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智能辅助工具在汽车制造的应用

编译 | 李建

参观世界上任何一家汽车制造厂, 绝大多数的生产设备都是相似的——这 是福特在土耳其的Golcuk 和 Yenikoy工厂的负责人、福特Otosan新项目 的助理总经理 Cem Temel 的观点。 他若有所思地说:“油漆车间将由杜尔 (Durr)、库卡 (Kuka) 或 ABB 的机器人, 以及西门子 (Siemens) 的操作系统提供。”

他认为,工厂之间的真正区别在于 工人和技术用于优化环境的方式。其中 一个最明显、应用最广泛的方法是使用 可穿戴设备,一些公司正在测试一种新设备,这种设备可能很快就会在世界各 地的汽车制造厂推出。

可穿戴的工具

现代(Hyundai)背心外骨骼(H-VEX) 技术目前正在接受韩国 OEM 及其姊妹公司起亚 (Kia) 的测试,希望能在北美各地的工厂中使用。根据现代 汽车的说法,它通过“当使用者的手臂 在头顶上使用时,增加60kg的力量” 来帮助工人。“这个想法是为了减轻工人颈部和背部的压力,减少受伤的机会, 同时提高工作效率。”

现代战略与技术部门执行副总裁、 首席创新官池永秋 (Youngcho Chi) 表 示,“机器人领域有潜力在我们的行业 中开创一个新时代。这项技术的可能性 是无限的——从未来的移动解决方案和工业生产力辅助到重要的军事应用,我 们认为机器人的未来会更好。现代汽车 集团内部的巨大集体经验将促进未来几 年的快速发展。我们对目前的发展感到 兴奋,对利用这项技术改善全球人民的 生活感到非常乐观。

现代公司表示,该公司还在开发多 种其他人体工程学技术,并在2017年8月展示了首款无座椅外骨骼 (H-CEX) 设备。该装置固定在用户的腰部、大腿和膝盖上,使其更容易采取坐姿。它重 1.6kg,能承受150kg。它也有三个不 同的角度设置,让工人自己的位置适当。H-CEX 技术目前也在该公司的北美工厂进行测试。

跟踪运动

福特目前还在西班牙瓦伦西亚的 发动机装配厂试用配备身体追踪技术的 可穿戴西装,该公司在那里生产 2.0L EcoBoost Duratec 发动机。从这些 太空服中获得的数据正被用于设计工作站,使它们的物理压力更小,效率更高。

福特巴伦西亚发动机装配厂生产区 经理哈维尔·吉斯伯特表示:“运动领 域已经证明,通过运动跟踪技术,对运 动方式的微小调整可以带来巨大好处。 对我们的员工来说,使用类似技术对工 作领域进行的改变,最终可以确保即使 在漫长的一天中,他们也能舒适地工作。”

宇航服上有 15 个光传感器,这些 光传感器与无线探测装置相连,同时在 工作人员附近放置了 4 个运动跟踪摄 像机。对员工进行了多种测量,如头 颈运动和手臂伸展。福特表示,目前 正在考虑在欧洲的其他制造工厂使用 这项技术。该公司最近投资了罗马尼 亚的 Craiova 工厂,并开始在俄罗斯 的 Naberezhenye Chelny 工厂建造 EcoSport。

另一家希望通过使用追踪技术改善工作环境的公司是 Tobii Pro。该公司 的可穿戴眼球跟踪解决方案可以帮助工 人在汽车制造过程的不同阶段,如油漆 车间。

Tobii Pro Insights 的高级研究开发人员迈克·巴特尔 (Mike Bartel) 解释称 :“使用 Pro Glasses 2,我们能够测量人们在汽车上线时的视线。从这里我们可以做一些事情。首先,我们能 够为眼球运动模式创建一套最佳实践,这与在这项特定工作中的良好表现相 关。然后我们就可以训练人们将这种行 为模式作为他们的学习过程。”

该公司的一个客户(一家日本汽车 制造商)报告说,在他们的生产过程中 实施眼动跟踪后,视觉检查错误减少了。此外,Bartel 建议这项技术可以用来减 少培训工人的时间。

现代汽车的无座椅外骨骼设备正在北美工厂和起亚的多家工厂进行测试


福特 (Ford) 希望利用从西班牙瓦伦西亚 (Valencia) 发动机装配厂工人收集的数据,改进工作站设计

协作机器人

宝马 (BMW) 是另一家最近在其 工厂增加工人辅助技术使用数量的公 司。2013 年 9 月,作为与麻省理工学 院 (MIT) 合作研究的一部分,该公司首 次在美国斯帕坦堡工厂使用协作机器人 (co-bots)。这些都是由通用机器人制 造的,用于 X3 的门内隔音和防潮。

三年后,这家德国 OEM 在德国的 Dingolfing 工厂安装了一款来自库卡的 LBR iiwa 轻型机器人。这就完成了前 桥变速箱的吊装差速箱的重复性工作。 这些箱子的重量可达 5.5 公斤,装配精 度要求很高,体力劳动者很难做到。

Kuka 公司负责先进技术解决方案的副总裁 Henning Borkeloh 向 AMS 解释说 :“在合适的位置安装这个巨大 的差速箱是一项非常微妙的任务。在啮 合齿轮时,敏感齿侧不能被碰撞损坏。 其中一个挑战是必须组装的不同部件重 量的变化。基本上,我们必须找到正确 的参数来调整机器人的扭矩灵敏度,以 适应各种要求。”

宝马 (BMW) 目前正在其丁格尔芬 (Dingolfing) 工厂的几个区域使用合作 机器人。轻型机器人在安装到汽车上之 前,会先在窗户上涂上粘合剂,而另一 组装有传感器的机器人则会在车身被送 到油漆店之前,自动检查并帮助检查白色车身。

由于近年来的试验表现良好,宝马 表示希望在其全球工厂部署更多的合作 机器人。其他汽车制造商也表达了类似 的计划,供应商也参与了行动。

西班牙钢铁制造商 Gestamp 目前 正与谷歌的研发部门谷歌 X 合作,研究 合作机器人如何帮助该公司简化其主要 用于制造底盘部件的庞大焊接操作。这 是美国项目的早期阶段,但目标是让合 作机器人通过传感器进行交流,这样它 们就可以迅速更换工作。

Gestamp 的首席信息官帕布罗·德 拉朋特 (Pablo De La Puente) 告诉 AMS 说“例如我想让这个机器人为通用、奥迪和福特制造这部分。这只有在机器人协同工作并理解它们必须采取哪 些步骤的情况下才能奏效。如果不停止 机器人,不花几天时间重新编程,你现 在就无法做到这一点。”

随着越来越多的公司在生产线 上进行测试和部署,合作机器人的 市场将显著增长。根据市场研究公 司 Marketsand Markets 的数据,到 2025 年,联合 Bot 市场的估值预计将 达到 120 亿美元,标志着 2017 年至 2025 年的复合年增长率 (CAGR) 将超 过 50%。

超越现实

除了使用协同机器人,宝马一直在 探索的另一个领域是虚拟现实,以改善 员工的工作环境。尽管福特利用人体追 踪服获得的数据来增强工作站设计,但 这家德国 OEM 制造商在生产线和工作 站建成之前,正使用软件将其可视化。 然后,他们可以测试虚拟线路,并确保 它们是有效的和工作友好的。

在 3 系列产品在慕尼黑生产之前, OEM 使用一个虚拟现实系统来布置每 个单独的工作站。马提亚斯·辛德勒 (Matthias Schindler) 在宝马负责虚拟 计划和生产实现,他提供了见解。

他说,“虚拟现实技术使我们能够 快速高效地建立驾驶舱预装配工作站。 不再需要按实际尺寸复制工作站的耗时 试用安装。所有相关的专家——从物流 专家到系统规划人员再到生产员工—— 都能在早期阶段轻松地交流想法,这对 团队来说是一个重要的额外好处。总体 而言,我们更加透明、灵活和快速。”

雷诺卡车公司希望利用“混合现实”技术帮助工人组装发动机

这之所以成为可能,是因为宝马 多年来一直在收集其现有生产设施的数 据。3D 扫描仪和高分辨率相机一直在 收集工作站布局的毫米精度信息。

虚拟现实也被用于指导生产线上的 工人。雷诺卡车 (Renault Trucks) 的 一个研究小组一直在研究“混合现实” 技术对这家重型汽车制造商发动机制造 业务的潜在好处。在法国里昂雷诺卡车 发动机工厂,20 多人的团队与虚拟现实 和增强现实专家的合作,设计了一个原 型系统,在质量控制过程中使用全息技术。

当增强现实技术在屏幕上显示时, 它将信息在真实图像上进行置换,而混 合现实技术将虚拟对象以全息图的形式 添加到真实环境中,用户可以与之交互。 雷诺卡车项目工程师伯特兰·菲利克斯 (Bertrand Felix) 解释称 :“实际上,质 量控制运营商将佩戴微软 HoloLens 智 能眼镜,所有数字化引擎部件都将集成 在这款眼镜中。通过眼镜和混合现实界面,操作者将看到决策指令,指导他们 通过最复杂的控制操作。目前,控制点 的操作人员仍在使用纸质指令。”

数字化和叠加在实际发动机上的发 动机部件可以单独查看,指导操作者通 过质量过程阶段。操作人员无需动手, 可以提供各种信息片段,如汇编指令。 雷诺卡车公司表示,这项技术降低 了汽车的量产质量控制,并对其进行了 改进。它还能将操作者的认知负荷降至 最低,并有助于加速他们的训练。第一 阶段测试于 2018 年 1 月开始,第二阶 段的其他应用包括协助组装或维修。雷诺卡车 (Renault Trucks) 为自己设定 了一个目标 : 开发一种无纸化、数字化 的制造工艺,希望到 2020 年在其工厂 推出混合现实原型车。

再深入一步

一些汽车制造商正在探索生产数字 复制生产线的好处。这些可以用于帮助 工厂的设计阶段,以及确定提高效率和最小化停机时间的方法。

西门子的Tecnomatix投资组合 允许公司设计、开发和改进他们的工厂。西门子 PLM软件公司负责汽车和 运输战略的副总裁 Dave Lauzun解释说 :“他们可以创造工厂的完全数字孪生兄弟,包括生产线布局、设备操作、物流,甚至人力操作。”

西门子还拥有一个基于云的操作系统,帮助连接工厂内部的机器和设备,使它们能够相互通信,并更有效地运行。它还允许用户从设备上收集和分析数据。

Lauzun 补充说,这些工具也可以 对人类工人和他们的环境产生影响:“我 们可以对人机交互进行精确建模,以评 估人类工人的最佳解决方案。一个特别 有趣的趋势是协作机器人,在这种情况 下,人类和机器人可以无缝、紧密地交 互,以完成预期的任务。西门子拥有创 造机器人和人类的数字双胞胎的工具, 因此我们可以创造最佳的合作。”

制造业务集团西门子PLMSoftware的董事托德·本特森认为,有许多不同的趋势将对未来的汽车制造产生巨大影响。他列举了增材制造技术的使用、人机合作的增加以及虚拟现实和增强现实技术的结合等潜在因素。他预测:“在善用生产数据方面,改善生产数据的挖掘,以及把这些数据转换成有用的信息,将有助公司提高质素、灵活性和使用率。”



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