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从“制造”走向“智造”,自动化行业迎接新机遇

添加时间:2018/02/02

诗经有云,他山之石可以攻玉。智能制造是一个长期的系统工程,推进智能制造需要开放的国际视野。本文结合e-works历届国际智能制造考察的所见所闻,归纳总结一些值得我国制造企业在推进智能制造,实现转型升级过程中借鉴的发展策略与成功经验。

一、对制造的专注与执着

德国制造业绝大多数是家族企业,有很多百年历史的“隐形冠军”。他们业精于勤,在很多细分领域成为全球市场的佼佼者。无论是被誉为工业4.0标杆的西门子安贝格电子工厂、激光设备领域的全球领导者通快(Trumpf)、气动元件和自动化领军企业费斯托(Festo)、机床巨头德玛吉森精机(DMG MORI)、电气行业隐形冠军菲尼克斯电气(Phoenix Contact)、电控柜行业领导者威图(Rittal),还是真空技术领军企业施迈茨(Schmaiz)、超声波焊接设备制造企业海尔曼(Herrmann)、德国名表制造企业格拉苏蒂原创(Glashutte original),都非常专注于自身的领域,在制造工艺、设备精度和产品质量,在信息技术和自动化技术应用,甚至在工业美学方面不断进取,同时也致力于推进机电软一体化,为客户提供整体解决方案。其中,2017年我们考察的威图与Eplan(全球电气设计软件领军企业),作为一个集团旗下的兄弟公司,共同组建了创新中心,实现了电控柜的数字设计与制造一体化。重卡龙头企业MAN工厂采用AGV作为重卡装配过程的载体,提高了装配线的柔性。德国独特的双轨制职业教育体系和学徒制度,也使企业能够获得拥有专业技能的劳动力资源。

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格拉苏蒂原创手表融合现代制造技术和工匠精神

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MAN工厂采用AGV作为载体进行车桥和整车装配

日本制造企业非常强调Monozukuri,直译是“造物”,其内涵是要制造出卓越的产品,应当建立优秀的制造系统,不断优化制造工艺;同时,需要先育人,培养掌握专业技能和敬业精神的合格员工,因此,日本企业高度重视员工培训。Monozukuri体现了工匠精神,彰显对制造的热爱,对质量的执着。FANUC公司将产品质量和可靠性作为企业的立业之本,e-works考察团两次参观FANUC总部,其两万多平米的可靠性试验大楼和高度的自动化给考察团成员带来极大的震撼。丰田汽车无疑已成精益生产的全球典范,而三菱电机、富士通、日产等企业也都非常强调精工制造,持续改善。作为日本最大的IT产品制造企业,富士通特别重视信息技术、自动化技术和物联网技术在制造过程中的应用。在富士通位于日本岛根县出云市的便携电脑工厂,车间物流人员将RFID读写器戴在手上,根据物流小车的屏幕指引进行拣货确认,显著提高了根据订单进行配货的效率。

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富士通工厂推进自动化和信息化的方案

虽然很多美国制造企业较早实现了全球化,广泛推进制造外包,但是,美国制造企业在产品的数字化设计与制造和物联网应用方面引领全球,并持续推进工厂自动化和智能化;同时,仍然有众多优秀的制造企业坚持本土制造。例如,罗克韦尔位于美国克利夫兰的电子工厂非常强调IT与OT的融合,应用了罗克韦尔的MES系统;哈雷.戴维森在位于密尔沃基的摩托车发动机工厂建立了很多智能制造单元,能够同时生产多种系列的数十种变形产品;约翰迪尔在全球农机行业并不景气的大环境下,持续投资进行工厂智能化改造,在位于莫林市的约翰迪尔播种机工厂,传动部件采用全自动组装,并结合产品的模块化设计,根据客户订单进行总装。2017年11月,我们还考察了一家非常专业的美国IT设备制造企业Stratus,该公司专门制造高性能容错服务器,即使其中一个服务器掉电也不会对业务运行产生任何影响。该公司成立于1980年,30多年来一直专注于高可靠的容错服务器研发与制造,其产品支撑着全球金融、证券、制造业等需要高可靠性的关键业务。

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哈雷摩托2017年发布的密尔沃基八号发动机(图片来源于网络)

2017年6月,e-works考察团首次走进法国。e-works考察团参观了施耐德电气诺曼底工厂,该工厂生产接触器,从绕线圈、装配到包装,实现了全自动化。考察团还参观了标致雪铁龙集团(PSA)的米卢斯工厂,这家有半个世纪历史的工厂正在进行卓越工厂改造,旨在进一步提高生产效率和质量,降低生产成本,加强数字化技术的应用,已取得显著成效,可以进行七种车型的混流生产。总装车间建立了巨大的零部件配料中心(Kitting Area),通过AGV将每个不同车型所需装配的物料直接配送到线边,消除了线边库;还采用了全摩擦轮的悬挂式输送链,显著降低了噪音;通过采用非接触式测量和三维重建技术对白车身进行检测,极大地提高了检测效率。

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PSA集团米卢斯工厂装配车间的配料中心(图片来源于网络)

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PSA集团米卢斯工厂采用非接触式测量技术极大提高白车身检测效率(图片来源于网络)

二、前瞻性的技术研发

日本制造业巨头非常注重前瞻性的技术研究和新一代产品的开发。例如,三菱电机北美研究院研发了从嘈杂的语音中将某个人的语音进行分离的多声道分离技术,以及将五轴加工中心与增材制造相结合从而提高零件强度的技术。富士通公司有十个研究所,他们认为前沿研发没有失败,即使产品开发不成功,但积累的技术仍然是宝贵的资产。富士通研究所创新技术展览馆所展示的技术,包括了软件代码地图、生物技术、新能源、语音识别等诸多方面,可谓包罗万象,五彩缤纷,让人目不暇接,其中掌静脉技术识别技术已经商用。

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富士通研发的手掌静脉识别技术(来源:富士通官网)

德国Fraunhofer有60多个研究所,是全球产学研合作的典范,每个研究所与当地的高校都有紧密合作。在2016年的汉诺威工业展上,我看到一个Fraunhofer研究所研发了将零件的显微图像用于零件的识别和追溯的技术。最近去日本NEC的参观,看到NEC也研发了这一技术,无需对产品进行任何标识,通过对电路板的侧边进行拍照,就可以建立“指纹”,通过识别显微图像进行准确追溯。该技术还可以用于在超市自动识别包装盒中农产品的数量。德国通快集团不满足于成为全球工业激光器和激光加工设备的领导者,还进军金属增材制造领域;德玛吉.森精机公司则推出了全球第一台混合制造加工中心LaserTec 65。FANUC公司最早从事数控系统研发,他们将相关控制技术进行延伸,成功地发展了机器人产业,以及小型加工中心、全电动注塑机和电火花加工设备,成为日本盈利能力最强的企业之一。德国EOS公司成立于1989年,一直专注于增材制造技术的工业应用,潜心研究金属增材制造技术,成为业界公认的金属增材制造领导厂商,其产品在GE、西门子的增材制造工厂中得到广泛应用,获得了航空业的国际认证。

2016年11月,李培根院士作为团长访问美国,带领我们考察了美国数字制造与设计创新研究中心(DMDII),该中心致力于通过政府、高校和企业共同协作,跨越从原始技术研究到产业化之间的鸿沟,重点解决技术成熟度3-6的问题,真正实现科技成果产业化,受到广泛关注。

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美国DMDII关注跨越技术创新过程中的鸿沟

           

三、真正注重以人为本

在国际考察过程中,我有一个很深的体会,就是很多企业真正实现了以人为本。众所周知,自働化(Jidoka)与JIT是丰田生产方式(TPS)的两大支柱。在2017年举行的两次日本考察中,我们先后参观了丰田汽车的元町工厂和堤工厂。在总装车间感受到的是人与机器的高效协作,通过安东系统显示产线每个工位的状态,出现问题及时解决,通过SPS(Set Part Supply)方式拣货,通过开得飞快的物料运输车和AGV结合的方式配送,自动化程度并不是业界最高的,但很强调实用。

2016年4月,我们考察过一家德国的行星齿轮减速机制造企业纽卡特(Neugart)。这家企业的减速机总装工位是一个U型工作台,有十个工位。一位女工独立完成整个产品的总装,并进行质量检验。这个场景给大家留下了深刻印象。

菲尼克斯电气等德国企业非常追求可持续健康发展,在2008-2009年全球经济危机时几乎没有裁员,而是适当缩减工作时间,让员工与企业共渡难关,工人保住了工作,而企业也降低了人工成本;而在经济复苏时期,则增加工作时间,提高员工收入,这样企业避免了重新招聘工人带来的困难。

我们考察的德、美、法、日几十家制造企业都非常强调人是企业的核心,对于工人都是采用计时工资,没有一家采用计件工资。他们孜孜以求的首要目标是确保产品的高质量,而不是产量,严格按订单生产高附加值的产品。大批量生产的产品注重推进自动化,而小批量、个性化订单,以及高端产品则更加强调“匠人”的作用。

四、构建创新的生态系统

构建健康的生态系统是企业做强做大的关键,在历次考察中,我发现很多知名企业非常重视生态(Ecosystem)体系和联盟的建设。例如,GE公司联合博世、EMC、IBM、SAP和华为等公司发起组建了IIC(工业互联网联盟),现在已有几百家企业加盟。罗克韦尔、思科和FANUC建立了紧密的战略合作,旨在实现IT与OT的融合,FANUC与思科合作,推出ZDT服务(Zero Downtime,零宕机),为机器人的用户提供预测性维护服务。罗克韦尔还参与发起组建了智能制造领袖联盟(SMLC),该组织是全球第一个智能制造领域的联盟,成立于2011年。三菱电机发起组建了e-f@ctory联盟,旨在连携各合作伙伴,包括提供同三菱电机FA设备有良好兼容性的软件供应商,以及灵活运用FA设备进行系统构建的系统集成商,通过强有力的合作,从而为客户提供最佳解决方案。

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三菱电机组织间的e-f@ctory联盟

2017年10月,李培根院士率团考察德国期间,我们参观了倍福(Beckhoff)自动化公司。该公司创立于1980年,所生产的工业PC、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT自动化软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统,可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。德国倍福自动化构建了EtherCAT实时工业以太网于联盟,已有将近5000家企业加入。EtherCAT于2014年成为中国国家推荐性标准,并已入编工信部的《国家智能制造标准体系建设指南》。

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Ethercat的技术优势

五、人机融合推进智能制造

协作机器人(COBOT)的研发与应用成为各个机器人厂商关注的热点。ABB、FANUC、KUKA、UR等公司都推出了这类产品,机器人的编程也普遍引入了示教功能。博世推出的APAS(Automated Production Assistant,自动化生产辅助系统)是一款通过了安全认证的协作机器人,在通用机器人的基础上,增加了一层内置传感器的黑色“皮肤”,可以感知周边人员的位置。人员靠近会自动减速,如果距离很近则会自动停止,确保人员安全。有一种型号的APAS可以移动,可根据工作需要增加到生产线上。集成视觉、触觉等传感器是协作机器人能够与人协作的技术基础。菲尼克斯电气已开展了人机协作的应用实践。

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菲尼克斯电气工厂的人机协作实践

发达国家的企业和相关研究机构不仅非常注重自动化技术的应用,也非常重视人工操作工位的防呆放错。例如,西门子安贝格工厂对人工操作的工位进行了防呆设计。通过感知产品托盘上的RFID芯片,可以根据产品的BOM信息确定可以取用哪些元件,对应的元件盒会亮绿灯。德国的Smart Factory OWL实验室展示了多种类型的工作台,可以利用图示、灯光、声音,乃至增强现实技术,提醒操作人员如何进行正确操作。三菱电机则提供了作业支援解决方案,可以利用视频和灯光提示操作工正确取件,并使用正确的电动螺丝刀等工具进行拧紧作业。

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三菱电机推出的作业支援系统

           

六、践行绿色制造与循环经济

在历届考察过程中,e-works考察团充分领略到国际领先企业在绿色、节能、环保方面的实践。例如,施耐德电气是全球能效和工业自动化的领导者,一直致力于实现绿色高效。施耐德电气的总部大楼就是绿色节能的标杆,通过应用施耐德电气的EcoStruxure架构对能源进行精确管理,大楼的能耗比六年前降低了一半。

日本对家电产品回收建立了强制性的标准。2017年12月,e-works第二届智能工厂考察团参观了松下的电子产品回收工厂(PETEC)。该工厂充分体现了绿色制造的3R原则(Reduce、Reuse、Recycle)将家电的回收视为一次“寻宝”的过程,实现了冰箱、电视机、洗衣机等各类家电的拆解,并使用各种分选技术,将金属材料和各类塑料进行分拣和回收,回收率高于90%。对于电路板等器件,会交给专门机构进行进一步的回收。

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松下电子产品回收工厂的循环经济实践

2016年11月,e-works考察团参观了位于美国宾州Grove City的GE内燃机车再制造工厂。该工厂将内燃机车完全拆解,经过检测,继续使用完好的零件,更换部分损坏的零件,重新进行装配,并且给内燃机添加传感器,连接到GE的Predix工业物联网平台。

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GE内燃机车再制造工厂实现设备的翻新并连接工业物联网平台

七、品牌的文化底蕴与体验经济

哈雷摩托是全球知名摩托车品牌,1903年创立于密尔沃基市。一个多世纪以来,哈雷.戴维森一直是自由大道、原始动力和美好时光的代名词,建立了强大的品牌影响力。每年,全球的哈雷粉丝们都会举行规模盛大的聚会。e-works考察团两度参观了位于密尔沃基的动力总成工厂,观摩了哈雷摩托的智能制造应用实践和企业文化,深受启发。在密尔沃基市,哈雷.戴维森还建立了哈雷博物馆,展示了哈雷制造摩托车百年的历史长河中各个经典产品。

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1913年的一款哈雷摩托

福特公司也将位于底特律附近生产F-150皮卡的Rouge工厂建成了一个可供参观的体验式工厂,与亨利福特博物馆和福特故居等景点一起,融为体现福特汽车文化的一部分。参观工厂时,首先观看的是体现福特历史的短片,接下来则会观看一部体现F-150设计和制造过程的4D影片,融合了激光、机器人等效果,极为震撼。然后,观众可以走进F-150的总装工厂,在参观通道自由观摩。通过这样开放式的工厂参观,不仅带来可观的收入,而且也吸引了更多客户。

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福特公司Rouge工厂(图片来源于网络)

美国波音总装工厂的参观已成为西雅图市的经典景点。e-works有两届美国考察团参观了波音工厂,给大家留下了深刻印象。工业参观彰显了企业的自信,也赢得了更多客户的厚爱。

八、强大的工业软件产业

建立制造强国,离不开强大的工业软件产业。e-works历届考察团参观了不少有代表性的工业软件企业。其中,德国的工业软件企业不仅包括全球最大的管理软件公司SAP,也包括面向隐形冠军的管理软件企业abas、德国最大的专业MES软件公司MPDV、全球主流的业务流程管理和企业应用集成软件公司Software AG、全球知名的EDI和供应链协同平台软件公司Seeburger、全球知名的PLC应用开发软件3S公司、全球最大的电气设计软件公司Eplan、德国知名的管理软件实施服务商SYCOR和全球知名的供应链管理平台Supplyon。

相比而言,美国的工业软件企业整体上更为强大。e-works考察团曾三次前往全球PLM和物联网软件领导厂商PTC总部考察,该公司在近几年进行激进的转型,由CAD/PLM厂商变身为物联网应用开发平台和AR应用开发平台的全球领军企业。e-works还三次前往全球仿真软件领导厂商ANSYS公司,考察ANSYS软件在工业物联网领域的应用,以及人工智能技术在仿真技术的最新发展与应用。e-works考察团曾两次前往全球设计软件领导厂商Autodesk,并参加Autodesk全球用户大会AU,两次前往面向汽车零部件、机械制造、电子、医疗器械等行业的全球知名制造业管理软件公司QAD,还参观了另一家全球仿真及优化软件巨头Altair公司。e-works考察团参观全球第二大软件公司Oracle时,Oracle也重点介绍了在物联网应用方面的解决方案,还现场演示了通过脑电波控制小球运动的实验。罗克韦尔作为全球老牌的工业自动化领军厂商,在MES方面也提供了Factorytalk平台,在汽车、快速消费品、制药等行业建立了众多用户,日本FANUC公司就应用了罗克韦尔的MES系统。此外,e-works考察团还参观了全球最大的劳动力管理软件公司Kronos,全球知名的数据可视化软件公司Tableau,以及全球汽车行业首选的供应链平台Covisint。正是因为拥有众多主流的工业软件企业,才成就了美国制造业在数字化设计与制造领域的领先优势。e-works考察的美国另一家自动化领军企业Emerson也开发了工业互联网平台Plantweb,并提供了对工业自动化系统状态监控与优化的系列软件。

法国也拥有强大的工业软件企业。e-works考察团先后考察了全球主流的产品创新平台软件公司达索系统公司,全球知名的工艺仿真与汽车碰撞仿真领军企业ESI,全球知名的电气设计与仿真软件公司IGE+XAO,以及全球最大的时尚行业设计与管理软件暨裁床制造企业Lectra(力克)等。力克公司的裁床适用于服装和各种柔性材料(例如皮革、安全气囊)的切割,从2007年起,就开始通过物联网提供远程运维服务。在参观达索系统时,除了琳琅满目的VR应用之外,下图展示的一个车间班组的可视化排班软件,引起了大家的浓厚兴趣。

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达索系统公司MES系统中的车间班组可视化排班系统

相比而言,目前e-works在考察日本的过程中,还没有发现很多工业软件企业。已考察的企业中,富士通作为日本最大的ICT厂商,旗下有MES系统、企业级BOM系统和三维CAD系统等工业软件。e-works还考察了全球APS领军厂商Asprova。实际上雅马哈、东芝、日立等公司旗下都有工业软件企业,但还等待未来去深入了解。


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