未來(lái)工廠(chǎng)： 將愿景變成現實(shí)

　　過(guò)去十年中，我們越來(lái)越依賴(lài)于最新的電子通信技術(shù)，包括移動(dòng)設備、智能汽車(chē)以及家居自動(dòng)化。 技術(shù)的進(jìn)步顯著(zhù)增強了產(chǎn)品的功能，但設計需求的快速變化給希望在當今競爭激烈的市場(chǎng)中開(kāi)發(fā)高性?xún)r(jià)比產(chǎn)品的制造商帶來(lái)了嚴峻的挑戰。 雖然今天工廠(chǎng)已經(jīng)不同于以往鬧哄哄、吵雜不堪的生產(chǎn)廠(chǎng)房，但是固化、龐大的生產(chǎn)系統使制造商很難適應新技術(shù)，而且成本極其昂貴。未來(lái)工廠(chǎng)是一個(gè)科研與技術(shù)項目，旨在利用信息物理系統(CPS)和大數據分析來(lái)實(shí)現以操作員為中心的智能生產(chǎn)，通過(guò)利用新技術(shù)來(lái)提高制造工藝的競爭力。

　　提高未來(lái)工廠(chǎng)效率的一個(gè)關(guān)鍵元素是電鉆或擰緊工具的智能化。這些智能設備應可與主要基礎設施通信或與操作人員及其他工具本地通信。 對于后一種情況，設備需要能夠提供情景感知并基于網(wǎng)絡(luò )的本地和分布式智能做出實(shí)時(shí)決策。

　　對于生產(chǎn)廠(chǎng)房而言，智能工具可以通過(guò)避免手動(dòng)數據記錄和操作來(lái)簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程、提高效率。 操作人員除了必須專(zhuān)心處理作業(yè)任務(wù)，還要騰出雙手來(lái)使用相應的工具。 例如，飛機的開(kāi)發(fā)涉及數萬(wàn)個(gè)步驟，必須由操作人員逐一完成，而且要檢查很多次，才能夠確保質(zhì)量。

　　如果制造商將智能功能添加到系統中，智能工具將可理解操作人員接下來(lái)必須執行的操作，并自動(dòng)將工具調整到合適的設置，從而簡(jiǎn)化操作人員的工作。 操作人員執行完操作后，智能工具也可以監測并記錄操作結果，從而提高生產(chǎn)過(guò)程的效率。

　　舉例來(lái)說(shuō)，一架飛機的某個(gè)子組件大約有400,000個(gè)位置必須擰緊，就目前的生產(chǎn)工藝而言，這就需要1,100種以上的基本擰緊工具。 操作人員必須使用正確的工具依序完成一系列步驟，確保每個(gè)位置的轉矩公式設置正確無(wú)誤。 由于是手動(dòng)操作，因此人為錯誤會(huì )增加生產(chǎn)過(guò)程中的風(fēng)險。 只要某個(gè)位置沒(méi)有正確擰緊，長(cháng)期下來(lái)就會(huì )產(chǎn)生數十萬(wàn)的成本，因此這是非常嚴重的問(wèn)題。 智能的工具和設備可以通過(guò)視覺(jué)功能來(lái)處理周?chē)男畔?，理解操作人員接下來(lái)要執行的操作，并自動(dòng)針對其他工具調整設置。

　　在自動(dòng)化方面，機器人操作器系統數十年來(lái)已被不同行業(yè)的各種應用廣泛采用。 這些系統通常設計為使用一個(gè)專(zhuān)有或定制的端終端解決方案，由于供應商定義的臺式儀器功能固定，要增加新的功能非常困難。 配置這些機器人系統的成本可能極其昂貴，因為特定配置或解決方案僅適用于特定的廠(chǎng)商。

　　由于生產(chǎn)系統日益精簡(jiǎn)化，包括組織、計劃和技術(shù)，因此需要一個(gè)通用通信層或架構來(lái)實(shí)現可擴展性和適應性。 例如，許多機器人系統架構可以分成三個(gè)主要部分： 感應、思考以及行動(dòng)。 感應通常涉及讀取傳感器數據。 大多數機器人配備了各種傳感器，例如用于電機位置反饋的編碼器和視覺(jué)跟蹤系統，以感知環(huán)境的數據。 思考功能根據來(lái)自傳感器的數據制定行動(dòng)計劃。

　　工業(yè)機器人通常采用反向運動(dòng)學(xué)和避障算法。 控制機制的“行為”部分將定位指令轉化為特定執行機構的驅動(dòng)信號。 學(xué)術(shù)研究中的許多先進(jìn)算法(如傳感器融合)開(kāi)始利用3D相機，大大提高了當前機械手系統的效率和效益。 通用層不僅提供了快速開(kāi)發(fā)算法原型和驗證的能力，而且也充當著(zhù)整個(gè)工廠(chǎng)基礎設施的通信網(wǎng)關(guān)。

　　當今工廠(chǎng)車(chē)間存在各種技術(shù)孤島，每種技術(shù)、設計和設備都可幫助現代制造更加高效有序和結構化。 許多領(lǐng)先制造商紛紛針對這些領(lǐng)域啟動(dòng)了一系列研究項目，并證明了將軟件和嵌入式硬件相結合的平臺方法的可行性和可擴展性。 例如，空客公司已經(jīng)使用NI LabVIEW軟件和可重配置硬件作為未來(lái)工廠(chǎng)測試平臺的一部分來(lái)加速開(kāi)發(fā)，并搭建一個(gè)可針對每種技術(shù)進(jìn)行擴展的橫向技術(shù)平臺。 由于技術(shù)不斷發(fā)展，日益復雜，未來(lái)工廠(chǎng)的一個(gè)持續性挑戰是確定一個(gè)可以利用每個(gè)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)步的通用框架，同時(shí)確保高質(zhì)量保證和全程可追溯性。