未来工厂对机器视觉的需求

机器视觉56

回顾工业发展的历史,从第一次工业革命的“蒸汽时代”,到电力技术广泛应用的第二次工业革命,再到20世纪80年代以来以信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术等科学技术突破为代表的科技革命。人们惊叹于制造业的发展和生产力的进步。那么制造业的进一步发展,“未来工厂”究竟是什么样的呢?未来工厂基本上讲是更加高效、精确、快速反应和智能化的生产方式,而机器视觉技术必将成为未来工厂中不可或缺的组成部分。

机器视觉在流水线上的作用

从“传统工厂”到“精益生产”

最早的传统工厂用大规模机器生产取代了少量手工生产,用工业革命带来的新生产模式完全取代了过去手工作坊占统治地位的生产模式。蒸汽和电力等新动力的出现使生产规模增大,传送带技术的引入实现了流水线作业生产。而商品则在经过流水线的各个工位后变成成品,这就是我们所熟知的工厂生产模式。

而未来工厂的一个关键概念就是“精益生产”。“精益生产”一词源自于丰田的生产体系,它是一种运营策略,目的是通过消除浪费或是无价值的活动去获取最短的生产循环时间。未来工厂充分应用电子信息技术,精确计算工作流程中的各个环节,控制原料到货时间、统筹各种零部件的生产起止时间、控制成品产出的最佳时间,力求实现零原料存货、零等待时间、零库存。同时未来工厂分析生产过程的各个环节,快速诊断残次的产生原因、对成品进行精确等级分类、快速改进生产流程和明确组织责任,追求以提升客户满意度为目标的,更低成本、更高质量和更短生产流程。以下是“精益生产”和传统制造业的主要区别:

  1. 单件生产
  2. 准时制生产模式取代了传统的投资生产模式
  3. 较短的生产循环时间
  4. 迅速改变生产模式取代了长时间的设备更新重组
  5. 不断改变的工艺流程
  6. 不同的机器、设备、工具和人员配置模式
  7. 多技能的员工

信息技术的核心作用

未来工厂,还有其他的两个名称,即“数字工厂”和“智能工厂”。利用信息技术,未来工厂获得了比以前任何时候都更大的发展空间。IT不仅仅连接了工厂内部的所有硬件和软件,同时通过网络和客户、供应商以及其它工厂连接到了一起。

IT技术被集成在生产设备中,通过远程收集到不同工位的信息,来监控生产是否标准,生产流程是否是最优化并且被质量要求所控制。作为生产设备中的一部分,机器视觉设备也是网络化的,可以被远程控制。

IT技术不仅能够远程控制和分析工厂中设备的工作情况,更能帮助工厂建立以客户需求为导向的生产流程。在数字化工厂里,客户处于生产流程的最前端。通过因特网客户告诉工厂他们喜欢什么样式的产品,并且发出订单;而工厂则根据客户的需求对生产线上的各个环节进行必要的调整,最终生产出符合客户需求的产品。

单元式生产模式

正如前面提到的,传统工厂采用线性流水线的生产模式,而未来工厂的流水线不再是线性的,取而代之的是由一个个单元组成的。未来工厂中的单元是机器、人和材料在生产产品或产品组件时的一个特殊的集合,每个单元都对其内部的质量控制、生产安排、订单和文档管理单独负责。两个单元之间的配合是通过一个叫“Kanban”的系统来实现的,产品从一个单元进入另一个单元时“Kanban”系统会发出信号。在过去的日本工厂,“Kanban”系统曾经是一个纸卡,而在如今的IT公司中,“Kanban”系统发出的信号完全电子化了。然而无论是纸卡还是电子信号,“Kanban”系统的目的都是为了将工厂中的各个单元紧密联系到一起以进一步降低库存。作为准时制生产模式的一种形式,工件在一个小分支内的两个单元之间的传送实际上是根据客户需求来进行的。在下图中描述的就是一个单元式制造的流程图。

单元式制造流程图
单元式制造流程图

图中我们看到了3个单元,每个单元都有不同的工具配置(这些单元中的某些工具可能就是机器视觉)。单元1生产组件A,单元2生产组件B。组件A和组件B又在单元3中根据客户的订单被生产成最终产品。不同的单元生产不同的组件,因此单元式生产让产品模块化成为了可能。

产品模块化

产品模块化是产品设计的一种方法,通过将不同的模块组合来生产产品。与模块化产品相对概念是集成产品,在集成产品中,无法通过功能定义将产品分离成一个个独立组件。模块化产品和集成产品在机器视觉中对应的例子分别是PC-base系统和智能相机,后者带有或多或少的集成功能,而前者则是由各种独立组件构成的,系统中的每个组件都可以被去掉或替代。

值得注意的是,两种产品的设计理念各有优势。集成设计带来了产品小型化,而模块设计则带来了产品的多样性。但是如果模块化设计达到次级组件的水平,而次级组件的体积又是非常小的,那么模块化设计既可以带来产品多样性,又可以带来产品小型化,让这两种优势同时得到发挥。

模块化设计为什么会带来产品多样性,我们可以通过下图来分析。

模块化设计带来的产品多样性
模块化设计带来的产品多样性

假设一个产品由7个组件构成,而每个组件又有多种不同型号可供选择,理论上讲,产品的种类可以通过每个组件可能的型号数量的连乘得到。而实际上,这种多样性是受到一定的约束的,最主要的约束就在于构成产品的不同组件之间的协调性。也就是说,只有当各种组件都能完美组合到一起工作时,大量可能的产品才能被制造。保证组件之间协同工作的条件是组件的高度标准化,只有在成熟的工业中这种标准化才是可能的。比如说在PC行业,早年曾存在大量的兼容性问题,当时如果要让个人PC中的不同组件完全兼容需要付出大量的工作。而今天情况早已发生了变化,各种组件如处理器,主板和硬盘等很容易实现兼容,组成一台新电脑。

为什么产品多样性是未来工厂的一个重要指标呢?答案就是产品多样性越丰富就越能更好的满足客户的各种特殊需求。也可以这样理解,产品的多样性使大规模定制化服务成为可能,而定制化服务正是未来工厂的又一个主要特征。

大规模定制化服务

大规模定制化服务是指:以类似于标准化和大规模生产的成本和时间,提供客户特定需求的产品和服务。从大规模定制化的服务的名字就已经了解到它的优势,其核心是产品品种的多样化和定制化急剧增加,而不相应增加成本;其最大优点是提供战略优势和经济价值。

大规模定制化服务运作的模式可以这样理解:客户根据公司网站提供的构成产品的各种不同组件的不同特征列表来选购一个产品。比如说,客户在线订购了一台Dell的新笔记本电脑。客户可以根据自己的喜好来选择不同的LCD显示器,硬盘,处理器,内存,操作系统和其它相关软件等。通过下一个订单,客户给工厂发出了一个工作指令,从而让工厂的各个制造单元都根据精益生产原则和准时制生产模式运作起来。随着工作流程的快速推进,生产订单一直通过用各种电子手段监控和追踪,直到准备将最终产品直接发给用户。最终,客户收到了一个符合他特定需求的产品,而这个产品是在最短的生产循环时间和最小的成本制造出来的。最终结果是实现了客户的最大满意度:客户确切想要的产品、更快的时间、更低的价格。同时公司也获得了客户的忠诚度,稳定的产值,建立正面市场形象、并获得不断增加的销售额。简短说来,大规模定制化服务实现了客户和公司的双赢。

大规模定制化服务、精益生产、单元化制造,对信息技术的强烈依赖以及模块化设计带来的产品多样性共同构成了未来工厂的主要特征。下表给出了未来工厂与传统工厂特征的对比。

特征

传统工厂

未来工厂

原材料管理

根据客户订单确定存货量,而不是根据客户真正的需求定存货量。

当有真正需求的时候原材料才被运送到生产设备处。

工作流程

线性的装盘流水线

单元生式生产

组装线结构

相同类型的设备安放在同一个生产区域

生产某一种零件或产品所需的不同设备放置在同一个生产单元中

工人

低级,单一技能

多技能

IT技术的作用

中等

是整个生产流程的核心

管理成本

产品多样性

低(一种规格满足所有要求)

高(适应不同客户要求的定制化产品)

生产周期

更长

更短

客户反应时间

更长

更短

市场

批量市场

特殊需求市场

自动化程度

未来的工厂革命将会如何影响机器视觉工业?

了解了未来工厂的概念,我们再来看看机器视觉技术将在未来工厂中扮演什么样的角色,未来工厂又会给机器视觉行业带来怎样的发展趋势呢?机器视觉技术的使命就是确保自动化生产的产品效率和产品质量,因此我们不难做出如下预测:

1.机器视觉将在未来工厂的自动化生产进程中起到越来越重要的作用,尤其是在视觉装配引导领域。

2.机器视觉公司将会更注重未来工厂这个领域,并根据未来工厂的生产工序和流程进行市场定位和开展市场推广。

3.机器视觉公司将会越来越根据未来工厂的需求来研发和生产视觉产品。

4.机器视觉公司将会运用大规模定制生产来满足不同应用中客户的个性化需求。

5.标准化组件和兼容性,是大规模定制化生产的前提。机器视觉行业需要实现像PC行业一样组件兼容性。

6.视觉产品的网上选购。但由于机器视觉系统比笔记本电脑要复杂的多,网上选购必须建立在客户有能力进行产品选型,并仔细构建的机器视觉系统的基础上。

7.一旦组件兼容性达到较高水平,系统集成的市场将会牢牢地被几家大的系统集成商所占据,而大量小的系统集成商将会消失。

8.机器视觉产品提供商将会通过合并或战略结盟来组建成一些大的系统集成商。(这个概念就是“商务生态学”或“商务生态环境”,其中的一个著名例子就是微软和它的战略合作伙伴们)

就像上面的那些预测一样,成功的机器视觉公司将会同工厂一起进化发展,而未来工厂的发展必将会大大影响未来机器视觉行业的发展。

机器视觉的地域扩张

机器视觉技术起源于欧美国家和日本这些发达国家,并迅速地向中国印度等制造业集中的国家扩展,未来机器视觉技术将更多地影响到发展中国家,并在这些国家的工业化和经济现代化进程中起到不可忽视的作用。

起初,发展中国家以廉价劳动力在全球经济中享受到成本低廉的优势。但是这种竞争优势现在越来越难以保持,因为消费者现在不只需要商品低廉的价格,还要优异的产品质量。为实现这两个目标,发展中国家将不得不实现自动化生产,作为这一全面现代化的一部分,推广机器视觉将作为建立质量控制的一种重要手段。

对机器视觉行业的影响

机器视觉产品价值的提升

性能提高

硬件器件的高性能,和软件器件的高处理能力;

价格下降

针对应用的模块化标准化设计生产,是为了赢得竞争的关键。

小型化和集成化

更加灵活的设计,与各类生产线更加紧密的结合。

未来工厂对机器视觉的需求

从传统到精益

创造了新的视觉需求,使基于复杂二维图像信号的传感技术得到更广泛的应用。

信息技术的核心作用

要求机器视觉技术传统工业控制密切结合

单元式生产模式

更高的生产效率对

产品模块化

要求机器视觉产品模块化设计。

大规模定制化服务

复杂的信号处理,复杂的产品检测分析过程将成为未来的趋势。

机器视觉的地域扩张

新兴市场的兴起,对中国机器视觉产品和技术走向世界提供了条件,中国企业有机会在国际竞争中取胜,并成为世界范围的机器视觉顶级企业。

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