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“德国‘工业4.0’战略解读”之艾卡特·古纳特·乌尔曼教授
2015-09-11 16:30:28  作者:杨启森  来源:智造网
  •      德国弗朗霍夫研究院生产系统和设计技术研究所所长、德国技术科学院院士 艾卡特·古纳特·乌尔曼   从一开始的时候工业4.0就不是一个结束,它是一个总体的概念,包括很多的解决方案,这些解决方 ...

   

  德国弗朗霍夫研究院生产系统和设计技术研究所所长、德国技术科学院院士

艾卡特·古纳特·乌尔曼

  

  弗朗霍夫模式关注过程链,德国研发的过程连主要有三层。

  第一层是一个基本的研究,他带来一些基本的创造。

  第二层是由弗朗霍夫研究院主导的技术过渡转化的沟通层次。

  第三层是应用层,可以被业界加以应用。

  基础研究方面是靠大学还有研究院,他们带来基础的研究。这些研究成果之后被提交给弗朗霍夫研究院,我们把基础研究和业界之间搭起一道桥梁。最后是应用层,企业会做一些研究,或应用弗朗霍夫的成果。

    从一开始的时候工业4.0就不是一个结束,它是一个总体的概念,包括很多的解决方案,这些解决方案是适用于不同的问题,所以它并不是是一个单单的技术,而是未来不断发展的概念,其中包括硬件、软件、网络等等,来帮助我们实现水平和垂直的融合。

  现在的一个大趋势促进了我们的发展,比如我们需要不断的做出改变,来满足和顺应这样的需求,从而实现更加高效的生产,与此同时保证它的可持续性。

  可持续生产必须同时满足三个条件,首先第一个是经济性,要把生产成本降到最低。第二个是环境性。第三个是社会性,在公司一定要关注员工满意度、在工作当中的健康程度,同时也要保证他们最低的社会安全标准。

  在制订我们自身的战略,生产的计划中需要考虑的首先是需要更加准确的技术,如果技术有适应性的结构,它可以适应生产的任务,如果还有很先进的设备,那么这些设备和技术可以生产更加好的产品。其次是高效的生产流程。最后需要考虑过程链。

  我们需要有高灵活性,因为有需求去生产更多个性化的部件,那么会使用叠加生产的新型方式来生产。首先我们有原材料,它是粉末或者是液体,就是比较不稳定的状态。那么有一个储藏室,有一个系统,它先简单铺一层粉末,然后计算机告诉激光束他们在表面应该怎样移动?那么我们生产一层,也就是说一个阶层。到下一步,我们再铺下一层,然后不停重复这个过程。所以这个产品就是一层一层铺起来的,这样做的好处就是有一定的自由度,也就是说一个机床可以生产不同形状的不同规格的零件,但是不好之处就是需要很多时间。所以现在还不能把它用于大规模的生产,但是我们现在正在非常努力的在减少这个时间,我们升级了激光技术,局部的都可以用这个生产。

  我们需要一个全新的过程去生产出针对制造用的更加高效的零件,关键是整个生产链都是新的,它需要一些数据处理但是我们现在还没有,所以这也是工业4.0需要做出的解决方案。CAD解决方案不能再用,因为不只是把信息做简单的分层。激光的温度造成的变形有时候会破坏到工具,所以不能仅仅用这个工具,而必须去研究它产生的结果,对变形做出预测,通过模拟把生产流程做最大程度优化。必须有一个生产加工后的流程去对每一个产品去做出一些反应。最后还需要有效的制冷措施,现在的生产链就是在使用机器人做加工后的处理,机器人的准确率是比较差的,机械率程度比较高,但是灵活度也比较高,所以我们试着建立一个完整的生产流程。我们不能保证它的力度和硬度的连贯性,所以我们会检查这个部件的形状,然后用叠加式制造做出来,在制造完成之后用一个光学的软件去检查它的形状,然后去捕捉软件三维的数字,然后再计算模拟制造的参数与实际造出来这个件的参数进行比较。然后再去进行校对,最后才能做出比较好的产品。

  拥有仿真系统我们可以以虚拟的方式对整个过程进行优化。比如说要计算温度和硬度,一个仿真可能需要花费数小时的时间,从而得到一个实时的解决方案。我们建立起的一个网格,还有产品的横截面,需要一次又一次的进行测量,测试比较耗时,但是可以帮助我们解决问题,我们因此做一个新的方法,无线点的方法,这样不用做数学计算也不用建复杂的网格,用一些点代替材料,材料的不同之处得到了实现,因为这些点附近有一些磁场,有了这样一个工具就可以把所有的点通过这样一个磁场吸引,加速了仿真的过程。

  新的系统和旧系统是一样,但是它的速度更高,但是准确性没有得到下降。仿真系统可以预测和仿真整个制造过程,这样可以知道到底温度的负载和硬度的负载是如何的。

  一方面开发硬件,一方面开发服务,因为硬件影响着服务,所以我们需要两手抓,其实是做不到的。机床实际上他们的尺寸是一样的,他们成本非常的低,设计过程中也计算了产品整个的生命周期,因为这样一来可以使公司因为备件而得到收益。 这种以可用性为核心的商业模式,产品在顾客当中并不是一成变的,我们在产品上附加了很多的传感器和类似的系统,这样一旦产品在工作的过程当中,它的背后有一个计算过程在支撑,一旦我们知道它的生命周期到头或者是出现一些磨损和损害,那么就有一些预期的维修系统,那么这个产品就会变得不一样。如果把机床当做机床来卖,那么肯定不会去想做一种可用性的维护或者是安装可预测的系统。但是在可用性为核心的商业模式下,可以大大延长产品的使用寿命,这个也就是商业模式对于产品的开发和设计产生的影响。

  工业4.0是指人联网、物联网、服务联网和程序联网。

  首先就是横向融合,就是不同组织之间的网络。比如说一个企业跟供应商之间网络的融合。其次是生产和信息系统的纵向融合,这里是使用 IT以及IT系统本身的融合,同时我们在工程方面需要有数字的一致性,这会导致功能和信息的分散化。可能信息与功能并不是直接相连,CPS系统就是帮助提供信息。整个产品周期的价值链的一个更高层次的组织和控制,从研发到设计到准备到制造到组装到销售以及使用,整个所有步骤都包括进来,才是整个的制造生产链。

  我们还要应对越来越个性化的客户的需求,比如说有定制服务等等,那么我们需要提供是为终端用户提供包括相关服务在内的一系列的服务。所有的数据能够及时的提供是必要的。方法就是将所有价值制造相关的主体连接起来,可以在任何时间提供,可以从数据获取的最大的价值,它的前提就是我们需要收集数据,能够获得数据。我们需要把人类、物体和系统联系成一个动态的网络,实时的进行优化使这个价值网络能够进行自组织,能够按照不同的标准去进行生产优化,这就是生产方面工业4.0的定义。这样的工业4.0有一些优势,首先它不仅仅可以生产个性化的定制产品,而且这个产品它的成本是大规模制造的成本,其次工业4.0还能够帮助改善制造的效率,因为成功的元素,那么从现在到接下来的100年都不会改变,但是成本是可持续性是质量,但是如果说是更个性化的生产的话,他们的多变性,适应性也是非常重要,需要能够适应不同客户的需求,同时单价更低,无论是大规模生产还是个性化的生产,同时还能够保护资源,减少能源消耗。

  一个能够具有适应功能的生产线可以帮助我们减少能源消耗的同时能够增加生产的消耗。工业4.0能够成为一种方式,帮助增强中小企业与系统提供商之间的联系。工业4.0的未来,那么我们会有全新的创新性的商业模式,那么其中之一就是不去销售它的硬件而销售它的产品。

  传统的产业了解技术,但是他们对于信息技术没有太多了解,所以想去了解信息技术。有两种方式。一种是生产者去获得IT信息技术,而一种是信息技术企业了解硬件方面的知识,了解IT技术比较简单,而了解生产系统的复杂性比较难,我们不能通过简单的收购来了解生产系统,但是IT技术可以通过收购来获得。

  工业4.0的不同水平和关注点主要三层。第一层是智慧企业,在这个层面需要有一些新的增值网络,包括垂直和水平的整合,形成一个动态的网络。第二层是智慧工厂,要有更多智能的工厂,在这些工厂中使用信息物理系统,它可以为我们带来互联互通和自主的解决方案。第三层是智慧对象,就是信息物理系统,这个系统中我们需要有一些智能的互联的产品,服务生产和设备。可以把创新的领域分别归类到这三层,第一层比如说有一些业务流程,商业模式的创新。智慧工厂层可以有一些自适应的生产,要有灵活性,比如说商业系统的配置等等。可能要有一些复杂性,然后是自动化,比如移动性、连接性、身份确认、检测等等。

  总结来说,新技术,比如互联网,要把人、对象、系统和数据进行联网,还有嵌入式系统,可以实现智能通讯,还有追踪系统可以进行身份的确认和对象的追溯、追踪。智能的移动设备,可以进行互动,访问信息,访问个人地址和文本。

  工业4.0其实是伴随着整个生命周期,从供应商到库存管理、组装、测试、交付、客户服务,在整个一条线上需要各种各样的服务来实现各类技术和解决方案的应用,来实现我们的工业4.0各类途径。工业4.0不是一个产品,像一把大伞,伞里面有各种各样的应用和服务需要得到开发,来适应和满足我们业界的需求。

  工业4.0的重点,首先第一个就是机械和车间工程,要制造更多智慧的车间、车床、组件,一些传输系统等等。其次是电子设备和自动化,包括供应商、服务提供商、制造商和系统的整合商,涉及到传感技术、执行工程、驱动器控制、嵌入式系统、机对机通讯等等,此外还有企业工厂软件,这些软件用于规划控制、物流、供应链的管理、维护规划等等,而工程的软件都是都是各类CAD、CAP、CAQ,以及用于产品的研发的软件,像PDM、PCM,数字化工厂等等,以及用于数字工厂、仿真、虚拟现实、增强现实的软件等等。

  德国的一些机构希望找到一些解决方案,来满足业界的需求,可以把这个解决方案为中小企业量身订作。现在在研发和生产中间存在着一堵墙,而生产和客户最终使用之间又存在一堵墙,我们需要推倒这些墙来形成一个相互连接的过程链和网络。

  自组织的生产就是,所有的工件的吞吐都是由工件本身所决定的。今以前我们用二维码来确定不同的工件和组件,现在我们有了RFID,不同设备可以进行追踪和归档,有了CPS之后又有了一些智能的解决方案。讲到产品智能,我们希望有一些技术的结合,比如说无线的穿戴节点,这些项目会进行相互的交流、管控、决策,通过一些代理系统来实现去集中化,由于这种产品驱动性的生产,获得更高的灵活性,微系统的解决方案、成型系统、生产技术,都可以帮助实现工业4.0。

 



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