機器人技術

機器人等六大新興技術,將給制造業帶來顛覆性變革

轉載 :  zaoche168.com   2020年01月15日

        增材制造、物聯網、虛實融合、材料工程、協作機器人、人工智能等新興技術,將給制造業的發展帶來顛覆性的變革。這六項新興技術,每項技術的創新發展必然都將給制造業帶來重大改變。在同一時期,這六大新興技術都取得了跨越式發展,而且是交相輝映,實現了協同應用,因此能夠幫助應用這些關鍵技術的企業實現商業模式、研發與制造模式、企業運營模式的突破性創新。
        這些新興技術,從開始到目前取得了哪些最新發展?未來的應用趨勢如何?


增材制造(三維打印)


        增材制造技術早期叫做快速成型(Rapid Prototyping),是20世紀90年代發展起來的一項先進制造技術,對促進企業產品創新、縮短新產品開發周期、提高產品競爭力有積極的推動作用,主要包括FDM(熔融層積成型)、SLA(立體平版印刷)、SLS(選擇性激光燒結)和DLP(數字光處理)等技術。
        三維打印是各種快速成型技術的統稱。快速成型技術的材料主要是非金屬,主要用于研發階段的驗證。近年來,國內外多家企業和研發機構已實現了金屬材料的快速成型,成型的速度、精度不斷提高,材料價格不斷下降,可以直接制造單件小批的零件,因此,國際上將該技術領域稱為增材制造(Additive Manufacturing)。
        目前,國際主流的增材制造產品和解決方案提供商包括3D systems、Stratasys,以及專注于金屬增材制造的EOS等。最近兩年,主流的IT廠商開始進軍該領域,增材制造領域進入了快速發展階段。
        例如惠普推出能夠打印真彩色和多種材料的多射流熔融(Multi-Jet Fusion)技術的3D打印機(型號分別是3200和4200),打印速度比其他三維打印機快十倍。Autodesk公司則推出基于DLP技術(數字光處理,Digital Light Processing)的Ember三維打印機和開放的Spark三維打印平臺,并與Windows10操作系統進行了集成。
        2016年9月,GE出資6.85億美元收購瑞典著名工業級3D打印機制造商Arcam公司,該公司擁有電子束熔融( EBM)金屬3D打印技術。全球激光加工巨頭通快集團也推出了金屬材料增材制造設備。
        最近,由華中科技大學張海鷗教授主導研發的“鑄鍛銑一體化”金屬3D打印技術,成功制造出了世界首批3D打印鍛件。運用該技術生產零件,其精細程度比激光3D打印提高50%。同時,零件的形狀尺寸和組織性能可控,大大縮短產品周期。
        全球IT巨頭、制造業巨頭和學術界的共同關注,市場對個性化定制需求的迅速增長,推動了增材制造技術的蓬勃發展和廣泛應用。GE在美國匹茲堡設立了增材制造工廠,西門子則在瑞典設立了增材制造工廠。
        增材制造技術可以與機器人加工、CAE分析、拓撲優化、材料創新,以及傳統的切削加工結合起來,提高制造效率、提升制造精度、顯著降低零件重量、明顯提升零件強度,大幅度降低制造成本。
        德國機床巨頭DMG MORI已率先推出增材制造和切削加工實現混合制造的加工中心。全球設計軟件領導廠商Autodesk公司推出衍生設計技術,實現了增材制造技術與拓撲優化技術的集成應用。美國的高端運動品牌Under Armour已經使用了Autodesk衍生設計和增材制造技術來制造運動鞋。


物聯網


        物聯網技術( Internet of Things)是目前全球最熱門的技術領域之一。未來傳感器的數量將遠遠超過人類的數量,物聯網經濟的規模將遠大于互聯網經濟。制造業是物聯網技術應用最重要的領域。思科公司的研究報告認為,制造業將占整個物聯網市場的27%。
        GE公司推出的面向制造業的工業互聯網平臺Predix受到業界高度關注,該平臺可以有效支撐物聯網的工業應用。GE組建了GE數據集團,力圖將Predix發展成為制造業物聯網應用的開放云平臺,最近,GE宣布將Predix平臺全面開放。
        西門子發布了開放的工業云平臺Mindsphere,可以接入各種傳感器的信息,制造企業可將其作為數字化服務,例如預測性維護、能源數據管理以及工廠資源優化的基礎。
        美國PTC公司則形成了以物聯網開發平臺ThingWorx為基礎的整體解決方案。
        三一重工則結合自身在物聯網應用方面的長期實踐經驗,推出了“樹根互聯平臺”,打造本土的工業物聯網平臺。通過物聯網實現對已交付給客戶的產品傳感器參數的采集,在此基礎上實現預測性維護和智能服務,可以促進產品的備品備件銷售,避免產品運行時出現異常停機,具有廣闊的發展空間。
下圖是一個基于物聯網的預測性維護服務的典型案例:

 


(基于物聯網的預測性服務案例)


虛實融合技術


        西門子、PTC和達索系統三大PLM(產品全生命周期管理)技術主流廠商紛紛強調Digital Twin(虛實融合)技術,實現實際產品和數字產品模型的虛實融合,實際裝備和裝備的數字化模型的虛實融合,以及實際車間與數字化車間的虛實融合。
        沈陽機床集團的i5機床實現了加工中心的真實加工過程和數字模擬的加工過程的虛實融合,通過手機掃描二維碼,可以在加工中心進行實際產品加工時,在手機上看到對產品的三維模型進行的加工仿真。
        產品的虛實融合技術使企業可以從實際產品中,通過傳感器和物聯網采集數據,對數字產品模型進行仿真分析,從而實現不僅知其然,而且知其所以然,幫助企業改進產品。
        海爾膠州工廠應用了車間的虛實融合技術,可以將車間的三維數字模型與MES系統反饋的設備狀態等實時信息結合起來,展示出車間的實時狀態,為企業優化生產提供了新的途徑。


協作機器人(COBOT)


        以往,工業機器人都是與人隔開,孤立地工作。2015年,abb推出雙臂的14軸協作機器人YUMI,可以幫助電子工業等領域實現小件裝配的自動化應用,將人與機器人并肩合作變為現實。
        博世也推出協作機器人APAS,它是協作機器人中首個獲得認證的助理系統,可以協助人類工作,且無需任何額外的防護。機器人的保護皮衣是觸覺檢測裝置,當檢測到人靠近時,其會自動降低運行速度;在人離開該區域后,機器人會白動恢復正常速度。未來的制造模式并不是機器換人,而是人機協作。
        目前歐洲普大多數人認為協作機器人的應用將徹底改變未來工廠的生產組織和工人的工作方式。


材料工程


        世界材料產業的產值以每年約30%的速度增長,化工新材料、微電子、光電子、新能源是研究最活躍、發展最快的新材料領域,復合材料的應用越來越廣闊。圍繞著材料創新,國內外都在開展產學研的協作。
        復合材料的制造工藝與傳統的金屬材料制作工藝和制造裝備差別很大。既能夠保持材料的強度,又能夠減輕重量,是復合材料的一大優勢。眾所周知,波音787飛機復合材料的使用率已經達到了50%。
        國際著名PLM研究機構CIMDATA已經將材料工程作為產品創新平臺的核心組成部分。在美國國家制造業創新網絡中,已建成的九個研究所中,就包括了輕型現代金屬制造業創新研究所、復合材料制造創新研究所、革命性纖維和紡織品創新制造研究所等與材料創新直接相關的研究機構,足以說明美國對材料創新的重視。


人工智能技術


        IBM非常重視人工智能技術的研究,提出了認知計算( Cognitive Computing)理念,應用到各個行業。
        在2016年漢諾威工業展上,IBM展出了認知計算與物聯網結合的應用。首先通過物聯網對生產過程設備工況工藝參數等信息進行實時采集,再對產品質量缺陷進行檢測和統計;然后在離線狀態下,利用機器學習技術挖掘產品缺陷與物聯網歷史數據之間的關系,形成控制規則;接下來在在線狀態下,通過增強學習技術和實時反饋,控制生產過程減少產品缺陷;最后集成專家經驗,改進學習結果。
        另外,語音識別技術在制造業也開始得到應用,例如Honeywell推出了語音揀貨技術。華中科技大學李德群院士開發的智能注塑機,也采用了人工智能技術來計算最優化的工藝參數,從而大大提高產品的合格率,顯著降低能耗。
        以上分析的六項新興技術,每項技術的創新發展都給制造業帶來重大變革。在同一時期,這六大新興技術都取得了跨越式發展,而且是交相輝映,實現了協同應用,因此能夠幫助應用這些關鍵技術的企業實現商業模式、研發與制造模式、企業運營模式的突破性創新。
        這昭示著,制造業已經進入了技術大變革時代。這個時代對創新者會帶來極大的機遇,而保守者則會加速退出歷史舞臺。

制造業與七大新興技術的關系


        人類經歷了青銅器時代、工業時代、計算機時代,每一次時代的更替,每一項新技術的興起,都促使生產力水平的提升與制造效率的變革。未來,那些改變我們生產方式和人類發展進程的新興技術,將繼續和更加令人振奮。


1 燃料電池汽車


        燃料電池汽車算是電動汽車的一種,但本質上的區別卻很大。
        好比現在被廣泛運用到手機領域的快速充電體驗一樣,燃料電池的優點是可以在幾分鐘的極短時間內給電池灌滿燃料,從而省去了長時間充電的麻煩。其原理在于使用氫氧混合燃料代替一般的化學電池,通常使用補充氫氣的方式來進行充電,也有一些電廠和叉車等領域使用甲烷和汽油作為電池燃料。
        燃料電池汽車的出現,不僅使電動汽車的使用變得更加環保,還大大增強了其使用效率。


2 可循環利用的熱固性塑料


        在不可再生資源逐年銳減的今天,如何發展可持續循環經濟變成了全世界各行業都密切關注的焦點。
        而做為現代制造業中不可或缺的材料,熱固性塑料以其高輕度,耐高溫等特點受到人們青睞,但其無法循環利用的難題也成為詬病,大部分熱固性聚合物只能變為垃圾進行填埋。而隨著科技的不斷發展,熱固性塑料的循環利用難題也即將得到解決。有研究表明一種名為“聚六氫三嗪”(簡稱PHT)的可循環利用的新型熱固性聚合物可放入強酸中溶解,從而打破聚合物關聯,分離出單體部分,然后重新組合為新產品。
        這種可循環利用的先進產品,有望在幾年之內取代現有的不可循環的材料,為未來的制造業添磚加瓦。


3 精密基因工程技術


        基因工程技術一直處在科技領域的至高位置,在得到更多矚目的同時也飽受爭議。值得欣慰的是新的基因工程技術以漸漸使傳統基因工程問題得到有效改善,特別是在植物的遺傳學層面實現了更多重大進展。新技術可以使我們可以直接“編輯”植物的遺傳密碼,提高植物營養成分、讓植物更好地適應氣候變化等。
        比如CRISPR-Cas9系統可以在抑制不需要基因的基礎上就可以發揮出與自然變異別無二致的功用;核糖核酸干擾技術(RNAi)可有效預防病毒和真菌病原體,保護植物免受病蟲害,減少對化學殺蟲劑的需求。這種技術還可以惠及主要糧食作物,預防小麥稈銹病、稻瘟病、馬鈴薯晚疫病、香蕉枯萎病等。提高農作物的成活率。
        新基因工程技術,是人類解鎖大自然生命奧秘的鑰匙,相信這種精密的新技術會幫助人們在生物醫藥等領取取得更深層次的突破。


4 分布式制造技術


        分布式制造技術將顛覆我們的產品生產方式和銷售方式。這種技術把原材料和生產方式分散化,而產品的最終生產將在終端顧客的身邊完成。
        從本質上說,分布式制造技術的概念是盡可能多地用數字信息取代實體供應鏈。當前,分布式制造技術在使用上高度依賴自助式的“創客運動”,即愛好者們利用本地的3D打印機、用本地的材料來生產產品。這當中有開源思維的元素,即消費者可以根據自身需求和喜好來制作個性化的產品。分布式制造技術能使當前一些模式化的物品變得更為多樣化,比如智能手機和汽車等等,產品的體積大小也不成問題。
        這對制造業的突破是非常有啟迪的。


5 能夠“感知和躲避”的無人機


        無人機技術已成為現今軍事、農業等領域被廣泛利用,還有望在物流行業大顯身手。
        但截至目前,這些無人機仍都有人類飛行員,只不過這些飛行員是在地面遠程操控飛行器的飛行。隨著科技手段的發展,無人機技術將要開發可以自主飛行的機器,應用領域將進一步拓寬。要做到這一點,無人機必須能感知周圍環境并做出應對,調整飛行高度和飛行線路,避免與途中其他物品發生碰撞。
        在自然界中,鳥類、魚類和昆蟲均能成群結隊地集合在一起,每一只動物幾乎都能與身邊的伙伴同步瞬時移動,并以團隊為單位飛行或游動。無人機不妨對此加以模仿。


6 神經形態技術


        計算機是線性的,主要依靠高速中樞,在中央處理器和存儲芯片之間實現數據的來回移動。相比之下,人腦則處于全方位的互聯狀態,人腦中的邏輯和記憶緊密關聯,其密度和多樣性均是現代計算機的數十億倍。神經形態芯片旨在用與傳統硬件完全不同的方式處理信息,通過模仿人腦構造來大幅提高計算機的思維能力與反應能力。神經形態芯片能效更高、性能更強,可將負責數據存儲和數據處理的元件整合到同一個互聯模塊當中。
        從某種意義上說,這一系統與組成人腦的數十億計的、相互連接的神經元頗為相仿,可更好地處理和應對圖像信號的無人機、更為強大、更為智能的相機和智能手機、有助于解讀金融市場奧妙或進行天氣預報的大規模數據透視。試想,計算機可以自主地進行預測和學習,而不是僅僅按照預先編寫好的程序行事。


7 數字化基因組


        排列基因組自古以來就是人類遺傳學的重要課題,而數字化基因組的出現,把原本需要花費數年和大筆資金的排序,簡化到幾分鐘,數百美元就能完成。并且所得數據也可以利用電腦設備輕松傳輸,并通過互聯網渠道便捷分享。僅僅需要很低成本就能探知我們每個人的獨有遺傳結構。不僅如此,有了數字化技術之后,醫生能通過觀察腫瘤的基因結構來決定如何治療癌癥患者。同時,這一新知識也有助于制定具有高度針對性的療法,使精確用藥成為可能,從而改進患者特別是癌癥患者的治療效果。
        可以說這種新技術的出現將為進一步推動醫療個性化、改善醫療效果帶來一場革命。

 

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