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德国制造:工于匠心 止于至善

2018-12-02田耘

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    “德国制造"在全球享有盛誉,制造的产品给人以耐用、可靠和精密的印象。为了探索德国制造的奥秘,学习德国"隐形冠军"企业专注执着的“工匠精神”,借鉴德国企业推进工业4.0和智能制造的最佳实践,促进中德企业间的交流与合作。2018年10月13-22日,e-works成功举办了为期10天的“2018秋季第九届德国工业4.0考察”。

    考察团成员在e-works CEO黄培博士的带领下,先后参观了贝加莱自动化、宝马丁格芬工厂、莱茵科斯特、GE增材制造体验中心、KUKA机器人、CADENAS、通快集团(TRUMPF)、KARDEX、威图工厂、威图物流中心、威图/EPLAN联合创新中心以及威图全球总部。考察团成员对德国企业专注于自身领域,重视产品研发与创新、不断提升生产过程自动化与精益化的理念以及追求产品极致的“工匠精神”有了很更加充分的认识,考察取得了丰硕成果。


2018秋季第九届德国工业4.0考察团合影

    走进贝加莱,体验卓越自动化

    贝加莱的产品涵盖了工业自动化的各个领域,多品种、小批量,完全按订单生产,有八条SMT线自动化线以及若干个装配自动化线。检测区包括焊点检测、I/O输出检测、成品检测,其中成品检测采用机器人自动进行成品所有项目的检测。存储区采用自动化立体仓库,遵循先进先出的原则对成品进行管理,此立体仓库有2万个仓储库位,可以对立体库位进行向上扩展,满足更大需求的存储量。

    贝加莱的运营管理、生产制造、仓储物流都是采用SAP的ERP、MES、WMS全模块的信息系统,与SMT工厂和全自动物流中心实现了IT与OT的融合,IT系统实现从ERP、MES、WMS等系统的集成,八条SMT产线的实时生产、能耗和质量数据完全透明,强调人机协作,高度重视产品的质量检测。

    贝加莱作为全球工业自动化领域的领导厂商之一,融合了前沿技术与先进的工程能力,为各个产业客户提供机器与工厂自动化、运动控制、HMI以及集成安全技术的完整解决方案。通过推进OPC UA和TSN技术的发展,未来将能够帮助制造企业打破自动化孤岛。

    贝加莱自动化强调人机结合,而非简单的机器换人,生产组织有条不紊;非常注重数字化技术的应用,实现生产、质量、能耗等数据的透明,ERP、MES、WMS采用了统一的系统,实现了纵向的信息集成;装配过程实现了防呆防错。关于OPC UA和TSN,考察团成员认为中国企业也应该积极参与相关标准的制定和推进工作。
 

Wolfgang Esterbauer大中华区战略经理介绍贝加莱相关情况

    宝马丁格芬工厂:自动化与柔性化生产的完美结合

    宝马集团丁格芬工厂是宝马集团最大的工厂,生产宝马五、六、七、八系的多种车型,也生产电池。考察团参观了总装、车身焊接和冲压车间。冲压车间利用摆臂机器人上下料,效率很高;车身焊接车间,针对宝马七系的铝材和炭纤维材料和高强度钢的车身,采用了多种机器人焊接新工艺;在整车装配车间,车身与底盘及传动系统的合体,采用了机器人自动定位、拧紧螺栓。

    冲压车间采用了机器人对冲压件进行三维扫码和三维重建,对冲压件的形状进行精确测量,还采用了AGV运输需要发到其它工厂的冲压件成品。宝马每辆车都是个性化订制的,在交付之前六天,客户还可以修改订单。在整车装配过程中,采用了RFID记录每辆车的订单信息,每个工位都会先读取信息,确保按照准确的订单信息装配。装配车间的零件采取顺序送货(JIS)方式,在保证物料及时供应的同时,也避免了线边仓的物料积压。
 

宝马丁格芬工厂生产车间(图片来源于网络)

    莱茵科斯特:职业教育,国家竞争力的重要源泉

    莱茵科斯特Dr.Uhlich教授首先向考察团成员介绍了由莱茵科斯自行研发的用于教学的实验设备。在实际教学过程中,通过软件编程与试验设备的运用,软硬结合,让学员不断练习实践,提升自身的能力。他强调一名合格的学员不仅要具备一定的理论基础知识,更要具备真正的实际操作能力,从而更好的服务于企业,解决实际问题。
 

莱茵科斯特自主研发的用于教学的机电设备

    在会议室,Prof.Dr.uhlich向考察团成员进行了一场工业4.0与智能制造相关的主题培训。他首先顾了四次工业革命的发展历程,展示了由他们设计研发的数据采集芯片、RFID、3D打印等产品,并着重阐述了他对工业4.0以及智能制造的理解。

    据Dr.Uhlich介绍,双元制职业教育录取过程是学生先同企业签订学徒合同,然后根据学徒的职业,再到相应的学校报到学习,受教育者以“学徒”身份在企业实际的生产岗位和培训中心接受职业技能及相关工艺知识的培训,又以“学生”身份在学校接受文化基础和专业理论教育。正是通过成功的职业教育,“德国制造”才拥有了大量优秀的产业工人,也成为德国国家竞争力的重要源泉。

    GE增材制造体验中心:构建增材制造生态系统 助力企业产品创新

    在GE公司位于德国慕尼黑的增材制造体验中心,GE Additive的专家介绍了GE公司推进增材制造的历程和取得的实效以及 GE建立的完备的增材制造生态系统的情况,包括增材制造设备、仿真软件、咨询服务、粉末材料与合作伙伴。目前GE旗下有Concept Laser激光铺粉熔融增材制造设备和ARCAM电子束熔融增材制造设备,支持数十种合金材料的增材制造,已经在航空、医疗、汽车、模具等行业得到广泛应用。
 

工作人员介绍增材制造产品

    GE Additive已经具备了全产业链的支持服务,从金属3D打印机到三维建模软件和服务系统,以及金属粉末材料(AP&C)和为客户提供工程技术咨询。GE Additive在将来都可以为客户提供更优质的服务和整体的解决方案。

    考察团成员与GE的增材制造专家进行了深入交流,了解了激光、电子束以及电弧用于增材制造的不同特点,很有收获。 GE作为海外的增材制造厂商进入中国本土市场,在价格和服务上,与中国本土的金属3D打印厂商有较多的差异性。行业正在快速发展,从GE的生态系统建设中得到启示和思考,对于企业能力不足可以采用收购的方式去建立生态系统。

用增材制造工艺生产的轮胎模具

    百年库卡,工业4.0的先锋者

    在KUKA装配车间,人机协作工业机器人装配线:一个巨大机器人名叫TITAN机器人,本体重量4.6吨,载重1300KG;TITAN通过导轨在中央进行物料和夹具的搬运,装配线中有设置专用库位进行夹具放置进行夹具的转换,小型的机器人负责涂胶,两侧的工作台有两个工位,两个部件装配好之后,工作台进行转位,后道工序有工人协作完成,此装配线可以执行180种零件做组装作业。
 

TITAN重载型机器人

    两台KUKA协作机器人LBR iiwa和一个小型压力机组织组成的部件组装单元进行组装作业,零部件都在非常窄小的空间放置,由两台LBR iiwa机器人进行零部件分拣与放置,再由压力机进行自动装配,实现机器人之间协作装配。而对于LBR iiwa机器人,它具有7个模块化的旋转关节,使得机器臂非常灵活,能够绕过障碍到达目标地点;LBR iiwa 的 7 个轴上均装有整体式的力矩传感器,采用了安全技术,它能够对轻微的外力做出反应,并具有安全碰撞保护功能。当发生意外接触时,LBR iiwa 会立即把运动速度降下来,从而把动能限制在可避免伤害的范围内。
 

LBR iiwa机器人

    随着LBR iiwa的到来,轻量级机器人可以进行精细化的装配工作,安全栅栏为人类和机器人在工作区的合作让路。从KUKA Connect平台架构和实现功能来看,库卡的战略十分明确,通过库卡自己搭建的云平台,可以将库卡的机器人以及相关的工业产品接入进来,实现对设备状态的实时监控,进而对机器人的状态和性能进行分析和优化,提供预测性维护服务。KUKA机器人使用开放、最广泛的Java语言编程,说明它不仅仅是机械产品,更是趋向是一件软件产品,旨在KUKA公司转向软件化、互联化的企业。

考察团成员在库卡公司合影

    CADENAS:三维零件数据库-沟通产品设计与制造的桥梁

    CADENAS的软件系统帮助设计师找到已设计过的相似产品,从而帮助企业避免重复设计,控制物料的增长,实现设计重用,降低成本。据介绍,工程师经常选用的top 50零部件生产商中近70%都采用CADENAS的eCATALOGsolutions作为他们产品目录的解决方案。

    CADENAS制作的电子样本是业界第一个可以“用”起来的产品目录,他可以以原始(Native)格式接驳于使用者的CAD系统,无论是CATIA、Pro/E还是SOLIDWORKS,全球主流的2D/3D-CAD系统都可以被兼容。这些直接用于CAD平台的样本,无须工程师自行建模,导入的模型可直接用于CAD下的装配和使用。

    在产品设计时,工程师可以从多个制造商认证的产品目录中获取更多的标准件和外购件模型数据。所需的零部件能通过多种智能搜索方式被轻易找到并随时可用。随后工程师只需单击鼠标,即可将所需的工程数据传输到CAD系统中。这不仅实用,最重要的是节省了大量的时间。CADENAS为整机厂提供了一个类似于Google、百度一样的搜索引擎,只不过搜索的是三维模型。

    在产品设计中选择零部件和供应商时,工程师在很大程度上发挥着不可替代的作用。在大量可选项中, 如果哪家供应商提供完整的产品数据并便于调用到其设计平台中, 那么这些供应商成为潜在供应商的机会就大大增加。CADENAS的解决方案帮助制造业建立了数字化的价值链,大大提高了上下游企业之间的协作效率。
 

CADENAS工作人员向考察团介绍CADENAS的相关产品以及应用场景

    通快集团:演绎数控机床与激光装备的“速度与激情”

    通快集团是全球最大的激光装备制造企业,在柔性板材加工和工业激光领域处于世界领先地位。

    通快集团的机床产品主要包括激光切割机、冲裁和复合加工设备、折弯机、切管机等,此外提供各种工艺的自动化方案、技术服务、激光焊接设备、软件和智能工厂解决方案。通快集团的激光器产品主要包括大功率的二氧化碳激光器和固体激光器、三维激光加工系统、固体激光器、激光打标机,也提供3D打印系统、用于极紫外光刻的激光器、用于工业应用的高频发生器、用于激发二氧化碳激光的高频发生器。其中固体激光器主要有碟片式激光器、光纤激光器、二极管激光器、脉冲激光器等。通快集团非常注重研发的投入,每年的研发投入占到销售额的10%,而且公司内部组织结构相对灵活,公司的每个人都有可能成为研发人员,为公司贡献自己的智慧,这点非常值得中国装备制造业企业学习。
 

通快工作人员向考察团成员介绍激光焊接产品


工作人员现场演示通快折弯机

    通快集团的高端激光切割机床加工效率超过普通机床的三倍以上,可以实现不同厚度、不同材料的切割,切割零件的表面光洁度好。激光源可以实现多台设备共享,并实现不同管材的三维激光切割和焊接。通快集团的冲裁机床可以实现在一台机床上完成工件所有的加工工序,因而能够胜任复杂的三维钣金加工。
 
数控激光焊接设备

    考察团成员还参观了通快的钣金加工、二氧化碳激光器和机加工车间。通快在推进工业4.0的过程中,非常强调设备互联。考察团成员在车间现场看到,通快自主开发的设备监控平台,对每一台设备的实时状态和OEE都可以一目了然。机加工车间也建立了柔性制造单元,五台加工中心可以全自动加工机械零件,体现了较高的自动化生产水平。

    九十多年的发展,通快似乎只在做一件事情,就是如何更加广泛和更高效的利用激光和机床设备,中国制造企业不仅要学习德国制造的先进技术和工艺,还有对企业文化价值的传承和对行业的专注,这种平心静气、不急功近利的心态值得中国制造企业思考和学习。

    探秘全球知名物流装备企业Kardex Remstar

    作为全球知名的物流装备企业,Kardex Remstar生产的计算机操控仓储和备货系统得到了大量、广泛的应用,在全球已经成功安装了14万个以上的系统,这些都是根据客户的需求和最新市场要求定制的解决方案。

    众多行业的客户使用Kardex Remstar的解决方案以更加简单和清晰明了的方式管理他们的内部物流程序,同时节省了空间并减少流程成本。Kardex Remstar的客户来自世界范围内的各行各业,例如汽车,电子,化工/制药,零售,机械工程以及医疗健康行业等。随着现代信息技术和物联网技术的突飞猛进,Kardex Remstar自动化仓储设备的运作能够与互联网以及仓储管理软件相结合, 不仅为客户提供自动化仓储设备,而且还能为客户量身定制相应的自动化仓储物流解决方案。

    在工作人员的带领下,考察团参观了Kardex Remstar的钣金加工、喷涂和控制柜生产车间,观摩了三种不同类型的控制柜的演示。

    钣金车间大量应用了通快的全自动钣金冲压生产线和折弯设备,由于高度的自动化,现场的操作工数量很少。与传统的手工作业相比,高端冲床的运用,无论是在生产率、加工安全性还是灵活度方面,都具备较强的优势,同时其个性化的自动化系统确保了多样化的应用可能,增加了产品生产的柔性,这点对于像Kardex Remstar这种产品多元化的企业而言优势尤为突出。除了注重生产过程的自动化之外,对于加工余料的处理,Kardex Remstar也做得很好。考察团员在现场看到,钣金车间有一个余料回收系统。每台冲压设备产生的多余的废料,并不是随意丢弃,而是掉落在位于机台一侧的输送带上,再通过设置在位于走道下方的板式输送带进行汇总收集。

    冲压和折弯好的部件,通过悬挂式输送系统运输到喷涂车间。喷涂车间建立了喷涂自动线,采用了喷塑工艺给部件涂上颜色和保护层。现场共有两条喷涂线,通过悬挂输送系统的分叉导轨可以控制部件被分配到哪条线进行喷涂作业。考察团成员对喷塑工艺产生了浓厚的兴趣。据现场工作人员介绍,喷塑工艺的原理用静电喷粉设备(静电喷塑机)把粉末涂料喷涂到工件的表面,在静电作用下,粉末会均匀的吸附于工件表面,形成粉状的涂层;粉状涂层经过高温烘烤流平固化,变成效果各异(粉末涂料的不同种类效果)的最终涂层;喷涂效果在机械强度、附着力、耐腐蚀、耐老化等方面优于喷漆工艺,成本也在同效果的喷漆之下。

    Kardex Remstar的货柜完全按订单生产,生产好的产品将零部件拆分打包,再通过物流发送到客户现场,由工程师在现场进行安装和调试。考察团成员对Kardex Remstar的产品表示了浓厚的兴趣和合作意向。

    自动化仓储设备是物资流通的关键环节,在物资分拣与配送环节中更是担负着重要作用。在发达国家中“建库就必建自动化仓库”已成必然。随着近几年 “工业4.0”与“中国制造2025”等相关理念的不断深入,工业自动化迅猛发展对智能物流的要求也逐渐增强。Kardex Remstar以坚持德国制造的品质和优质高效的客户服务赢得了众多客户的信任与支持,值得中国制造企业学习。

考察团成员在Kardex Remstar合影

    威图(RITTAL):从智能设计到智能工厂的完美实践

    考察团在现场工作人员的带领下参观了配电柜的生产过程,威图工厂现场极其震撼。在厂区,大量使用工业机器人,体现了很高的自动化水平。

现场工作人员带领考察团成员参观威图工厂

    威图配电柜的生产过程与汽车生产类似,大体上包含了四大工艺,即冲压、焊装、涂装、总装。威图工厂将配电柜的生产过程不断流程化、标准化,对于标准型产品,生产的自动化率很高。为了符合配电柜零组件的生产要求,工程技术人员对加工设备也进行了优化和改进,有不少自动化设备是威图自行设计制造的,让考察团大开眼界。同时威图对产品性能和质量精益求精的态度,给考察团成员留下了深刻的印象。
    
    在机柜框架和门板的制造过程中,数控机床的运用大大提高了工作效率和精准度。威图工厂采用了激光切割与冲压复合的全自动生产线,将板材中多余的部分冲压以及切割掉。在折弯工序中,通过冷弯成型工艺(Cold roll forming)对框架进行折弯,效率非常高。考察团成员在现场看到,利用折弯设备对工件进行连续的14次折弯,最终一次成型,十分神奇。这种连续折弯的工艺,特别适合复杂的结构件加工,保证了在一个工作站点就能一次成型,省去了不必要的搬运和上下料环节,并大幅提升了框架的承重能力。

    在焊接环节,威图工厂使用了几十台机器人进行点焊和激光焊接;对于焊接完成的部件,需要对焊接效果进行检测。对于焊接不到位的情况,采用人工进行补焊,杜绝不良品流到下一道工序。

    厂内物流环节采用大量的悬挂式输送系统,不仅提高了效率,还避免了特殊的加工环境对员工身体的损坏。机柜的主体框架在焊接完成之后,采用吊挂系统输送到下一工作中心进行喷涂作业。喷涂环节通过粉末静电喷涂工艺进行表面处理,粉末使用率达到97%,浪费很小。

    配电柜的装配环节并不是一味追求无人化,而是工厂采取人机结合的方式,具备较大的柔性。对于大批量标准零部件,采用机器设备进行安装。对于不便于机器作业的组件,特别是需要人工进行辨别的,采取的是人工的方式。

    在参观完之后,有考察团成员表示:威图工厂这种并非一味追求无人化和少人化,而是根据实际情况,灵活变通,在保证效率的同时合理控制投入成本的理念,非常值得国内企业借鉴。

    威图物流中心:高效的仓储配送系统,现代物流的典范

    考察团成员参观了威图的物流中心。物流中心采用全自动立体仓库和人工货架配合使用的方式,增加产品出入库的柔性,并不是全部使用自动化立体库。

    标准化件主要采用立体存储的方式,最大的立体库有32米高、38米宽、110米长,有8500个标准货位。非标准件放置在一个快速出入库区域,同时将周转率较高的产品放置在离出货口较近的货架上,这样可以节省出入库时间。

    由于物流中心的高效运转,威图能够实现在全德国境内,客户下单24小时之内,完成配送。目前,威图正在把快速配送服务延伸到其它欧洲国家和中国。
 

考察团成员在威图物流中心外合影

    威图/eplan联合创新中心:智能设计与智能制造一体化的精彩呈现

    在威图(RITTAL)/EPLAN联合创新中心,考察团成员领略到了威图先进的创新理念以及对新技术执着追求的精神。

 威图展示的配电柜

    EPLAN是全球电气设计软件的领军企业设计平台,包括电气设计、流体设计、仪表设计、机械设计(如机柜设计)等。威图和EPLAN两个企业同属的一个集团公司,联合建立了一个展示控制柜制造过程的智能工厂,展示了控制柜从数字化设计、制造到装配的全过程,体现了工业4.0的理念。创新中心的负责人向考察团一行演示了一个威图电器柜的配置过程,以及EPLAN的软件系统如何进行威图的电控柜的设计与仿真原理。

    在威图电器柜配置的案例中,设计和仿真过程穿插使用了Eplan软件套件中的五种软件(包括:Eplan Electric P8、Eplan Engineering configuration、Eplan Data Portal、Eplan Pro Panel、Eplan Plattform),生动诠释了EPLAN的几个软件系统如何以“电气柜数字模型“为核心进行交互工作的。

利用EPLAN软件进行威图电控柜的设计与仿真

    创新中心还展示了威图提供的各种自动化和半自动的专用设备,进行线缆的剪切、压线、配线、打标等工序,还展示了利用增强现实技术来帮助工人进行准确接线的应用。
 
现场人员介绍各种自动化和半自动的专用设备

    利用EPLAN软件smart wiring 、AR辅助接线,将来可代替人员来接线的自动化设备。电控柜及配电柜的配线、接线工作一直以来存在耗费工时多,熟练接线工培养慢(需看懂复杂的原理图及接线图)的问题,有了EPLAN软件及该软件可以直接驱动的自动化设备,则可大幅提高效率及降低人工成本。
    

AR辅助插线

 
全自动接线机

   威图创新中心展示的案例充分体现了工业4.0的理念,即大批量定制、数字化设计与数字化制造一体化、数据驱动,以及在生产和装配应用AR(增强现实)等新兴技术。

    威图全球总部:超越自我,追求极致的产品体验

    在威图总部的展示中心,考察团成员观摩了威图机柜在IT、通信、能源、食品饮料等各个行业的应用,以及威图的各种新产品。

考察团成员观看企业宣传片
 

    现场展示了各种各样精益求精的机柜

    考察团成员在现场见到许多设计新颖,外形精致的配电柜产品,纷纷表示大开眼界。工业品也能做成工艺品和奢侈品,威图追求产品极致的精神值得称赞,正如他们宣传片所说“我们最大的竞争对手就是我们自己。”

    后记
    
    至此,“2018秋季第九届德国工业4.0考察”圆满结束。德国企业几十年、甚至上百年始终坚持在同一领域,对公司的产品和服务不断进行改进和自我完善,最终实现一种达到自身要求的极致体验。“务实与执着”是本次考察德国企业带给我们的最深体会,也是德国制造的精髓所在。德国企业不仅仅是把生产经营当成盈利的手段,而是追求一种对工作执着、对所做的事情和产品精益求精、精雕细琢的态度。在这个瞬息万变的现代社会,需要制造匠人耐得住寂寞,不哗众取宠,始终忠于自己的内心,工于匠心,止于至善。本次考察,获益良多。

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