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自2013年德國首先提出工業4.0概念以來，一場圍繞著速度、成本、能效、柔性、安全和智能化的制造業轉型升級新競賽正在范圍展開。技術創新是這場競賽的核心驅動力，而各領域的企業當仁不讓的成為技術創新的實踐者和受益人。2015年12月，帶著一份對工業4.0和德國制造進展的好奇心，筆者受邀參加費斯托(Festo)在德國斯圖加特舉辦的媒體大會（IPC）,并與來自17個國家的近60名記者一同參觀了Festo的Scharnhausen新技術工廠，感受工業4.0新思維帶來的創新價值。

 

位于德國斯圖加特的Scharnhausen新技術工廠

 

秉承創新，把握轉型機遇

 

      工業4.0是德國保持競爭力的重要機會，以*的創新精神，將傳統的工業制造轉變為一個網絡化的靈活生產系統，保持德國制造的競爭力。正是因為德國知識密集型的制造模式、技術與生產的快速結合、來自企業的創新力量、公共資源的充分利用和政府政策的支持，通過行業協會間的緊密合作，保證著工業4.0研究的有效進行。數字化是實現面向未來制造的網絡化和柔性生產的關鍵。標準化、技術研發和人員培訓是當前工業4.0平臺研究工作的重要主題，Festo自1925年創立以來，從品質的氣動元器件，到以CPX為代表的模塊化控制實現氣電融合平臺，再到多項仿生研究成果的逐步轉化，正是對技術研發的高度熱情和持續投入，才有了今天的市場地位。在通往工業4.0夢想的研發道路上，Festo正在多個工業4.0研發工作組中扮演著重要角色，“工業4.0平臺的參與者正在各種跨學科團隊中，就標準化、研究和安全性等未來主題開展廣泛細致的工作，同時也涉足新工作領域和培訓領域的方方面面，”Festo管理董事會主席Eberhard Veit博士說。“在這里，我們正在探討如何將工業制造轉型為全面聯網的靈活生產系統。為了保持競爭力，我們必須秉承自己*的創新精神，在此新的發展機遇中大顯身手。”

 

Festo AG & Co. KG管理董事會主席Eberhard Veit博士

 

Festo AG & Co. KG管理董事會成員，產品供應總裁Claus Jessen博士

 

      工業4.0夢想的實現是一個充滿挑戰的持續過程，Festo認為，目前還處在轉型發展的初期階段。期間為工業自動化領域發展提供了巨大的潛力。在塑造未來制造模式的過程中，Festo的工業4.0戰略將突出技術創新和人才培養。一方面，覆蓋離散與過程自動化，強調產品的“直觀、智能、集成和互聯”，強化客戶定制解決方案；另一方面，構建教學培訓系統，提供人才培訓與咨詢服務。“在工業價值創造過程中，員工的角色正在從機械設備操作員轉變為問題解決者。這對員工提出了新要求，為此，每位員工要接受適當的培訓和教育才能滿足未來的需求。在越來越大的程度上，教育將日益成為制勝的關鍵因素，”Festo管理董事會成員，產品供應總裁Claus Jessen博士說。

 

數字化平臺確保人工裝配的準確性

 

氣電共融，構建工業4.0 橋梁

 

      氣壓傳動是生產過程自動化和機械化zui有效手段之一，具有結構簡單、安全與可靠性高和調節簡便等諸多優勢，但其工作介質（壓縮空氣）制造成本高，使得提高氣動系統使用效率成為行業面臨的突出問題。1989年，通過建立一組帶有共用控制電源的底座集成閥，Festo創立了閥島的概念。此后，Festo不斷對閥島進行研發：控制協議、診斷和狀態監控功能以及優化應用的閥島使其更靈活、性價比更高。閥島的電氣終端不僅只連接現場和主控制層,2002年推出的CPX系列電氣終端已具備診斷設施并能提供狀態監控功能。它的各種模塊能夠將氣缸控制與電缸控制整合在一起，通過模組化閥島MPA和VTSA來控制氣缸，通過運動控制器來控制電缸，同時集成了安全功能，可以訪問診斷信息，快速定位故障并更換模塊。通過CPX對常用的總線系統和工業以太網協議的整合，Festo已為工業4.0 時代的開放互聯做好了充分準備。

 

VTUG閥島

 

      2013年推出的VTUG閥島提供了簡單經濟的現場總線解決方案，適用于所有標準的現場總線、以太網及IO-Link。由于現場總線節點通過螺釘固定到閥島上，因此用戶可以快速簡便地更換現場總線。對于提供模塊化設計的設備及系統制造商而言，VTUG閥島zui大的亮點是兼具電氣模塊化和高度氣動靈活性優勢。

 

UVUG模組化自動生產裝配線

 

      Festo以CPX綜合自動化平臺實現的電缸集成驅動已經在DELTA機器人高速搬運系統控制上取得成功，通過氣電融合，以CODESYS控制器作為控制器，完成在三維空間中每分鐘100次的高速拾取動作。配合使用免維護集成式EC電機且防護等級為IP54/65的電驅動器EMCA，避免了對傳統控制柜的依賴，實現無控制柜的IP65/67防護等級。Festo借此向設備離散式自動化邁出了跨越性的一步。

 

人機協作在Scharnhausen新技術工廠已成為現實

 

制造，數字化工廠*

 

      Festo位于斯圖加特的Scharnhausen新技術工廠，是Festo生產閥、閥島和電氣產品的主要工廠，廠區總面積66 000平方米，員工1200余人。Festo已累計投資七千萬歐元用于廠區擴建，立足滿足今后5～10年的市場需求。新工廠秉承客戶至上以及可持續綠色生產的理念，積極提供針對客戶特定需求的定制化解決方案。基于制造價值鏈的整體優化貫穿工廠建設和生產全過程，數字化創新在廠房布局、工件加工、物流、精密裝配和能效管理等多方面得到全面應用。2015年9月，新工廠由于精益生產、節能和環境友好表現突出，被德國可持續建筑委員會(DGNB)授予白金證書，堪稱當前德國先進制造的*。

 

快速靈活的物料配送

 

      在新工廠規劃之初，Festo組織專家們從采購、開發、物流、生產和人力資源多角度展開合作，以跨部門的工作方式，借助3D建模和虛擬仿真等技術手段優化廠房布局，在短短3年內完成了工廠建設。“適應性生產”整體理念使新工廠具備*的適應能力，并建立起的價值流，讓Festo客戶因此受益。工廠總Stefan Schwerdtle表示：“以該技術工廠為依托，我們*可以滿足未來市場的需求。我們在此工廠中建立了用于技術協作和產品開發的場所，并通過優化程序和調整核心流程大幅縮短了產品上市時間。”

 

      整體價值流管理通過數字化手段得以實施，是該工廠鮮明特色。確保從開發、物流到生產的所有價值流始終保持在*流動狀態。該技術工廠物資管理部總監Stefan Labonde解釋說：“我們專注于找出價值流中的瓶頸，然后采取*方式相應調整流程，因此得以避免延誤，確保業務平穩有序進行。”事實證明，價值流優化措施相當有效。Stefan Labonde說：“例如，在生產DGSL 小型氣動滑塊的過程中，我們現在在一個地點完成所有工序，總運輸距離從以前的32km縮短到僅240m，吞吐時間也縮短了66%。”

 

      同時具備金屬加工、電子制造和精密裝配生產能力本已不易，而實現廠級價值流整合和智能流程管理則更是難能可貴。Festo新工廠以電子看板結合MES系統統一調配大量高精度金屬加工機床和管材切割設備；以自動化倉儲和物流小車完成物料傳輸保證電子制造的靈活、快速和批量；以條碼識別、平板電腦和配合裝配管理系統確保人工裝配過程中訂單、母件與工件的準確對應、定制化產品圖示和后期追溯。尤為引人注目的精密裝配線，設置八個生產單元，可控制和執行用于組裝各種閥的運動序列。包括噴涂外殼潤滑脂、壓入閥芯和彌合密封，以及確保各過程監控程序的運行。生產單元的硬件和軟件由Festo自動化專家采用模塊化設計方法創建，且彼此互聯互通。各個過程自主進行設置，而各個單元的接口則采用標準化設計，可完成生產單元的更換或擴展。針對訂單的裝配設備更換，無需另行規劃時間空擋，系統會在循環時間內自行更換，已經具備了工業4.0所倡導的柔性生產的重要特征。

 

結合實際生產，開展員工培訓

 

      Scharnhausen新技術工廠的另一個重要作用是對人才的繼續教育。專設的員工培訓教室設置有與產線相配合的裝配和檢測等各種工作臺，保證員工能在與實際生產條件一致的設備環境下，結合生產需求，有針對性的快速提升勞動技能。“頭腦風暴”教室則展開針對生產與研發的各項創新思路交流，通過網絡實時實現靈感思路的共享，體現著對創新和人才的高度重視。

 

培訓仿生研究，激發創意靈感

 

      鮮有工業企業會在仿生領域持續投入研發，而Festo卻已堅持多年，每年確定1～2個新項目，目的是為了借鑒生物模板，以技術手段實現對生物體的模仿，激發創意靈感，為未來制造業創新進行準備。目前已在材料、結構設計、運動控制、個體協作和自主適應等多個不同方面取得了卓有成效的創新成果。

 

基于螞蟻的仿生研究

 

      為了制作仿生螞蟻，Festo工程師們對真螞蟻進行了精細解剖并用作構建模型。這是有史以來人類*次利用復雜控制算法，將生物的合作特性運用到技術領域。“像自然界的螞蟻一樣，仿生螞蟻也是按照簡單明確的規則彼此合作，”Festo公司副總裁，企業傳訊部負責人Heinrich Frontzek博士說。這一合作機制從理論上為未來工廠提供了有趣的解決方案。未來生產系統建立在智能元件的基礎上，這些元件需要靈活適應不同的生產條件和情況，因此會從更高的控制級別承接任務。Frontzek博士說：“螞蟻之間彼此通信，協同運動。每只螞蟻自主決策，但其決策始終與共同目標保持一致，因此它們是各司其責，共同完成任務。”

 

基于蝴蝶的仿生研究

 

      在仿生蝴蝶中，Festo將人造昆蟲的超輕結構與群體協調飛行特性結合。仿生蝴蝶展示了未來生產領域的多個復雜主題，如功能集成、超輕機構以及個體系統之間的聯網實時優化通信。“但是，并不是說，未來工廠中會有仿生蝴蝶到處飛舞；仿生蝴蝶啟示了相互聯網的整體系統執行功能的新方法，還展示了未來工業物流應用的景象，”Frontzek博士說。聯網導航和監控系統可安全自主地協調翱翔空中的眾多個體飛行器，所采用的通信和傳感器技術構成了室內GPS系統，它控制群體中蝴蝶的飛行，使其不會彼此碰撞。

 

      靈感源于變色龍舌頭的變色龍仿生抓手，無需手動轉換，就可以在一個進程中抓取、采集和釋放形狀差異很大的多個物體。這一功能通過充水硅膠帽實現，這種硅膠帽可以靈活適應被抓取對象的形狀，包裹住被抓取物體。在未來，靈活抓手可用于需要同時處理形狀不同的多種物體的生產設備，例如在工業機器人領域，用于執行裝配任務或搬運小型元件。

 

價值共享，助力中國制造2025

 

      傳統的業務模式正在發生重要變革，工業4.0 將形成一個統一的市場。Festo已在61個國家成立分公司，致力建立一個投資、開發和生產網絡。Festo高度重視中國市場，自1993年進入中國市場以來，Festo在華業務取得了快速穩定增長。2012年，濟南生產中心成功納入Festo生產中心體系，成為集團第11家生產基地。2013年上海亞太技術中心完成擴建，借助化生產與技術平臺，為亞太區，尤其是中國用戶提供創新產品與定制服務。中國制造業的多樣性和差異化需求亦為Festo提供了定制創新的動力源泉。展望未來，結合中國制造2025戰略中所強調的智能制造、工業強基和綠色制造等重點工程，通過可靠器件、靈活平臺與定制方案，中國用戶可以共享Festo工業4.0實踐的新成果，而Festo所蘊含的創新、務實與堅持的企業精神，則更值得中國制造業學習與借鑒。