业4.0环境。比如,经济发达的下萨克森州专门成立政府作为大股东的下萨克森州管理学院,该学院会组织相关讨论会,设置工业4.0课程,为辖区内外的企业进行培训。在大众汽车总部所在地沃尔夫斯堡,该市经济促进有限公司的工作之一,就是要促进高校科研机构与企业的技术对接。

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  与其他地方不同,德国工业4.0的研究凸显了跨界综合应用和紧贴企业实际需求的两大特点。

  位于斯图亚特的弗劳恩霍夫协会在去年新组建了工业4.0应用中心,该中心有35名工作人员分别从不同研究所和不同的部门抽调而来,拥有不同的专业背景,同时在研究的过程中还会引入企业员工参与。又如卡尔斯鲁厄理工学院的计算机实验室,在智能医疗机器人研究中,也涉及计算机、装备制造、生物医学等多个领域,甚至在研发的过程中就已经考虑其商业模式及政府政策等问题。

  无论是工业4.0应用中心,抑或是卡尔斯鲁厄理工学院,其科研方向均与企业实际需求密切相关。工业4.0应用中心有关负责人说,该中心与工业领域有着非常好的合作,同时为工业领域的技术人员提供培训。从这两个活动中,中心可以了解到工业领域所面临的困难和问题以及他们最希望的前沿科技是什么,然后把这些信息作为一个科研项目立项。这个项目一旦成功了,就将成果转化到工业企业里面去。

  ■佛山实践

  佛山企业组团亮相汉诺威工业博览会,对标全球先进技术

  嫁接德国经验 力求“弯道超车”

  今年4月,佛山提出将建设成为中国“互联网+智能制造”试点城市,加快产业转型升级,助力供给侧结构性改革。如今,智能化、数字化的无人工厂、3D打印、云制造、柔性制造、物联网等新模式、新技术已经在佛山制造集群中蔚然成风。

  在不久前落幕的汉诺威工业博览会上,中国以约700家参展商的规模再次成为仅次于东道主德国的最大参展国。在中德工业服务区的组织下,嘉腾、利迅达、科达洁能等佛山制造的代表,首次参展便成功跻身到库卡、ABB等国际机器人巨头云集的核心展区。

  作为珠三角机器人产业的后起之秀,机器人集成商利迅达展出一款行走机器人。与常见的工业机器人不同,利迅达的行走机器人由一台机械手与一台移动的小车嫁接,通过设定其运动参数和轨迹,能够实现机械手在不同工位的自由移动,从而降低机械手的使用数量,提高整个工作单元的生产效率。该公司董事长霍锦添介绍,这款新产品受库卡机械手的启发,经过大半年的研发而成,目前已在顺德杏坛樱奥厨具的无人打磨车间上开始试用。

  “代表国产机器人行业来参加这种国际性的盛会,不能给中国人丢脸。”嘉腾机器人公司董事长陈友表示,此次带来的AGV机器人“大黄蜂”和“小白豚”刚刚斩获全球工业设计界最权威的奖项——德国红点奖,其采用的陀螺仪定位惯性导航技术更是世界独创。

  目前,嘉腾机器人已经打入日本汽车工业市场,并远销土耳其、法国,希望通过这次参展进一步开拓德国、匈牙利以及北欧的市场。同时,与全世界激光导航的领跑者瑞典Kollmorgen的战略合作,将加快嘉腾在国际市场上拓展。

  “中国作为制造大国有很大的优势,我们在不断努力地追赶。”陈友表示,优质的产业技术人才是支撑德国工业4.0的关键要素,中国也应该学习德国的职业教育体系,提升智能制造上的整体竞争力。

  曾多次赴德国考察的广东宝丽雅实业发展有限公司董事长叶中平则认为,德国制造的高水平并非一蹴而就,其也经历过从量到质的蜕变,而把握住互联网产业高速发展的机遇,中国制造业完全有机会实现“弯道超车”。

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  就在本届汉诺威工博会上,佛山与德国汉诺威展览公司正式签约,将引入这一国际会展业巨头为广东(潭洲)国际会展中心提供运营、管理、咨询服务。霍锦添认为,佛山制造应该把握住这个中德合作的重要机遇。“专业展会如果能够嫁接到佛山,能够使行业上下游集约度更高,吸引更多世界性的技术、创新、人才要素集聚,推动佛山智能制造产业做大做强。

  ■对话

  弗劳恩霍夫协会工业4.0应用中心主任Martin Landherr:

  建立“数字—物理”系统 实现人机实时互动

  “工业4.0要实现两个目标,一是按照客户的个性化需求进行生产,二是要尽量不增加成本,使其与大批量生产的成本基本相同。”弗劳恩霍夫协会工业4.0应用中心主任Martin Landherr说,这种情况只有通过数据化和信息化才能做到,因此必须建立一个“数字—物理”系统,实现信息的实时流动,让人与机器、设备高度互动起来。

  成立于1949年的弗劳恩霍夫协会是世界第一个工业研究所,也是第一个开发以互联网为基础的“智能化生产”技术和设备的研究所。作为德国工业4.0战略的发起和推进单位之一,该协会去年开始在斯图亚特成立工业4.0应用中心,汇聚不同领域的专家,研发和展示新技术。

  记者:工业4.0要实现怎样的目标?

  Martin Landherr:工业4.0最终的目标,就是要在不提高成本的前提下,能够做到个性化的定制生产。这是2000年以来全球工业生产变革的一个趋势。产品不再是大批量地针对广大消费者的集体爱好,而是根据每个人的兴趣爱好来做个性化产品。

  记者:如何实现上述目标?

  Martin Landherr:小批量个性化定制生产,对整个产品的组织流程、生产流程要求非常高,也非常复杂,只有通过数据化、信息化管理,才能做到。主要是用“数字—物理”系统来组织生产。“物理”可以理解为看得见、摸得着机器、设备,“数字”则是看不见、摸不着的信息系统,两个系统结合在一起进行生产。

  为降低成本,需要一个动态的、实时的、可以自己组织生产的最优化合作,包括企业内部以及整个产品价值链条的合作。这里面涉及两个概念,一个是信息实时传递,另一个是人与设备或机器实现互动。

  记者:其中核心的要素是什么?

  Martin Landherr:关键是利用好信息传输来更好地组织生产。我们今后的目标是要达到实时控制和实时生产。过去,我们是依托经验来设计工厂生产,从当天开始安排下一个星期的生产计划。但在新的模式下,生产过程中的每一分钟都可以有一个新的指令过来,然后立刻进行调整。因此,我们现在要对所设计的工厂进行实时信息记录,然后实时映射到系统上,系统再根据这些信息来指挥生产。

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新闻来源: 南方日报

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