智能工廠中實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線規(guī)劃要點(diǎn)

智能工廠正在成為制造業(yè)聚焦的熱點(diǎn)話(huà)題，就目標(biāo)而言，智能工廠要解決“個(gè)性化需求”和“成本效率”不斷提升的問(wèn)題，歸結(jié)起來(lái)，主要聚焦了幾個(gè)問(wèn)題：通過(guò)MES系統(tǒng)定義智能來(lái)讓機(jī)器與自動(dòng)化生產(chǎn)線來(lái)適應(yīng)變化的需求；通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)生產(chǎn)全局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行收集并通過(guò)分析來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)效率。

無(wú)論對(duì)于“標(biāo)準(zhǔn)流水線”還是“大規(guī)模定制”而言，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力都來(lái)自于質(zhì)量、成本與交付能力，因此，對(duì)于產(chǎn)線投資者而言，穩(wěn)定的高品質(zhì)生產(chǎn)才能真正讓企業(yè)獲得生產(chǎn)的“增值”，從而長(zhǎng)期獲利。

第二個(gè)問(wèn)題容易理解，今天通過(guò)工業(yè)互聯(lián)技術(shù)，可以將原有的單機(jī)生產(chǎn)進(jìn)行連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸，但是，第一個(gè)問(wèn)題卻會(huì)遇到瓶頸，因?yàn)闄C(jī)械的“剛性”使得要獲得生產(chǎn)的“柔性”成為難點(diǎn)，產(chǎn)線在自動(dòng)化系統(tǒng)的規(guī)劃下實(shí)現(xiàn)了根據(jù)工藝建模而能夠適應(yīng)變化生產(chǎn)的能力，但，卻需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠勝任這樣的變化，那么，傳統(tǒng)的產(chǎn)線就成為了瓶頸。

評(píng)估產(chǎn)線投資效率的關(guān)鍵指標(biāo)是“OEE”，這個(gè)對(duì)于大部分人而言都極為關(guān)注，另外，產(chǎn)品上市時(shí)間和投資回報(bào)都是關(guān)鍵的評(píng)估指標(biāo)。如果我們?nèi)匀谎永m(xù)傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，那么想達(dá)到高品質(zhì)的生產(chǎn)就沒(méi)有那么容易，通過(guò)了解OEE計(jì)算的關(guān)鍵，我們可以看到OEE影響因素并結(jié)合控制工藝來(lái)分析如下幾個(gè)方面：

（1）質(zhì)量（Quality）：質(zhì)量影響包括了開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)浪費(fèi)，由于參數(shù)調(diào)校進(jìn)入穩(wěn)態(tài)有一個(gè)過(guò)程，生產(chǎn)中的浪費(fèi)，如控制效果不穩(wěn)定帶來(lái)的不良品。

（2）性能（Performance）：影響機(jī)器性能的因素包括如機(jī)械磨損帶來(lái)無(wú)法高速運(yùn)行，相當(dāng)于機(jī)器帶病運(yùn)行，效率不高。暫停也肯能因?yàn)闄C(jī)器的電氣不穩(wěn)定、干擾等都會(huì)影響性能。

（3）可用性（Availability）：對(duì)于小批量、多品種，產(chǎn)線的換型在精益中是不增值的，因此，這個(gè)環(huán)節(jié)就會(huì)降低可用性，而快速的換型才能降低這方面的損失，宕機(jī)則是因?yàn)闄C(jī)械、電氣的故障會(huì)讓生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行。

在了解了OEE這個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)“個(gè)性化”實(shí)際上對(duì)于生產(chǎn)而言，會(huì)帶來(lái)很多挑戰(zhàn)：

（1）開(kāi)機(jī)損失：如果頻繁的換型，那么，開(kāi)機(jī)浪費(fèi)就無(wú)法解決，由于訂單變小，而開(kāi)機(jī)浪費(fèi)是固定值，那么，這個(gè)就會(huì)帶來(lái)不良品率的提升，因?yàn)榉帜缸冃×恕?/span>

（2）設(shè)置與調(diào)校：因?yàn)轭l繁的換型，所需的調(diào)校時(shí)間使得設(shè)備的可用性大幅下降，原來(lái)每周更換一次模具、調(diào)校機(jī)械，對(duì)于個(gè)性化可能每天都需要數(shù)個(gè)小時(shí)，那么設(shè)備的“增值”加工時(shí)間就會(huì)變小。

而傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)線帶來(lái)的柔性瓶頸，除了換型帶來(lái)的品質(zhì)和可用性損失，傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)線還存在以下問(wèn)題：

（1）機(jī)械磨損：由于傳統(tǒng)采用機(jī)械鏈條或皮帶傳送，往往由于齒輪等的磨損會(huì)導(dǎo)致精度不足，并使得機(jī)器無(wú)法高性能運(yùn)轉(zhuǎn)，帶來(lái)了減速與維修保養(yǎng)暫停的損失。

（2）不能靈活調(diào)整：包括傳統(tǒng)傳送采用了具有低速特性不足的感應(yīng)電機(jī)，或者采用分度盤(pán)等方式的組裝加工過(guò)程，這帶來(lái)不能高速平穩(wěn)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整，尤其是分度盤(pán)由于機(jī)械慣量較大，也不易于高速的生產(chǎn)。

（3）不能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化調(diào)整：機(jī)械分度盤(pán)因?yàn)橥鶠榕考庸ざO(shè)計(jì)，其工位的間距、移動(dòng)的速度都不能輕易更具變化而調(diào)整，這就是使得對(duì)于新的生產(chǎn)往往要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，測(cè)試驗(yàn)證，這些都會(huì)使得整體產(chǎn)線的可用性不能保障。

（4）大量的緩沖區(qū)設(shè)置：由于機(jī)械輸送往往不能在產(chǎn)線間最佳的匹配，導(dǎo)致高速部分和后道需要建立緩沖區(qū)，這些緩沖區(qū)往往占用較大的工廠面積。

（5）復(fù)雜的維護(hù)：由于機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，往往需要大量經(jīng)驗(yàn)豐富的維護(hù)人員，以確保產(chǎn)線穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

綜上一些原因，機(jī)械輸送系統(tǒng)的制造產(chǎn)線無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)整，使得整個(gè)OEE較低水平，而在個(gè)性化生產(chǎn)的需求下，這些問(wèn)題更為突出。為了應(yīng)對(duì)更為個(gè)性化的生產(chǎn)需求，新一代的自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)技術(shù)，柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，柔性電驅(qū)輸送產(chǎn)線規(guī)劃采用了長(zhǎng)定子直線電機(jī)技術(shù)，滑塊裝載被加工對(duì)象運(yùn)行于軌道之上，這些與軌道采用“非接觸”的，可以理解為“磁懸浮”列車(chē)，其上的滑塊采用電磁方式，這使得動(dòng)子的間距、運(yùn)行速度、加速度可以根據(jù)軟件定義而調(diào)整，解決了柔性制造中傳統(tǒng)機(jī)械的“剛性”，使得整個(gè)產(chǎn)線變得柔性。

另外，在柔性電驅(qū)輸送自動(dòng)化生產(chǎn)線規(guī)劃中的軌道設(shè)計(jì)形式多樣，可以是多種角度的，它可以構(gòu)成非常靈活的產(chǎn)線，基于高精度的軌道機(jī)械耦合設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)“匯流”和“分流”，這往往對(duì)于下面一些場(chǎng)景特別合適：多個(gè)產(chǎn)線的產(chǎn)品混合到一個(gè)主線來(lái)組合裝配，如電子制造業(yè)，或者混合包裝如食品飲料工業(yè)；一個(gè)高速產(chǎn)線分給多個(gè)后道單元進(jìn)行分流加工，或者分道到不同的區(qū)域進(jìn)行不同的產(chǎn)品組裝或包裝；專(zhuān)用的維修站/更換夾具站：通過(guò)視覺(jué)或其它檢測(cè)方式的不良品可以被送到一個(gè)專(zhuān)用的通道進(jìn)行處理，或者，這個(gè)通道也可以作為工裝夾具更換時(shí)的工作站。

柔性電驅(qū)技術(shù)對(duì)于OEE的提升，柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng)帶來(lái)了一些顛覆式的產(chǎn)線設(shè)計(jì)，包括幾個(gè)方面對(duì)產(chǎn)線能力的提升：

（1）熱插拔：快速的更換工裝夾具，并且這個(gè)更換可以在當(dāng)前產(chǎn)線進(jìn)行時(shí)在固定區(qū)域進(jìn)行；

（2）數(shù)字孿生（Digital Twin）：這項(xiàng)技術(shù)可以讓運(yùn)行中的新的生產(chǎn)組合可以在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，即，可以在軟件中對(duì)目前的滑塊數(shù)量、速度、間距、位置、加速度/加加速度特性進(jìn)行模擬仿真，以確?？焖俚膿Q裝后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程。如圖6，數(shù)字孿生會(huì)讓產(chǎn)線的設(shè)計(jì)更為快速，降低投資風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對(duì)新產(chǎn)線進(jìn)行驗(yàn)證，這在過(guò)去是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，而由于電-磁-軟一體化，這項(xiàng)工作現(xiàn)在也變得更為容易。

（3）變軌技術(shù)：使得生產(chǎn)更為靈活的調(diào)整，這些調(diào)整僅需參數(shù)設(shè)置即可，而無(wú)需對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整，與傳統(tǒng)的分度盤(pán)、皮帶鏈條傳輸而言，這項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)為“柔性”的制造而設(shè)計(jì)。

（4）協(xié)同工作：采用電-磁-軟一體化的設(shè)計(jì)，可以使得軌道與機(jī)器人、其它工藝設(shè)備如包裝機(jī)、注塑機(jī)、貼片機(jī)等進(jìn)行協(xié)同工作，通過(guò)總線可以實(shí)現(xiàn)極高的同步。

（5）靈活調(diào)整：這些快速的滑塊調(diào)整不僅可以在虛擬環(huán)境中模擬，在現(xiàn)實(shí)中也可以隨意調(diào)整，這使得換型變得更為靈活。

綜上所述，柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng)可以為OEE帶來(lái)多個(gè)方面的提升：包括更快速的換型時(shí)間，更為可靠的生產(chǎn)品質(zhì)、更低的產(chǎn)線停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，總體而言，它會(huì)大幅度提升產(chǎn)線OEE，這就意味著，產(chǎn)線能夠在個(gè)性化較大的情況下仍然保證高品質(zhì)、低成本和快速交付能力。

縮短產(chǎn)品上市時(shí)間和投資回報(bào)，除此之外，在縮短面市時(shí)間方面，柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線也有大幅提升空間：在產(chǎn)線投入前的驗(yàn)證，如前所述，數(shù)字孿生技術(shù)可以在產(chǎn)線投入前進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并且對(duì)運(yùn)行的產(chǎn)線也可以進(jìn)行新的換型后的生產(chǎn)驗(yàn)證，這確保了投資安全，也對(duì)于傳統(tǒng)產(chǎn)線在大幅產(chǎn)品更換時(shí)的重組，帶來(lái)了投資安全。高OEE即會(huì)獲得高ROI，這就是精益的思想，一個(gè)高性能的自動(dòng)化生產(chǎn)線，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的幫您的工廠高品質(zhì)的生產(chǎn)產(chǎn)品，這就是高投資回報(bào)的產(chǎn)線。

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