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未来工厂:让机器人生产机器人
2021-12-27 15:12
王喜文

  

  

 

 

  

在工业4.0带动之下,工业机器人将推动生产制造向灵活化和个性化方向转型,高级灵活的全自动化生产要求机器人完全集成到生产流程中。未来工厂将完全由机器自己生产,而人的作用只是做程序设计,下达生产指令,维持生产线的高效可靠运转。
 

 

  

  近些年,世界主要制造业大国相继出台了促进智能制造发展的相关战略,以抢占新时期制造业领先地位,德国的工业4.0、美国的工业互联网、日本的机器人新战略等,纷纷将智能制造确立为各国制造业转型升级的必经之路。

 

  2013年4月德国政府推出工业4.0,其中将生产制造领域的工业机器人定义为未来智能制造的主力军;2015年1月机器人大国日本推出了《机器人新战略》,旨在应对工业4.0,迎接新一轮工业革命。种种迹象显示,工业机器人在制造业领域的应用将是大势所趋。伴随德国工业4.0时代的到来,生产制造领域的工业机器人将不断地升级为智能机器人。作为制造业大国和机器人大国,日本如坐针毡——如果不推出机器人国家战略规划的话,将威胁日本作为机器人大国的地位。2015年1月23日,日本政府公布了《机器人新战略》。该战略首先列举了欧美与中国的技术赶超,互联网企业向传统机器人产业的涉足,而给机器人产业环境带来了剧变。

  这些变化,将使机器人开始应用大数据实现自律化,使机器人之间的实现网络化,物联网时代也将随之真正到来。


   

  

  

 

 

  

工业机器人的优势和需求驱动
 

 

  

 

  

  

  众所周知,使用工业机器人生产具有很多比较优势。除了降低成本,使用机器人进行工业生产还具有显著提高生产效率、提升产品质量和一致性、增强生产柔性、降低投资成本、节省生产空间、满足安全生产法规等一系列优势。 

  

  工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,消除枯燥无味的工作,降低工人的劳动强度。

  可以广泛用于危险、恶劣环境下的作业,例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上。能够完成对人体有害物料的搬运或工艺操作,增强工作场所健康安全性,从事特殊环境下的劳动,减少劳资纠纷。能够提高自动化程度,减少工艺过程中停顿的时间,从而提升生产的效率。能够提高对零部件的处理能力,保证产品质量,提高成品率,从而提升产品的质量,是企业补充和替代劳动力的有效方案。

  综合看来,工业机器人在智能制造中的应用主要有着很大必要性。

  机器人对于高强度、重复性、恶劣环境工作岗位具有更好的适应性,也是填补劳动力不足的最佳选择。目前,工业机器人能替代人类从事分拣、搬运、上下料、焊接、机械加工、装配、检测、码垛等制造业中绝大部分工作作业。尤其是,制造业劳动力成本的持续上升和机器人价格的下降增强了机器人工业应用的性价比。以我国为例,当前已经面临着劳动力不足的严峻形势,农村富余劳动力的逐渐减少,劳动力过剩向短缺转折的“刘易斯拐点”即将到来。与此同时,人口结构老龄化趋势,下降多年的抚养比(15-64岁年龄之外的非工作人口占比)即将在降到低点后开始上升,随之而来的将是“人口红利”的逐渐消失。随着刘易斯拐点和人口红利的消失的逼近,制造业劳动力成本的快速上升已大大挤压中小企业原本微薄的利润空间,从基本需求上推动着工业机器人需求的加速发展。

  制造业转型升级对产品质量和生产效率提升的需求也在推动工业机器人需求的加速发展。我国制造业企业大多属于加工贸易型企业,产品附加值低,人力成本大幅上升压缩了加工企业的盈利空间,成本倒逼制造商向自动化高效生产模式转型。采用工业机器人进行生产更加标准化,更具稳定性,对生产效率和产品品质都更有保障。随着技术的进步,工业机器人的功能也越来越强大,自由度、精度、作业范围、承载能力等传统的衡量工业机器人水平的各项技术指标都有了显著地提升。

  2000年之前,6轴机器人还是高端工业机器人的代名词,而目前6轴工业机器人已经非常普及,很多高端机器人的轴数都在6轴以上,更多的自由度让机器人的灵活度得到了显著提升,不再局限于之前的简单重复劳动。例如,爱普生(Epson)公司利用机械手进行手表零部件装配,说明机器人既能从事简单的制造业作业,又能从事复杂精密的作业。

  此外,随着机器人核心零部件——精密减速器的发展,工业机器人的精度较十年前大大进步,在作业范围、最大工作速度和承载能力方面也有了显著的提高。

  因此,从作用和实际技术水平来看,工业机器人完全能替代工人从事大多数重复性作业,将人类从繁重的体力劳动工作中解放出来,又具有特定作业优势。

   

  

  

 

 

  

工业革命时代“标志性硬件”
 

 

  

 

  

  

  工业4.0中描述的智能设备主要是指从事作业的机器人(工作站)能够通过网络实时访问所有有关信息,并根据信息内容,自主切换生产方式以及更换生产材料,从而调整成为最匹配模式的生产作业。动态配置的生产方式能够实现为每个客户、每个产品进行不同的设计、零部件构成、产品订单、生产计划、生产制造、物流配送,杜绝整个链条中的浪费环节。与传统生产方式不同,动态配置的生产方式在生产之前,或者生产过程中,都能够随时变更最初的设计方案。 

  

  工业机器人主要是围绕汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人、特种机器人,以及医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人应用需求,积极研发新产品,促进机器人标准化、模块化发展,扩大市场应用。突破机器人本体、减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈。

  工业机器人是一个生产设备,机器人的优势就是提升生产效率,降低生产成本,保障产品质量。所以,广泛应用于各种场景之中。从常用的机器人系列和市场占有量来看,焊接、喷漆、装配、搬运、自动导引车等是主要的机器人品种。

  工业机器人在焊接领域应用较早,有效地将焊接工人从有毒害环境中解放出来。焊接过程主要是由放电产生热量,利用熔化的焊条连接钢板。放电过程会产生紫外线和有毒气体。焊接工人一般都是手持挡板来进行焊接工作,尽管如此,仍然会到来或多或少的人身伤害。目前,随着各种功能的开发,焊接机器人完全可以替代熟练的焊接工人。3台机器人协调实施焊接系统之中,由中央机器人进行焊接,两侧机器人调整焊接对象的工作角度,配合中央机器人便捷地完成焊接作业。

  喷漆机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。喷漆机器人一般作为喷涂生产线的单元设备集成在系统制造中,主要用于汽车车身喷涂生产线。以往,大多的装配用途主要集中电子信息制造业,主要用于在印刷电路板上装配电子零部件。近年来,随着工业机器人作业精度的提升,一些必须依赖手工操作的复杂装配作业也开始逐步用工业机器人来代替了。双臂装配机器人能够做到左手把控螺丝,右手手持电动螺丝刀将螺丝拧紧,完全和工人的作业方式相同,未来有望在各种装配作业中普及。双臂机器人可以从事传统机器人无法做到的事,如精细的装配等。符合机器人向更灵活化方向发展。

  搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作,大幅减轻了工人繁重的体力劳动,被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。

  AGV(Automatic Guided Vehicle,自动导引车)是车间内自动搬运物品,实现物流的功能的一种工业机器人。搬运型AGV广泛应用于机械、电子、纺织、造纸、卷烟、食品等行业。AGV是移动的输送机,不固定占用地面空间,而且灵活性高,改变运行路径比较容易。另外,AGV系统可靠性较高,即使一台AGV出现故障,整个系统仍可正常运行。AGV系统可通过TCP/IP协议易与管理系统相连,是公认的建设无人化车间、自动化仓库,实现物流自动化的最佳选择。例如在汽车生产线,应用AGV可实现发动机、后桥、油箱等部件的动态自动化装配;在大尺寸液晶面板生产线,可实现自动化装配,能够极大程度提高生产效率。

  从单一技能到多面手机器人这一工业革命时代“标志性硬件”的普及,工人得到了极大的解放。数据显示,在德国,平均每1万名工人就拥有273台机器人。目前,汽车产业、电子制造产业的大规模量产技术中,大量采用着各种机器人,而未来的制造业各个行业也将大规模采用机器人。

  在工业4.0带动之下,工业机器人将推动生产制造向灵活化和个性化方向转型,高级灵活的全自动化生产要求机器人完全集成到生产流程中。这为德国最大的机器人公司——库卡迎来了重要的发展机遇。库卡是全球汽车工业中工业机器人领域龙头之一,纯工业机器人公司,目前的年产量超过1.5万台,至今已在全球安装了超过15万台工业机器人。

  在一定程度上,库卡代表了德国机器人的最高水准,也是德国总理默克尔向外界推介的工业4.0案例。

  库卡公司的产品是机器人,而本身的生产线上也都是机器人在执行生产,所以就诞生了“由机器人生产机器人”的现象。库卡工作人员曾经介绍说,库卡生产的工业机器人,他们自己就是第一个客户,凭借先进的机器人制造技术,库卡已经实现了高度生产自动化,整个工厂随处可见挥舞的巨大手臂,却少见人类存在。日本小松公司将其智能工厂系统命名为KOM-MICS(Komatsu Manufacturing Innovation Cloud System),所有生产设备都实现网络覆盖,以实现生产信息可视化。

  小松最早在其焊接机器人上应用KOM-MICS。未来将在全部生产设备上实现设备运转可视化。不仅小松工厂应用KOM-MICS,小松的供应商未来也将应用这一系统。

  KOMTRAX是小松的产品远程监控系统,可了解到小松产品的运行情况,并及时告知用户产品何时需要维修保养,提高运行效率。KOMTRAX系统帮助小松拓展软性服务市场,提升原有硬件产品的附加价值。

  德国汽车制造业生产设备有较高的先进程度和智能程度。一般情况下,整个车间只有寥寥数名工人,一条条生产线旁,大量机器人有规律地忙碌着,宛如未来工厂。生产流程都被切分为许多非常细小的片段,每个片段都按照计算机程序的设定,严格遵循既定的顺序加工,片段之间用高精度的自动化传动机制联系起来,实现了柔性化生产,缩短了生产周期。

  实际上,在国内,机器人也正在大规模接管位于沈阳的宝马铁西工厂。据资料显示,目前该工厂的车身车间就已经有642台机器人,每个机器人有自己明确的工作职责,它们在不同的生产线上专业且吃苦耐劳的忙碌着。从楼上望下去,整个车间几乎看不到工人。

  据说德国制造有一个根深蒂固的观念,工人总是无法避免出错,为此,他们想到把每个工序都分解成机器能执行的细小任务,让永不出错的机器人来完成。也就是,未来工厂将完全由机器自己生产,而人的作用只是做程序设计,下达生产指令,维持生产线的高效可靠运转。

  特斯拉是智能工厂与智能产品的典型代表。特斯拉超级工厂位于美国加利福尼亚州,原为通用汽车(GM)和丰田汽车合资工厂,2010年被特斯拉收购,大量使用工业机器人,成为世界最先进的电动汽车生产工厂,从原材料加工开始所有工序均在该工厂内进行。超级工厂内共有160余台机器人,分属冲压生产线、车身中心、烤漆中心和组装中心。车身中心的“多工机器人”(Multitasking Robot)是目前最先进、使用频率最高的机器人,可执行多种不同任务,包括车身冲压、焊接、铆接、胶合等工作。

  特斯拉对产品的定义是具备特有人机交互方式,包含硬件、软件、内容和服务的综合大型可移动智能终端。电动汽车与传统汽车相比零部件大幅减少,特斯拉Model S和Model X有60%的零部件通用,生产效率大幅提高。机器人和其他数字化技术还使得工人更加轻松、安全和高效。协作机器人不仅只是完成预先编程所规定的任务,工人们还能通过交互的方式“训练”这些机器人。他们无需耗费大量时间进行编程,只需重复自己的动作即可。

  在人工智能、高档数控机床和工业机器人、工业互联网等多种技术赋能下,未来智能化的制造业将值得畅想,智能制造时代的竞争力和附加值要素也将发生颠覆性的转变。消费品工业领域也将是工业机器人的一大应用市场。比如,制药行业的药品检测分析处理机器人能够替代测试员做药品测试和监测分析。通过机器人的采用,要比熟练的测试员还要精确,采集数据样本的精度较高,能够取得更好的实验效果。同时,在一些病毒样本检测的危险作业环境中,能够有效替代测试员。

  短期人工智能与工业机器人的落地将解放大量重复、规则的人类劳动,未来,随着智能制造模式的日益成熟,机器之间、工厂之间得以智能化互联互通,关键技术的“超级聚合”效应将重新定义制造产业价值链。新

  (本文节选自科学技术文献出版社出版《智能制造》,标题为编者所加,有删改。)

  

  

  作者简介

  王喜文,科技作家,情报学博士后,高级工程师。现为九三学社中央科技委委员、九三学社中央促进技术创新工作委员会委员、华夏工联网智能技术研究院院长。

  

 

  

  

  

 

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  来源:本刊原创文章

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