下一代自动化的承诺

了解现实，避免陷阱

边缘。云。数字孪生。人工智能。增强现实。虚拟现实。协作机器人。曾经是流行语。现在，它们正在成为北美大中型制造工厂的技术现实。采用的时间表因行业而异，但最近的一项研究表明，76% 的制造商正在实施智能工厂计划。

如果实施得当，这些举措将改变我们的工厂——使从预制食品到喷气式客机的所有产品的生产更加高效、一致和相互关联。自动化实现了超越人类能力的准确性和生产力水平——即使在被认为对人类不安全的环境中也是如此。

上面的关键词是“正确实施时”。存在挑战和潜在的陷阱。制造工程部与几位行业专家进行了交谈，以了解他们对我们今天所处的位置、明天会是什么样子以及可能导致我们跌倒的原因的看法。

特定行业的进步

当被问及制造工厂当前的自动化水平时，我们的专家不愿将制造作为一个整体进行概括，而是选择提供对特定行业部门的观察。

例如，密歇根州罗切斯特山的 FANUC America Corp. 产品开发总经理 Claude Dinsmoor 表示，汽车和航空航天高度自动化。并简化了人类不可能在今天重新介入并做这些事情，”Dinsmoor 说。

俄亥俄州 West Chester Township 的 Fastems LLC 总裁 David Suica 看到了在机器或单元级别上大量实施自动化工具。 “特定机器甚至单元或生产线的自动化很普遍，”Suica 说。 “但其中大部分都是自动化的孤岛。以数字格式查看工厂，从而可视化真正的生产力，这仍然是未来的事情。”

据密歇根州布莱顿 Promess Inc. 的产品开发总监 Andy Joseph 和应用工程经理 John Lytle 称，装配过程的自动化程度低于加工方面的自动化程度。 “我们在汽车领域做了很多工作，零件组装的自动化是一个混合包，”Lytle 说。 “另一方面，”约瑟夫补充说，“较小的制造商正在研究汽车已经部署多年的自动化技术。我们看到了从液压系统向伺服控制执行器的重大转变，这可能成为未来自动化战略的一部分。”

在安大略省基奇纳的 Praemo，负责人看到了两个发展轨迹截然不同的自动化领域。首席技术官安迪·亨德森 (Andy Henderson) 表示，物理自动化（物理和重复性任务的自动化）在过去 30 到 40 年间一直在发生，几乎每个制造工厂都有例子。另一方面，决策自动化（人类思维过程和洞察力的自动化）是非常新的。 “今天，特定的机器可以执行平凡而重复的决策，”解决方案架构总监亚历克斯凯利说，“但它们从以前的事件中学习以便适应新环境的能力还不存在。这是下一个层次——对以自动化方式捕获的数据采取行动。”

自动化创新推动者

有哪些新技术为下一级自动化奠定了基础？

“接受工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 计划中的连接和数据交换标准是基本且必要的，”伊利诺伊州埃尔克格罗夫村法格自动化公司中西部地区 CNC 经理 Artur Gugulski 说。 “这有助于制造商和供应商使用开放的通信协议和标准。”

“例如，在模具行业，我们看到灵活的制造系统将时间从 7 周缩短到 7 天，”位于伊利诺伊州埃尔克格罗夫村的 MC Machinery Systems 自动化经理 Dan Zeman 说，该公司是三菱。 “实现这一目标的一项关键技术是工作管理软件，它通过处理程序、数据和远程启动机器来协调机器人和机器，以实现长时间、无人看管的操作。对下一级自动化至关重要的另一件事是围绕托盘化工具、固定装置和工件夹具的技术。通过托盘化，可以使用机器人轻松准确地拾取工具并将其放入卡盘中。您可以在一个连续过程中从铣削到检测再到沉降片 EDM，机器人将 [工件] 从一台机器转移到另一台机器。可以通过管理软件对操作进行调度、优先级排序和监控，以有效地对多个步骤进行排序。”

机器人制造商 FANUC 正在研究提高而不是取代人类表现的几项关键技术。根据 Dinsmoor 的说法，“一些令人兴奋的技术包括机器视觉（3D 视觉）、触觉和力感应以及力量和力量控制，这些对于协作机器人（与人类密切合作的协作机器人）至关重要。同样具有高价值的是设计阶段的仿真技术，它可以帮助我们在将其应用于钢铁之前构建虚拟解决方案。借助仿真，制造商可以缩短设计时间并安全地评估多达十几个“候选设计”，以找到最佳的自动化解决方案。”

根据 Praemo 执行副总裁 Paul Boris 的说法，如果我们将下一级自动化视为装备机器以开始代表自己做出决策，那么这需要机器本身具有一定程度的智能。 “为了利用不同的算法以及部署这些算法的方法，我们严重依赖人工智能 (AI)，”他说。 “人工智能是贯穿许多其他对我们很重要的技术的基础。”

Promess 看到的其中一项更有趣的技术是 LiDAR（光检测和测距）。 “它的主要特点是在测量 3D 物体时具有高空间分辨率，”约瑟夫说。 “LiDAR 可用于各种制造场景，包括操作员安全、机器人零件处理、引导系统和用于优化装配过程的机器学习。”

泽曼说，MC Machinery 正在寻找的下一个进步是在设计领域。 “手工绘图让位于在 PC 上完成所有工作并在纸上绘图。随着一切电子化，绘图仪现在已经消失了。最终，我们将不再点击‘打印’按钮，而是点击‘构建’按钮，设计将直接进入制造阶段。”

边缘计算等

我们的专家提到的其他新技术包括边缘计算（在源头进行处理以加快传输速率和响应时间，同时减少工厂带宽的负载）；与云原生集成；预测/预防资产故障的技术；用于组装和维护的增强现实 (AR)；和用于训练和模拟的虚拟现实 (VR)。

“要实现更高级别的自动化，必须同时发生几件事，”Fastems 的 Suica 说。 “VR 技术将是一大优势，因为它可以以数字形式从多方面查看您的工厂。事实上，以数字格式（即数字双胞胎）看到工厂将带来生产力的提高。数字可见性使管理人员和工程师不仅可以立即查看哪些机器正在运行，还可以查看哪些机器正在切割，这是运营效率的真正衡量标准。它还显示了机器之间的流动——干扰或问题在哪里。”

对于软件，趋势是不断增加功能。 “这很好，”FANUC 的 Dinsmoor 指出，“只要它不给整体架构增加层次。通过将更多功能集成到我们的机器人中，我们实际上减少了所需的软件和硬件层。开放协议对于大规模实现这一点至关重要。”

根据 MC Machinery 的 Zeman 的说法，自动化的好处来自于将多个工艺步骤组合起来。 “这些信息必须无缝流动，”他说。他谈到了采用开放标准进行数据收集和文件传输的制造商之间的合作努力。 “最终结果是客户可以轻松集成 CAD/CAM、测量系统、铣削和 EDM 机床并获得出色的结果，”Zeman 说。

Lytle of Promess 列举了通过具有统一架构的开放平台通信 (OPC UA) 和现场总线技术在实时分布式控制方面取得的机器对机器通信的进步。 “我们的客户需要能够让他们在内部进行集成和重新编程的解决方案，”他说。 “提供几乎不需要编程知识的构建模块的机器库，以及诸如 Open PLC 之类的东西，正在使这成为现实。不过，我应该补充一点，我们还处于起步阶段。”

Suica 对自动化孤岛问题的评价是，存在“不相互交流的小软件”。他将其等同于晚上坐下来看电视，并在你面前放着四个不同的遥控器——一个用于接收器，一个用于 DVR，一个用于电视，另一个用于流媒体设备。 “就像你在家里需要一个通用遥控器一样，你的工厂也需要一种通用的方式来收集数据并使用它来完成任务，”他说。 “由于开放的平台、架构和数据库，这变得越来越容易，但仍然必须进行规划。”

希望在未来实施人工智能驱动的分析引擎的制造商可以从今天开始，通过解锁有价值的见解，而无需以特殊方式准备所有现有数据。 Praemo 的 Henderson 解释说，在采用传统方法时，需要对关键数据进行定位、清理、分类和协调，才能成为决策的基础。

“不幸的是，即使在同一家公司内，你也会发现每个生产基地都在做自己的事情——不同的数据库、不同的 ERP 系统、不同的标签、不同的名称，”他说。 “我们无需等待完成数据标准化，而是以数据存在的方式和数据的存在位置连接到数据，今天。快速开始并获得一些小胜利。这不仅可以让事情更快地开始，还可以帮助公司解决通常伴随大型自动化项目而来的人员和文化问题，而不会带来固有的风险或恐惧。”

让高级机器人变得简单

下一代机器人不仅更易于编程，而且更易于使用，具有语音和图像识别等功能，可以重新创建复杂的人工任务。协作机器人已成为一种新兴且快速发展的技术，可以满足制造过程中对自动化和灵活性的需求。他们有可能帮助工人完成繁琐的工作并提高工作场所的安全性。

根据 FANUC 的 Dinsmoor 的说法，他公司的先进机器人开发工作围绕着回答这个问题：“明天会是什么样子？”视觉、动力和力控制、人工智能和机器学习等新兴技术都是设计调色板的一部分。 “我们的目的是让机器人更容易应用，更容易编程或操作，而无需具备专业技能，”他说。 “就像操作具有惊人功能且对用户几乎透明的智能手机一样，在覆盖范围、速度和有效负载方面的改进是一个持续的优先事项。”

在过去的五到七年里，FANUC 一直在其机器人中嵌入符合 IIoT 的设备，以实现远程监控，以实现零停机时间的目标。 “我们的商店 24/7 全天候运行，无需人工干预，”Dinsmoor 说，“所以我们看到了现实。”

在熄灯时点亮一盏灯

我们的专家对实现熄灯操作的必要性有不同的看法。正如 Praemo 的 Boris 所说，“熄灯是所有制造商努力争取的美好愿景，但它必须植根于现实。对于制造标准、可重复产品的工厂来说，这是最有利的。每当您通过定制或其他因素将可变性引入等式时，熄灯就不太可能实现。我们认为分层智能很重要，在复杂性出现时分析来自机器和流程的数据，在新出现的问题导致性能或质量损失之前提醒团队。所以，也许目标应该是智能辅助，而不是完全的运营自主权。”

Suica 说，Fastems 有几个客户一直在熄灯（每周 90 小时或更长时间）。 “这需要发生几件事。首先，机器和设备必须坚固，”他说。 “然后这是一个识别最薄弱环节并消除它们的过程。在一些工厂，薄弱环节是工具，而在另一些工厂则是排屑。必须消除任何将机器锁在外面的东西。但无论你是否实现了熄灯，识别和消除薄弱环节总是会带来生产力的提升。”

Fagor 的 Gugulski 引用了一份来自客户的“典型”要求清单，这些要求来自于努力熄灯的客户。 “诸如双通道、10 轴系统之类的东西；碰撞检测;机器安全；玻璃绝对秤；用于动态温度补偿的热电偶；切向控制；复杂的探测；跳动变换；运动检测;以及即时修改程序的功能都是熄灯数控加工的要求，”他说。 “这是可行的，但很复杂。我们已经展示了与自动化过程的不同组件交互的能力，包括条形码阅读器、用于温度测量的热电偶、带摄像头的安全系统、无线电控制探头和用于五轴的顶级 CAM 系统零件编程。”

Promess 的先生们从他们的装配客户那里听到的关于熄灯的话题较少。 “几乎总是需要人机交互，”约瑟夫说。 “事实上，协作机器人是为了与人类互动而开发的。” Lytle 表示：“我们的客户需要灵活的装配系统——在一个站点上完成更多工作。许多工厂都希望我们的压力机成为机器人的第六轴，这是另一种臂端应用。”

MC Machinery 的 Zeman 补充说：“对于合格流程的熄灯操作，例如在航空航天和医疗行业，我们积极尝试在开发过程的早期与客户合作，以​​确保自动化的好处可以融入到过程。第一篇文章的运行必须包括自动化，因为以后不容易添加。”

采取后续步骤

工业 4.0 计划需要基本的数字化。如果没有将每一步都数字化，运营效率就会被搁置在桌面上。

FANUC 的 Dinsmoor 说：“我们建议的第一件事是进行自动化审计，以查看工厂中的所有流程区域。” “可能有一位客户对什么应该自动化有非常具体的想法，并且在进行演练时，我们发现了其他高价值且易于实现的机会。对于刚开始自动化的工厂来说，这些早期和轻松的胜利是最好的。成功相辅相成，经济回报通常有助于为下一个机会提供资金。”

根据 Henderson 的说法，Praemo 与潜在客户一起试水的一种方法是从一组静态历史数据快速开始。 “使用静态数据，我们的 Razor 引擎可以分析并为工厂管理提供见解，而不会中断现有生产。我们都是有运营背景的，所以我们的重点是实用。从我们的经验中我们知道，人工智能和机器学习将简化、加速并降低制造成本。”

技术可行性和经济可行性是机器或生产线自动化的必要先决条件。然而，据 Promess 的约瑟夫说，它们远不是唯一的因素。 “除了明显的技术问题之外，关键点仍然存在：如果您今天正在研究自动化并有疑问，您想与谁合作？谁会在你的旅程中支持你？”