未來工廠： 將愿景變成現(xiàn)實(shí)

過去十年中，我們?cè)絹碓揭蕾囉谧钚碌碾娮油ㄐ偶夹g(shù)，包括移動(dòng)設(shè)備、智能汽車以及家屆自動(dòng)化。技術(shù)的進(jìn)步顯著增強(qiáng)了產(chǎn)品的功能，但設(shè)計(jì)需求的快速變化給希望在當(dāng)今競(jìng)爭激烈的市場(chǎng)中開發(fā)高性價(jià)比產(chǎn)品的制造商帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。雖然今天工廠已經(jīng)不同于以往鬧哄哄、吵雜不堪的生產(chǎn)廠房，但是固化、龐大的生產(chǎn)系統(tǒng)使制造商很難適應(yīng)新技術(shù)，而且成本極其昂貴。未來工廠是一個(gè)科研與技術(shù)項(xiàng)目，旨在利用信息物理系統(tǒng)（CPS）和大數(shù)據(jù)分析來實(shí)現(xiàn)以操作員為中心的智能生產(chǎn)，通過利用新技術(shù)來提高制造工藝的競(jìng)爭力。

提高未來工廠效率的一個(gè)關(guān)鍵元素是電鉆或擰緊工具的智能化。這些智能設(shè)備應(yīng)可與主要基礎(chǔ)設(shè)施通信或與操作人員及其他工具本地通信。對(duì)于后一種情況，設(shè)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(duì)于生產(chǎn)廠房而言，智能工具可以通過避免手動(dòng)數(shù)據(jù)記錄和操作來簡化生產(chǎn)過程、提高效率。操作人員除了必須專心處理作業(yè)任務(wù)，還要騰出雙手來使用相應(yīng)的工具。例如，飛機(jī)的開發(fā)涉及數(shù)萬個(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(tǒng)中，智能工具將可理解操作人員接下來必須執(zhí)行的操作，并自動(dòng)將工具調(diào)整到合適的設(shè)置，從而簡化操作人員的工作。操作人員執(zhí)行完操作后，智能工具也可以監(jiān)測(cè)并記錄操作結(jié)果，從而提高生產(chǎn)過程的效率。

舉例來說，一架飛機(jī)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(zhuǎn)矩公式設(shè)置正確無誤。由于是手動(dòng)操作，因此人為錯(cuò)誤會(huì)增加生產(chǎn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)。只要某個(gè)位置沒有正確擰緊，長期下來就會(huì)產(chǎn)生數(shù)十萬的成本，因此這是非常嚴(yán)重的問題。智能的工具和設(shè)備可以通過視覺功能來處理周圍的信息，理解操作人員接下來要執(zhí)行的操作，并自動(dòng)針對(duì)其他工具調(diào)整設(shè)置。

在自動(dòng)化方面，機(jī)器人操作器系統(tǒng)數(shù)十年來已被不同行業(yè)的各種應(yīng)用廣泛采用。這些系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為使用一個(gè)專有或定制的端終端解決方案，由于供應(yīng)商定義的臺(tái)式儀器功能固定，要增加新的功能非常困難。配置這些機(jī)器人系統(tǒng)的成本可能極其昂貴，因?yàn)樘囟ㄅ渲没蚪鉀Q方案僅適用于特定的廠商。

由于生產(chǎn)系統(tǒng)日益精簡化，包括組織、計(jì)劃和技術(shù)，因此需要一個(gè)通用通信層或架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。例如，許多機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)可以分成三個(gè)主要部分：感應(yīng)、思考以及行動(dòng)。感應(yīng)通常涉及讀取傳感器數(shù)據(jù)。大多數(shù)機(jī)器人配備了各種傳感器，例如用于電機(jī)位置反饋的編碼器和視覺跟蹤系統(tǒng)，以感知環(huán)境的數(shù)據(jù)。思考功能根據(jù)來自傳感器的數(shù)據(jù)制定行動(dòng)計(jì)劃。

工業(yè)機(jī)器人通常采用反向運(yùn)動(dòng)學(xué)和避障算法?？刂茩C(jī)制的“行為”部分將定位指令轉(zhuǎn)化為特定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。學(xué)術(shù)研究中的許多先進(jìn)算法（如傳感器融合）開始利用3D相機(jī)，大大提高了當(dāng)前機(jī)械手系統(tǒng)的效率和效益。通用層不僅提供了快速開發(fā)算法原型和驗(yàn)證的能力，而且也充當(dāng)著整個(gè)工廠基礎(chǔ)設(shè)施的通信網(wǎng)關(guān)。

當(dāng)今工廠車間存在各種技術(shù)孤島，每種技術(shù)、設(shè)計(jì)和設(shè)備都可幫助現(xiàn)代制造更加高效有序和結(jié)構(gòu)化。許多領(lǐng)先制造商紛紛針對(duì)這些領(lǐng)域啟動(dòng)了一系列研究項(xiàng)目，并證明了將軟件和嵌入式硬件相結(jié)合的平臺(tái)方法的可行性和可擴(kuò)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工廠測(cè)試平臺(tái)的一部分來加速開發(fā)，并搭建一個(gè)可針對(duì)每種技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展的橫向技術(shù)平臺(tái)。由于技術(shù)不斷發(fā)展，日益復(fù)雜，不來工廠的一個(gè)持續(xù)性挑戰(zhàn)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。