工业5.0这个概念是如何产生的?

发表于 2020-07-31 15:09:27 收藏 已收藏
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工业5.0这个概念是如何产生的?

发表于 2020-07-31 15:09:27

技术进步是前沿制造业乃至其他任何行业发展的重要因素之一。工业4.0就是一个很好的例子。高度自动化的工厂环境这个创新概念将传感器、数据处理、连接和云计算等技术结合在一起,不仅带来了商业利益,还催生出了重新引入了人性化元素的工业5.0这一全新的概念。工业5.0预示着一个诱人的新世界的到来,到那时机器人和人类将以一度被认为不可能的方式进行合作,从而实现大规模定制等新概念。那么,工业5.0这个概念是如何产生的?它又能否改变未来智能产品的设计和制造方式?

首先,让我们回顾一下工业4.0对多个领域生产方式所带来的转变。物联网(IoT)是传感器技术的重大进步,它的出现成就了尺寸更小、成本更低、性能更好的传感器,也是生产方式转变的转折点。这些性能更优的传感器部署在了工厂的各个车间,能够收集更多工业设备数据(图1)。借助无处不在的连接,这些数据可以快速地发送到云,在云中进行处理和分析,同时机器学习和人工智能等技术的广泛采用让我们能够获得实时洞察能力。物联网技术是工业4.0的核心,其中自动化的广泛运用和数据采集功能带来了真正的商业利益。

图1:新传感技术的采用让车间能够收集到更多的数据(来源:Macrovector/shutterstock.com) 这就引出了一个问题:这种高度自动化的环境只能在某种程度上正常运行。例如,在制造业的预定义生产过程中,使用机器人来执行一系列重复的操作,可以提供极大的一致性和可重复性。想让产品拥有基本一致的外观,可以采用这种生产方式。但如果想要美化或者定制产品呢?随着消费者需求的日益多元化,这种情况发生的概率也会越来越大。

这就是工业5.0的由来。在这种新模式下,将重新引入人性化元素,增加人与智能机器的协作,达到并肩工作的效果。工业5.0可以将机器人技术的公认优势与人类在批判性思维等领域的先进认知能力相结合。在这个更加多元化的环境中,生产线可以变得更加智能,人类能够监督更高层次的产品定制。对于汽车、消费电子产品、珠宝,以及通过增加标签触感提升消费者吸引力的精酿啤酒等产品来说,无疑是一个令人振奋的消息。

如何实现工业5.0上面只是提出了工业5.0这个概念,但具体该如何实现呢?如何完美地应用工业5.0以提高未来工厂的效率和多功能性?首先需要关注的是人与机器之间的物理接口。从历史上看,机器人手臂一直被安置在安全笼子里,以防止人类受到伤害。但在即将到来的工业5.0环境下,无论是从字面意义还是深层意义来看,都需要更紧密的关联性。

新一代轻量级协作机器人的开发显然可以实现这一愿景。该机器人具有一套位置传感器,能够在瞬间对工人的存在作出反应。这些更小、更快、更灵活的协作机器人的引入是工业5.0发展的基础。先进的安全特性将使人类在更广泛的生产过程中占据主导地位。在自动化领域,这一因素并没有被忽视,ABB、Fanuc、Siemens和Kuka等全球工业机器人制造商,都与丹麦通用机器人等专业机构一道,设计和推出了新的协作机器人系列产品。根据BIS最近的一项研究报告显示,预计到2024年,全球协作机器人市场将从2018年的5.8亿美元增长到90亿美元。

开发协作机器人随着越来越多的玩家进入市场,协作机器人的能力得到了迅速提高。早期的模型体积较小,多被用来和人类一起执行轻型装配任务。这些开创性的桌面机械手臂通常重约10公斤,有效载荷为3公斤,成为了自动化工作台操作的理想选择。 不过,随着时间的推移,协作机器人的体积变得越来越庞大,功能也越来越强,最新的机械手臂有效载荷能力是同时期的5倍。尺寸的增加、夹持器和工具的多样化,以及编程方式的直观化,让协作机器人有了更大的发展空间,可用于执行重型机械操作、材料搬运、简单的工作台操作以及包装等任务。这些臂架安装有接近、距离和位置传感器,可在靠近生产线员工的地方使用(图2)。

图2:工业机器人手臂可以在生产工人附近执行各种任务(来源:Alexander Tolstykh/shutterstock.com)

工业5.0应用案例随着协作机器人性能的提高,协作机器人手臂在工业环境中的应用也越来越广,并最早应用于汽车行业。PSA集团旗下品牌标致、雪铁龙、欧宝和沃克斯豪尔都采用协作机器人来安装车身上的白色装配线螺钉。在这种情况下,操作人员需要将协作机器人安放到位,在车辆沿生产线向下移动时固定其两侧的螺钉。固定完成后,协作机器人旋转回静止位置,对下一辆汽车进行操作。PSA表示,这种应用既节省了成本,又减小了外形尺寸公差。 其他汽车制造商也开始在工厂中积极布局协作机器人。宝马运用协作机器人来执行撞车罐总成铆接过程的某些操作,以取代之前的手动操作。在工人执行其他装配任务时,由协作机器人将铆钉固定到位可以大大缩短生产周期,将节拍时间(从一台机组开始生产到下一台机组开始生产的平均时间间隔)从64秒下降到52秒。 汽车供应商也不甘落后,开始引入协作机器人。比如,元器件制造商在生产线末端使用协作机器人来执行关键的检查任务。汽车行业几乎每天都会出现新的应用。据Kenneth Research的一份最新报告预测,到2022年,汽车行业协作机器人的出货量和销售收益将以每年43%或更高的速度增长。 在其他领域,协作机器人还可用于执行各种不同的任务。例如,在金属行业中,它们能够执行抛光和去毛刺操作等一系列传统的劳动密集型任务。自动化专业机构WiredWorkers的一份报告指出,协作机器人能够以一致且可重复的方式抛光平坦或者不平整的表面,而且能够很好的控制力量,快速改变新产品的外观。它们也越来越多地被用于计算机数控(CNC)机床的装卸,不需要操作人员执行体力劳动,甚至是危险任务。 即使在创客市场,协作机器人也有用武之地。增材制造初创公司开始使用协作机器人提供个性化3D打印服务(图3)。协作机器人可用于打造各种不同的成品和雕刻品(即流行的电子消费品定制配件)。此外,珠宝行业的工匠们也正在紧锣密鼓的研究如何借助于协作机器人来挑选、放置和装饰宝石。

图3:3D打印机可以借助于各种协作机器人制作定制化部件(来源:Alex_Traksel/shutterstock.com)

改变对自动化的态度协作机器人在很多行业都有很大的发展空间。尽管应用范围和市场广度会因行业而异,但必须始终考虑一个因素:自动化认知上的转变。大家对于自动化的最初认知是,机器人被固定在安全围栏内执行任务。然而,在工业5.0时代,机器人和人类必须作为合作者而不是竞争对手,在完全改变心态的基础上建立关系。

世界经济论坛发布了一份关于2022年全球技能需求变化的评估报告。随着自动化的日趋复杂化以及在关键领域的日益普及,一些传统角色无疑将会消失,被其他新兴学科所取代。这些新兴学科主要集中在大数据分析、人工智能、软件和应用以及数字转型等领域。所有这些新角色都能很好地融入工业5.0,实现更密切的人机协作。这份报告显示,这一转变可能导致1.33亿个新角色的产生,同时精简掉约7500万个工作岗位,这意味着自动化程度的提高将从整体上带来净效益。

打造更智能的生产系统

工业技术一直处于飞速发展态势。工业4.0和工业5.0可能是当下非常流行的概念,它们也确实改变了高度自动化环境中产品的设计、构建和维护方式。这种转变将不断地促进人机共生关系。正是这种能力的交织,才有可能创造出未来更智能、更高效的工厂。

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