自2013年德國(guó)首先提出工業(yè)4.0概念以來(lái)，一場(chǎng)圍繞著速度、成本、能效、柔性、安全和智能化的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)新競(jìng)賽正在范圍展開(kāi)。技術(shù)創(chuàng)新是這場(chǎng)競(jìng)賽的核心驅(qū)動(dòng)力，而各領(lǐng)域的企業(yè)當(dāng)仁不讓的成為技術(shù)創(chuàng)新的實(shí)踐者和受益人。2015年12月，帶著一份對(duì)工業(yè)4.0和德國(guó)制造進(jìn)展的好奇心，筆者受邀參加費(fèi)斯托(Festo)在德國(guó)斯圖加特舉辦的媒體大會(huì)（IPC）,并與來(lái)自17個(gè)國(guó)家的近60名記者一同參觀了Festo的Scharnhausen新技術(shù)工廠，感受工業(yè)4.0新思維帶來(lái)的創(chuàng)新價(jià)值。

位于德國(guó)斯圖加特的Scharnhausen新技術(shù)工廠

秉承創(chuàng)新，把握轉(zhuǎn)型機(jī)遇

      工業(yè)4.0是德國(guó)保持競(jìng)爭(zhēng)力的重要機(jī)會(huì)，以*的創(chuàng)新精神，將傳統(tǒng)的工業(yè)制造轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)化的靈活生產(chǎn)系統(tǒng)，保持德國(guó)制造的競(jìng)爭(zhēng)力。正是因?yàn)榈聡?guó)知識(shí)密集型的制造模式、技術(shù)與生產(chǎn)的快速結(jié)合、來(lái)自企業(yè)的創(chuàng)新力量、公共資源的充分利用和政府政策的支持，通過(guò)行業(yè)協(xié)會(huì)間的緊密合作，保證著工業(yè)4.0研究的有效進(jìn)行。數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)面向未來(lái)制造的網(wǎng)絡(luò)化和柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵。標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)研發(fā)和人員培訓(xùn)是當(dāng)前工業(yè)4.0平臺(tái)研究工作的重要主題，F(xiàn)esto自1925年創(chuàng)立以來(lái)，從品質(zhì)的氣動(dòng)元器件，到以CPX為代表的模塊化控制實(shí)現(xiàn)氣電融合平臺(tái)，再到多項(xiàng)仿生研究成果的逐步轉(zhuǎn)化，正是對(duì)技術(shù)研發(fā)的高度熱情和持續(xù)投入，才有了今天的市場(chǎng)地位。在通往工業(yè)4.0夢(mèng)想的研發(fā)道路上，F(xiàn)esto正在多個(gè)工業(yè)4.0研發(fā)工作組中扮演著重要角色，“工業(yè)4.0平臺(tái)的參與者正在各種跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)中，就標(biāo)準(zhǔn)化、研究和安全性等未來(lái)主題開(kāi)展廣泛細(xì)致的工作，同時(shí)也涉足新工作領(lǐng)域和培訓(xùn)領(lǐng)域的方方面面，”Festo管理董事會(huì)主席Eberhard Veit博士說(shuō)。“在這里，我們正在探討如何將工業(yè)制造轉(zhuǎn)型為全面聯(lián)網(wǎng)的靈活生產(chǎn)系統(tǒng)。為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，我們必須秉承自己*的創(chuàng)新精神，在此新的發(fā)展機(jī)遇中大顯身手。”

Festo AG & Co. KG管理董事會(huì)主席Eberhard Veit博士

Festo AG & Co. KG管理董事會(huì)成員，產(chǎn)品供應(yīng)總裁Claus Jessen博士

      工業(yè)4.0夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的持續(xù)過(guò)程，F(xiàn)esto認(rèn)為，目前還處在轉(zhuǎn)型發(fā)展的初期階段。期間為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展提供了巨大的潛力。在塑造未來(lái)制造模式的過(guò)程中，F(xiàn)esto的工業(yè)4.0戰(zhàn)略將突出技術(shù)創(chuàng)新和人才培養(yǎng)。一方面，覆蓋離散與過(guò)程自動(dòng)化，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的“直觀、智能、集成和互聯(lián)”，強(qiáng)化客戶定制解決方案；另一方面，構(gòu)建教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，提供人才培訓(xùn)與咨詢服務(wù)。“在工業(yè)價(jià)值創(chuàng)造過(guò)程中，員工的角色正在從機(jī)械設(shè)備操作員轉(zhuǎn)變?yōu)閱?wèn)題解決者。這對(duì)員工提出了新要求，為此，每位員工要接受適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和教育才能滿足未來(lái)的需求。在越來(lái)越大的程度上，教育將日益成為制勝的關(guān)鍵因素，”Festo管理董事會(huì)成員，產(chǎn)品供應(yīng)總裁Claus Jessen博士說(shuō)。

數(shù)字化平臺(tái)確保人工裝配的準(zhǔn)確性

氣電共融，構(gòu)建工業(yè)4.0 橋梁

      氣壓傳動(dòng)是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和機(jī)械化zui有效手段之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全與可靠性高和調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)勢(shì)，但其工作介質(zhì)（壓縮空氣）制造成本高，使得提高氣動(dòng)系統(tǒng)使用效率成為行業(yè)面臨的突出問(wèn)題。1989年，通過(guò)建立一組帶有共用控制電源的底座集成閥，F(xiàn)esto創(chuàng)立了閥島的概念。此后，F(xiàn)esto不斷對(duì)閥島進(jìn)行研發(fā)：控制協(xié)議、診斷和狀態(tài)監(jiān)控功能以及優(yōu)化應(yīng)用的閥島使其更靈活、性價(jià)比更高。閥島的電氣終端不僅只連接現(xiàn)場(chǎng)和主控制層,2002年推出的CPX系列電氣終端已具備診斷設(shè)施并能提供狀態(tài)監(jiān)控功能。它的各種模塊能夠?qū)飧卓刂婆c電缸控制整合在一起，通過(guò)模組化閥島MPA和VTSA來(lái)控制氣缸，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)控制電缸，同時(shí)集成了安全功能，可以訪問(wèn)診斷信息，快速定位故障并更換模塊。通過(guò)CPX對(duì)常用的總線系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的整合，F(xiàn)esto已為工業(yè)4.0 時(shí)代的開(kāi)放互聯(lián)做好了充分準(zhǔn)備。

VTUG閥島

      2013年推出的VTUG閥島提供了簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案，適用于所有標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)及IO-Link。由于現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)通過(guò)螺釘固定到閥島上，因此用戶可以快速簡(jiǎn)便地更換現(xiàn)場(chǎng)總線。對(duì)于提供模塊化設(shè)計(jì)的設(shè)備及系統(tǒng)制造商而言，VTUG閥島zui大的亮點(diǎn)是兼具電氣模塊化和高度氣動(dòng)靈活性優(yōu)勢(shì)。

UVUG模組化自動(dòng)生產(chǎn)裝配線

      Festo以CPX綜合自動(dòng)化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的電缸集成驅(qū)動(dòng)已經(jīng)在DELTA機(jī)器人高速搬運(yùn)系統(tǒng)控制上取得成功，通過(guò)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(dòng)作。配合使用免維護(hù)集成式EC電機(jī)且防護(hù)等級(jí)為IP54/65的電驅(qū)動(dòng)器EMCA，避免了對(duì)傳統(tǒng)控制柜的依賴，實(shí)現(xiàn)無(wú)控制柜的IP65/67防護(hù)等級(jí)。Festo借此向設(shè)備離散式自動(dòng)化邁出了跨越性的一步。

人機(jī)協(xié)作在Scharnhausen新技術(shù)工廠已成為現(xiàn)實(shí)

制造，數(shù)字化工廠*

      Festo位于斯圖加特的Scharnhausen新技術(shù)工廠，是Festo生產(chǎn)閥、閥島和電氣產(chǎn)品的主要工廠，廠區(qū)總面積66 000平方米，員工1200余人。Festo已累計(jì)投資七千萬(wàn)歐元用于廠區(qū)擴(kuò)建，立足滿足今后5～10年的市場(chǎng)需求。新工廠秉承客戶至上以及可持續(xù)綠色生產(chǎn)的理念，積極提供針對(duì)客戶特定需求的定制化解決方案。基于制造價(jià)值鏈的整體優(yōu)化貫穿工廠建設(shè)和生產(chǎn)全過(guò)程，數(shù)字化創(chuàng)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(yīng)用。2015年9月，新工廠由于精益生產(chǎn)、節(jié)能和環(huán)境友好表現(xiàn)突出，被德國(guó)可持續(xù)建筑委員會(huì)(DGNB)授予白金證書(shū)，堪稱當(dāng)前德國(guó)先進(jìn)制造的*。

快速靈活的物料配送

      在新工廠規(guī)劃之初，F(xiàn)esto組織專家們從采購(gòu)、開(kāi)發(fā)、物流、生產(chǎn)和人力資源多角度展開(kāi)合作，以跨部門的工作方式，借助3D建模和虛擬仿真等技術(shù)手段優(yōu)化廠房布局，在短短3年內(nèi)完成了工廠建設(shè)。“適應(yīng)性生產(chǎn)”整體理念使新工廠具備*的適應(yīng)能力，并建立起的價(jià)值流，讓Festo客戶因此受益。工廠總Stefan Schwerdtle表示：“以該技術(shù)工廠為依托，我們*可以滿足未來(lái)市場(chǎng)的需求。我們?cè)诖斯S中建立了用于技術(shù)協(xié)作和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的場(chǎng)所，并通過(guò)優(yōu)化程序和調(diào)整核心流程大幅縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。”

      整體價(jià)值流管理通過(guò)數(shù)字化手段得以實(shí)施，是該工廠鮮明特色。確保從開(kāi)發(fā)、物流到生產(chǎn)的所有價(jià)值流始終保持在*流動(dòng)狀態(tài)。該技術(shù)工廠物資管理部總監(jiān)Stefan Labonde解釋說(shuō)：“我們專注于找出價(jià)值流中的瓶頸，然后采取*方式相應(yīng)調(diào)整流程，因此得以避免延誤，確保業(yè)務(wù)平穩(wěn)有序進(jìn)行。”事實(shí)證明，價(jià)值流優(yōu)化措施相當(dāng)有效。Stefan Labonde說(shuō)：“例如，在生產(chǎn)DGSL 小型氣動(dòng)滑塊的過(guò)程中，我們現(xiàn)在在一個(gè)地點(diǎn)完成所有工序，總運(yùn)輸距離從以前的32km縮短到僅240m，吞吐時(shí)間也縮短了66%。”

      同時(shí)具備金屬加工、電子制造和精密裝配生產(chǎn)能力本已不易，而實(shí)現(xiàn)廠級(jí)價(jià)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(jié)合MES系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)配大量高精度金屬加工機(jī)床和管材切割設(shè)備；以自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)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(shí)別、平板電腦和配合裝配管理系統(tǒng)確保人工裝配過(guò)程中訂單、母件與工件的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)、定制化產(chǎn)品圖示和后期追溯。尤為引人注目的精密裝配線，設(shè)置八個(gè)生產(chǎn)單元，可控制和執(zhí)行用于組裝各種閥的運(yùn)動(dòng)序列。包括噴涂外殼潤(rùn)滑脂、壓入閥芯和彌合密封，以及確保各過(guò)程監(jiān)控程序的運(yùn)行。生產(chǎn)單元的硬件和軟件由Festo自動(dòng)化專家采用模塊化設(shè)計(jì)方法創(chuàng)建，且彼此互聯(lián)互通。各個(gè)過(guò)程自主進(jìn)行設(shè)置，而各個(gè)單元的接口則采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可完成生產(chǎn)單元的更換或擴(kuò)展。針對(duì)訂單的裝配設(shè)備更換，無(wú)需另行規(guī)劃時(shí)間空擋，系統(tǒng)會(huì)在循環(huán)時(shí)間內(nèi)自行更換，已經(jīng)具備了工業(yè)4.0所倡導(dǎo)的柔性生產(chǎn)的重要特征。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，開(kāi)展員工培訓(xùn)

      Scharnhausen新技術(shù)工廠的另一個(gè)重要作用是對(duì)人才的繼續(xù)教育。專設(shè)的員工培訓(xùn)教室設(shè)置有與產(chǎn)線相配合的裝配和檢測(cè)等各種工作臺(tái)，保證員工能在與實(shí)際生產(chǎn)條件一致的設(shè)備環(huán)境下，結(jié)合生產(chǎn)需求，有針對(duì)性的快速提升勞動(dòng)技能。“頭腦風(fēng)暴”教室則展開(kāi)針對(duì)生產(chǎn)與研發(fā)的各項(xiàng)創(chuàng)新思路交流，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)靈感思路的共享，體現(xiàn)著對(duì)創(chuàng)新和人才的高度重視。

培訓(xùn)仿生研究，激發(fā)創(chuàng)意靈感

      鮮有工業(yè)企業(yè)會(huì)在仿生領(lǐng)域持續(xù)投入研發(fā)，而Festo卻已堅(jiān)持多年，每年確定1～2個(gè)新項(xiàng)目，目的是為了借鑒生物模板，以技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體的模仿，激發(fā)創(chuàng)意靈感，為未來(lái)制造業(yè)創(chuàng)新進(jìn)行準(zhǔn)備。目前已在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、個(gè)體協(xié)作和自主適應(yīng)等多個(gè)不同方面取得了卓有成效的創(chuàng)新成果。

基于螞蟻的仿生研究

      為了制作仿生螞蟻，F(xiàn)esto工程師們對(duì)真螞蟻進(jìn)行了精細(xì)解剖并用作構(gòu)建模型。這是有史以來(lái)人類*次利用復(fù)雜控制算法，將生物的合作特性運(yùn)用到技術(shù)領(lǐng)域。“像自然界的螞蟻一樣，仿生螞蟻也是按照簡(jiǎn)單明確的規(guī)則彼此合作，”Festo公司副總裁，企業(yè)傳訊部負(fù)責(zé)人Heinrich Frontzek博士說(shuō)。這一合作機(jī)制從理論上為未來(lái)工廠提供了有趣的解決方案。未來(lái)生產(chǎn)系統(tǒng)建立在智能元件的基礎(chǔ)上，這些元件需要靈活適應(yīng)不同的生產(chǎn)條件和情況，因此會(huì)從更高的控制級(jí)別承接任務(wù)。Frontzek博士說(shuō)：“螞蟻之間彼此通信，協(xié)同運(yùn)動(dòng)。每只螞蟻?zhàn)灾鳑Q策，但其決策始終與共同目標(biāo)保持一致，因此它們是各司其責(zé)，共同完成任務(wù)。”

基于蝴蝶的仿生研究

      在仿生蝴蝶中，F(xiàn)esto將人造昆蟲(chóng)的超輕結(jié)構(gòu)與群體協(xié)調(diào)飛行特性結(jié)合。仿生蝴蝶展示了未來(lái)生產(chǎn)領(lǐng)域的多個(gè)復(fù)雜主題，如功能集成、超輕機(jī)構(gòu)以及個(gè)體系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)優(yōu)化通信。“但是，并不是說(shuō)，未來(lái)工廠中會(huì)有仿生蝴蝶到處飛舞；仿生蝴蝶啟示了相互聯(lián)網(wǎng)的整體系統(tǒng)執(zhí)行功能的新方法，還展示了未來(lái)工業(yè)物流應(yīng)用的景象，”Frontzek博士說(shuō)。聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航和監(jiān)控系統(tǒng)可安全自主地協(xié)調(diào)翱翔空中的眾多個(gè)體飛行器，所采用的通信和傳感器技術(shù)構(gòu)成了室內(nèi)GPS系統(tǒng)，它控制群體中蝴蝶的飛行，使其不會(huì)彼此碰撞。

      靈感源于變色龍舌頭的變色龍仿生抓手，無(wú)需手動(dòng)轉(zhuǎn)換，就可以在一個(gè)進(jìn)程中抓取、采集和釋放形狀差異很大的多個(gè)物體。這一功能通過(guò)充水硅膠帽實(shí)現(xiàn)，這種硅膠帽可以靈活適應(yīng)被抓取對(duì)象的形狀，包裹住被抓取物體。在未來(lái)，靈活抓手可用于需要同時(shí)處理形狀不同的多種物體的生產(chǎn)設(shè)備，例如在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，用于執(zhí)行裝配任務(wù)或搬運(yùn)小型元件。

價(jià)值共享，助力中國(guó)制造2025

      傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)模式正在發(fā)生重要變革，工業(yè)4.0 將形成一個(gè)統(tǒng)一的市場(chǎng)。Festo已在61個(gè)國(guó)家成立分公司，致力建立一個(gè)投資、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。Festo高度重視中國(guó)市場(chǎng)，自1993年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來(lái)，F(xiàn)esto在華業(yè)務(wù)取得了快速穩(wěn)定增長(zhǎng)。2012年，濟(jì)南生產(chǎn)中心成功納入Festo生產(chǎn)中心體系，成為集團(tuán)第11家生產(chǎn)基地。2013年上海亞太技術(shù)中心完成擴(kuò)建，借助化生產(chǎn)與技術(shù)平臺(tái)，為亞太區(qū)，尤其是中國(guó)用戶提供創(chuàng)新產(chǎn)品與定制服務(wù)。中國(guó)制造業(yè)的多樣性和差異化需求亦為Festo提供了定制創(chuàng)新的動(dòng)力源泉。展望未來(lái)，結(jié)合中國(guó)制造2025戰(zhàn)略中所強(qiáng)調(diào)的智能制造、工業(yè)強(qiáng)基和綠色制造等重點(diǎn)工程，通過(guò)可靠器件、靈活平臺(tái)與定制方案，中國(guó)用戶可以共享Festo工業(yè)4.0實(shí)踐的新成果，而Festo所蘊(yùn)含的創(chuàng)新、務(wù)實(shí)與堅(jiān)持的企業(yè)精神，則更值得中國(guó)制造業(yè)學(xué)習(xí)與借鑒。