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工业5.0:让人类重回制造过程

 

技术的发展永远不会止步,在尖端制造业中尤其如此,这与其他任何行业也基本类似。以工业4.0为例,正如我们被此概念所灌输那样,通过构建高度自动化的工厂环境,其中传感器、数据处理、连接和云计算等技术的整合能够带来更多业务收益。随后又出现了工业5.0,一种新的概念将人类重新引入制造过程。工业5.0有望打造一个诱人的新世界,其中机器人和人类将以前所未有的方式进行协作,从而能够实现大规模定制等新概念。究竟会发生什么?工业5.0是否真的会改变我们设计和构建未来智能产品的方式?


首先,让我们先退一步,回顾一下工业4.0如何改变了多个领域的制造业。这种转变的起点很大程度上是物联网(IoT)技术的出现,基于传感器技术的重大进步,可以实现体积更小、价格更便宜和性能更高的设备。随着传感器性能提高,这些设备已在许多任务厂中得到广泛应用,从而可以从大量的工业设备中收集数据。由于无处不在的连接性,这些数据能够快速传输到云端,之后进行处理和分析,并越来越多地使用机器学习和人工智能等技术来提供实时决策。这种基于IoT的流程是工业4.0的核心原则,自动化的广泛使用和数据收集可以带来真正的业务收益。

但这里也存在一个问题,这种高度自动化环境只能在特定层面发挥作用。例如,作为生产流程中预先确定的一部分,机器人执行一系列重复功能,在制造过程中,使用机器人技术可提供极高的一致性和可重复性。如果您希望产品的外观和感觉大致相同,那会很容易实现。但是,如果客户想要不同的产品怎么办?如果制造出的产品要求不同装饰或个性化又该怎么办?在消费者期望变得越来越复杂的世界中,这种可能性越来越大。

这就是Industry 5.0的用武之地。在这种新模式下,人类被重新引入参与到制造过程,增加了他们与智能机器的协作,甚至需要在工厂车间与机器人并肩工作。据说,工业5.0将能够实现两全其美,即可以把公认的机器人技术优势与人类先进的批判性思考等认知能力相结合。在这个更加多元化的环境中,生产线可以变得更加智能,而人类能够监督更高水平的产品定制。在汽车,消费电子产品和珠宝等多个领域,甚至对精酿啤酒等行业,这都是令人兴奋的想法,在这些产品上添加触感体验可以提高产品对消费者的吸引力。

如何实现工业5.0

工业5.0是一个概念,但现实又是怎么样?如何以确定的方式应用工业5.0,以提高未来工厂的效率和多功能性?最重要的考虑因素之一是人与机器之间的物理接口。从历史上看,机械臂一直被配置在安全罩后面,以防止人类受到伤害。但是在工业5.0新世界中,无论从字面意义还是在象征意义上,都需要建立更紧密的关系。

看来,这将通过开发新一代轻型协同机器人(cobot)来实现。这种机器人具有一系列定位传感器,使它们能够在瞬间对周围工人的存在做出反应。这些更小、更快、更灵活的协同机器人对于工业5.0的发展至关重要,因为先进的安全特性将使人类能够在更广泛的生产过程中占据中心位置。在自动化领域中,这一因素并没有被忽视,ABB,Fanuc、西门子和Kuka等全球工业机器人制造商加入了丹麦的通用机器人(Denmark’s Universal Robots)等专业机构,以便设计和推出新系列的协同机器人产品。实际上,根据BIS Research最近的一项研究发现,全球协同机器人市场预计将从2018年的5.8亿美元增长到2024年令人难以置信的90亿美元。

协同机器人进展

随着越来越多的玩家进入市场,协同机器人的能力已经得到了快速提升。早期的产品型号体积很小,主要用来与人类一起执行轻型装配任务。这些开创性的桌面机械臂通常重约10公斤,有效载荷为3公斤。这种尺寸和功能使其非常适合固定螺丝等自动化工作台活动。

但是,随着时代进步,协同机器人已经变得越来越大,功能越来越强,最新的机械臂有效载荷已经是当年机器人的五倍。尺寸的增大,更加扩展的夹具和工具范围,以及更直观的编程,已经开辟了更广泛的应用,例如重型机械加工、物料搬运、包装以及处理螺丝和螺母等等。这些机械臂甚至可以在生产线员工附近使用,因为它们已经安装了完整的接近、距离和位置传感器。

探寻工业5.0应用

随着协同机器人性能提高,在工业环境中对机械臂的采用也在增加,并且出现了许多令人兴奋的新应用。汽车行业一直是最早的采用领域,例如,PSA Group(其品牌包括Peugeot、Citroën、Opel和Vauxhall)在其白车身(body-in-white)装配线上使用协同机器人进行螺丝拧紧等应用。在这种情况下,操作员将协同机器人拉到位,在汽车沿生产线向下移动时将螺钉固定在车辆的两侧。完成后,协同机器人旋转并返回到静止位置,然后再次工作于下一辆车辆。PSA表示,这种方式既节省成本,又改进了几何公差。

其他汽车制造商也同样积极地在制造工厂内部使用协同机器人。BMW已使用协同机器人执行了碰撞罐(crash-can)组件的铆接制程,这些工作过去一直是手工进行。当员工进行其他装配任务时,使用协同机器人将铆钉固定到位,对缩短周期时间产生了巨大影响,完成时间从64秒缩短到52秒。

汽车供应商也开始采取类似行动,组件制造商在生产线末端使用协同机器人来执行关键的检测任务。在汽车领域,似乎几乎每天都有新应用出现,Kenneth Research最新报告预测,到2022年,汽车领域协同机器人导致的出货和销售收入将以每年约43%的速度增长。

在其他领域,协同机器人正在用于多种不同的任务。例如,在金属行业,它们被用于执行一系列抛光和去毛刺活动,执行传统上工人完成的劳动密集型任务。根据自动化专业机构WiredWorkers的报告,协同机器人已被证明能够一致且重复地抛光平坦和不平坦的表面,对于力的控制易于编程,并且针对新产品能够快速更改设置。协同机器人也越来越多地用于CNC机器的装卸,从而使金属行业工人不必执行那些对体力要求苛刻,有时甚至是危险的任务。

即使在制造市场,协同机器人也正在担当新的角色。添加剂制造初创企业开始使用这些机器人来提供3D打印零件个性化设置。在这里,协同机器人可用于帮助创建不同的饰面和雕刻图案,例如可为消费性电子设备创建真正的定制特性,这种做法可能很受欢迎。在珠宝领域,工匠们正在研究如何使用机器人来辅助宝石的拾取、放置和装饰。

对自动化态度的改变

那么,显而易见的是,协同机器人在许多行业中都具有很大潜力。尽管由于行业不同,它们的应用范围和程度相差很大,但有一个问题必须共同考虑:这就是需要在文化层面改变对自动化的态度。自动化的历史是基于相当确定的参数,机器人大多在围栏后面执行任务。但是,在工业5.0的全新世界中,机器人和人类本身必须作为协同者,而不是竞争对手来一起工作,并需要心态的完全转变来建立一种新型关系。

这些又进入围绕自动化和是否需要人工干预展开的更广泛辩论。主导的思想流派一直认为,机器设备的发展最终将导致整个工业部门广泛失业。工业5.0改变了人们辩论的话题,人类得以重新进入其中价值链,从而可以继续扮演更多的增值角色。

世界经济论坛(World Economic Forum)的一份重要报告调查结果也反映了这一点,该报告评估了2022年全球技能需求变化概况。随着自动化变得越来越复杂,并且在关键领域得到越来越广泛应用,某些传统行业无疑将消失。但是这些将不可避免地被其他新兴学科所取代,这些新学科专注于大数据分析、人工智能、软件和应用以及数字转换等领域。所有这些新行业都能够很好地适应工业5.0的世界,从而加强了人和机器关系的协同性。实际上,根据该报告,这种转变很可能会导致产生1.33亿个新职位,同时造成约7500万个工作岗位流失,这表明自动化程度的提高总体上将带来巨大的净收益。

通往更智能生产系统之路

总而言之,我们可以看到工业领域的技术进步仍在继续加速发展,工业4.0和工业5.0可能只是引起关注的流行语。尽管如此,它们却描绘出了在高度自动化环境中设计、构建和维护产品方式的真正变化。这种转变将越来越多地导致机器与人类思想之间的共生关系,正是这种交织在一起的能力,才有可能创建未来更智能、更高效的工厂。