未來工廠： 將愿景變成現(xiàn)實

　　過去十年中，我們越來越依賴于最新的電子通信技術(shù)，包括移動設(shè)備、智能汽車以及家居自動化。 技術(shù)的進步顯著增強了產(chǎn)品的功能，但設(shè)計需求的快速變化給希望在當今競爭激烈的市場中開發(fā)高性價比產(chǎn)品的制造商帶來了嚴峻的挑戰(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。未來工廠是一個科研與技術(shù)項目，旨在利用信息物理系統(tǒng)(CPS)和大數(shù)據(jù)分析來實現(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爭力。

　　提高未來工廠效率的一個關(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時決策。

　　對于生產(chǎn)廠房而言，智能工具可以通過避免手動數(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，飛機的開發(fā)涉及數(shù)萬個步驟，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，一架飛機的某個子組件大約有400,000個位置必須擰緊，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，確保每個位置的轉(zhuǎn)矩公式設(shè)置正確無誤。 由于是手動操作，因此人為錯誤會增加生產(chǎn)過程中的風險。 只要某個位置沒有正確擰緊，長期下來就會產(chǎn)生數(shù)十萬的成本，因此這是非常嚴重的問題。 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，并自動針對其他工具調(diào)整設(shè)置。

　　在自動化方面，機器人操作器系統(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)計為使用一個專有或定制的端終端解決方案，由于供應(yīng)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(tǒng)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商。

　　由于生產(chǎn)系統(tǒng)日益精簡化，包括組織、計劃和技術(shù)，因此需要一個通用通信層或架構(gòu)來實現(xiàn)可擴展性和適應(yīng)性。 例如，許多機器人系統(tǒng)架構(gòu)可以分成三個主要部分： 感應(yīng)、思考以及行動。 感應(yīng)通常涉及讀取傳感器數(shù)據(jù)。 大多數(shù)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)制定行動計劃。

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

　　當今工廠車間存在各種技術(shù)孤島，每種技術(shù)、設(shè)計和設(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)先制造商紛紛針對這些領(lǐng)域啟動了一系列研究項目，并證明了將軟件和嵌入式硬件相結(jié)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工廠測試平臺的一部分來加速開發(fā)，并搭建一個可針對每種技術(shù)進行擴展的橫向技術(shù)平臺。 由于技術(shù)不斷發(fā)展，日益復(fù)雜，未來工廠的一個持續(xù)性挑戰(zhàn)是確定一個可以利用每個技術(shù)領(lǐng)域進步的通用框架，同時確保高質(zhì)量保證和全程可追溯性。