工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)歷了從機械傳動(dòng)到電氣傳動(dòng)，從單機到產(chǎn)線(xiàn)不斷發(fā)展的過(guò)程，這其中不僅包含了機械設計的變化、電氣從總線(xiàn)邏輯到復雜運動(dòng)與機器人的集成，并且也包含著(zhù)運營(yíng)管理如精益方面的提升，當然，更為關(guān)鍵的在于每個(gè)垂直的行業(yè)，都有其自身的行業(yè)工藝的集成。

今天，一個(gè)手機的生產(chǎn)已經(jīng)涵蓋了注塑、鈑金、電子、包裝、機器人、物流、仿真、軟件、信息管理、人工智能的所有復雜工程的集成，產(chǎn)線(xiàn)不斷地變得復雜。

1　什么是制造創(chuàng )新的關(guān)鍵？

正是用于制造的產(chǎn)線(xiàn)變得更為復雜，而且客戶(hù)的需求也變得更為個(gè)性化，才需要借助技術(shù)的不斷創(chuàng )新來(lái)解決這些復雜的問(wèn)題。

（1）制造的本質(zhì)問(wèn)題

對于制造業(yè)而言，質(zhì)量、成本、交付這三個(gè)問(wèn)題從來(lái)都沒(méi)有改變，因此，無(wú)論我們多么復雜的生產(chǎn)與制造，都必須圍繞這幾個(gè)問(wèn)題來(lái)解決，當然，對于智能時(shí)代，產(chǎn)品的變化使得“靈活性”或生產(chǎn)的柔性有著(zhù)極為迫切的需求。

（2）約束條件下的復雜過(guò)程

制造創(chuàng )新的難點(diǎn)在哪里？讓我們進(jìn)入生產(chǎn)的場(chǎng)景，每個(gè)手機的生產(chǎn)需要數百個(gè)工序，每個(gè)工序里被加工產(chǎn)品的物理對象進(jìn)行各種加工時(shí)所需的定位、電機的扭矩輸出、速度、加速度、機械的彈性變形，每個(gè)工序中細分的流程，這些每個(gè)因素都會(huì )影響整個(gè)生產(chǎn)的過(guò)程，而如何能夠在這個(gè)約束條件下尋找最優(yōu)的參數、流程、材料是制造過(guò)程創(chuàng )新持續發(fā)展的關(guān)鍵。

每個(gè)細微的進(jìn)步都會(huì )讓生產(chǎn)更具性?xún)r(jià)比，也讓企業(yè)更具競爭力。

2　傳統的產(chǎn)線(xiàn)設計存在哪些問(wèn)題？

在柔性制造的產(chǎn)線(xiàn)設計中，輸送系統是其中非常關(guān)鍵的一環(huán)，因為“協(xié)同”必須通過(guò)物理的產(chǎn)線(xiàn)連接來(lái)實(shí)現，不僅是物理的機械連接，也包括數據的通信連接，而傳統的生產(chǎn)輸送則存在以下一些問(wèn)題：

（1）機械磨損：采用機械鏈條、磨損會(huì )造成需要經(jīng)常性的維護，并且會(huì )影響傳動(dòng)精度；而且，這也會(huì )帶來(lái)較大額度噪音，由于機械的復雜，會(huì )讓維修也變得復雜，耗費較多的維修等待時(shí)間，產(chǎn)線(xiàn)OEE下降。

（2）工作站間位置不能靈活變動(dòng)：重新的機械調整需要花費較多的時(shí)間調校。

（3）缺乏數據溝通&設備協(xié)調難度高：無(wú)法與控制系統、生產(chǎn)系統進(jìn)行數據交互。

（4）產(chǎn)品換型周期長(cháng)：每次調整產(chǎn)線(xiàn)需要進(jìn)行拆裝，重組，花費較多的時(shí)間。

（5）生產(chǎn)流程復雜：輸送、上料、加工、下料過(guò)程復雜，尤其對于加工工序較多的生產(chǎn)而言，非有效加工時(shí)間占比較大，這會(huì )造成生產(chǎn)節拍較長(cháng)。

圖1 傳統產(chǎn)線(xiàn)輸送存在的問(wèn)題

3 柔性電驅輸送系統

柔性電驅輸送系統的原理如圖2所示。

在直線(xiàn)軌道上（由線(xiàn)圈組構成），動(dòng)子滑塊可以在X軸方向移動(dòng)，而這個(gè)軌道也可以為直線(xiàn)、彎道各種形式，可以構成不同的產(chǎn)線(xiàn)形式。

圖2 柔性電驅輸送系統的原理簡(jiǎn)介

由于軌道后的線(xiàn)圈會(huì )產(chǎn)生磁力，與滑塊的永磁體產(chǎn)生水平方向的排斥力推動(dòng)滑塊的運動(dòng)——這與伺服電機原理一致，只是這個(gè)是切開(kāi)的伺服電機，而且，與普通直線(xiàn)電機不同在于它的滑塊數量是非常多的，由貝加萊提供的SuperTrak軌道最大可以達到50米長(cháng)，而滑塊間距可以在200cm左右分布，而最新的ACOPOStrak已經(jīng)規劃的單個(gè)項目可以達到320米長(cháng)度，500個(gè)滑塊，滑塊最小間距50mm。

圖3 ACOPOStrak構成的產(chǎn)線(xiàn)圖

由于“變軌過(guò)程”是電磁方式實(shí)現，因此，變軌過(guò)程中不會(huì )造成傳統機械一樣的磨損，而通過(guò)電磁系統，也可以將產(chǎn)線(xiàn)的位置等數據進(jìn)行反饋，這些都是它之所以被研發(fā)的原因。

在圖3中，小型的軌道可以像F1一樣形成一個(gè)“維修站”，當有次品被剔除的時(shí)候可以到這個(gè)地方，并且這個(gè)“維修站”還可以作為更換工裝夾具的地方，甚至進(jìn)行維修，即維修和更換夾具并不影響當前生產(chǎn)。

圖4 ACOPOStrak實(shí)物圖

4　為什么說(shuō)柔性電驅是革命性的設計？

柔性電驅輸送系統SuperTrak和ACOPOStrak是為了解決生產(chǎn)制程中傳統產(chǎn)線(xiàn)的問(wèn)題而設計，兼具非常多的特性，使得它具有真正“革命性”的產(chǎn)線(xiàn)設計能力。

（1）數字孿生

圖5 ACOPOStrak實(shí)現的數字孿生

ACOPOStrak是典型機電一體化設計，可以實(shí)現“Digital Twin”，即在數字化設計與物理對象之間的交互，通過(guò)建模仿真實(shí)現對產(chǎn)線(xiàn)的驗證，并可直接下載到物理對象的控制器中運行，而物理對象的運行過(guò)程可以實(shí)時(shí)在虛擬環(huán)境中數字化呈現，并可以被調整，實(shí)現數字與物理對象間的實(shí)時(shí)交互。

數字孿生帶來(lái)的好處在于：

① 可以預先做產(chǎn)線(xiàn)規劃與驗證：在項目未進(jìn)入安裝之前即可驗證其可行性；

② 虛擬調試：在虛擬環(huán)境中對控制邏輯、同步關(guān)系進(jìn)行調試；

③ 變更工藝中的驗證：當發(fā)生產(chǎn)線(xiàn)調整時(shí)，可以在線(xiàn)驗證工藝。

（2）人-機協(xié)同中的安全

由于人具有柔性，但在很多時(shí)候機器未必具有，但機器更擅長(cháng)精準、高頻率高速響應的任務(wù)，人-機協(xié)作本身就是制造產(chǎn)線(xiàn)創(chuàng )新的一個(gè)趨勢，但這里安全技術(shù)扮演非常重要的角色。

圖6 人-機協(xié)同中扮演重要角色

在機器人系統中，協(xié)同機器人安全規范IEC1566和ISO-10218都是針對機器人與人機協(xié)作的安全標準，而貝加萊的ACOPOStrak驅動(dòng)系統、X20控制器、ABB的機器人均具有滿(mǎn)足功能安全的能力。

例如SLS@TCP，可以為機器人的TCP提供安全限速，當有人進(jìn)入工作區域，系統降低速度避免對人體的傷害而同時(shí)卻不會(huì )破壞產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的連續性，當然包括SMS、SDI等非常多的安全功能都可以被用于保護人身的安全，同時(shí)平衡產(chǎn)線(xiàn)的OEE較高水平。

（3）自由的產(chǎn)線(xiàn)組合

SuperTrak和ACOPOStrak可以實(shí)現產(chǎn)線(xiàn)的任意組合，達到最大的產(chǎn)線(xiàn)靈活性，一方面是產(chǎn)線(xiàn)本身規劃的靈活性，當然，最重要的是第二個(gè)靈活性：產(chǎn)品個(gè)性化定制方面的靈活性。

圖7 各種形狀的軌道設計

圖8 先進(jìn)的分流匯流技術(shù)

哪些場(chǎng)景需要匯流分流？

舉兩個(gè)簡(jiǎn)單例子：

·食品飲料包裝線(xiàn)

如果你有6個(gè)不同顏色的飲料，來(lái)自不同的產(chǎn)線(xiàn)，可以匯流至一個(gè)產(chǎn)線(xiàn)包裝，成為個(gè)性化定制的一箱飲料。

如果你有1個(gè)產(chǎn)線(xiàn)速度非常高的灌裝機，但后道二次包裝是瓶頸，那么可以設計為一個(gè)灌裝線(xiàn)的產(chǎn)品分流到6個(gè)不同的二次包裝線(xiàn)。

·電子產(chǎn)品組裝

來(lái)自不同產(chǎn)線(xiàn)的零配件匯流到一個(gè)產(chǎn)線(xiàn)，并在主軌道上按次序進(jìn)行生產(chǎn)，那么就可以由非常多的軌道分別進(jìn)行匯流生產(chǎn)。

圖9 靈活的產(chǎn)線(xiàn)規劃與組織

貝加萊的SuperTrak/ACOPOStrak代表著(zhù)新一代的智能產(chǎn)線(xiàn)設計邁向全數字化、真正的柔性協(xié)同，機械、電氣、軟件、工藝被緊密的集成，以達到最大的生產(chǎn)柔性。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年1月刊