1　背景

近年來(lái)，為了精確滿(mǎn)足用戶(hù)和消費者的需求，個(gè)性化定制產(chǎn)品的需求量飛速提升。2017年習近平總書(shū) 記在十九大報告中明確指出：“深化供給側結構性改 革”。其中一項重要內容就是“提高供給結構對需求 變化的適應性和靈活性，提高全要素生產(chǎn)率”。

但當前的大批量、剛性制造模式難以滿(mǎn)足大批量個(gè)性化定制生產(chǎn)的需求。其挑戰是：批量化、剛 性生產(chǎn)系統是針對已知的、既有產(chǎn)品的工藝流程專(zhuān)門(mén)設計的，且不具有靈活性，停產(chǎn)更新周期長(cháng)。電梯、航空航天等裝備以及電子產(chǎn)品的制造都面臨上述挑戰。

以個(gè)性化定制屬性鮮明的電梯零部件裝配為例，電梯上坎門(mén)頭部件共有20多個(gè)裝配工序，一 旦產(chǎn)品設計變更，管理軟件的裝配工序模型需要增刪、修改，導致產(chǎn)線(xiàn)布局變化，20多個(gè)控制器的程序和機器人的工步、程序也需要調整，整個(gè)系統需要1周以上的離線(xiàn)調整時(shí)間。很顯然無(wú)法滿(mǎn)足個(gè)性化定制產(chǎn)品小批量甚至單件化定制。因此，電梯行業(yè)的零部件裝配環(huán)節只能依靠大量工人來(lái)保證生產(chǎn)線(xiàn)的適應性和靈活性。導致整個(gè)行業(yè)的個(gè)性化定制電梯交付周期都在15天以上，產(chǎn)能難以提高。因此電梯、航空航天等裝備的大批量定制都迫切需要軟件、控制系統、機械結構高度靈活、快速重構的生產(chǎn)系統來(lái)大幅縮短產(chǎn)品交付周期。

2　實(shí)施與應用

為提高個(gè)性化定制產(chǎn)品大批量生產(chǎn)系統的靈活性，中科院沈自所提出一種面向電梯大批量個(gè)性化定制的自適應可重構生產(chǎn)系統，主要包括以下3部分。

（1）柔性化裝配系統

首先，本方案創(chuàng )新性地提出了被擰緊通孔或螺紋孔精確定位的方法，將這一方法應用于各個(gè)裝配擰緊工位，有效規避了待裝配的零部件外形尺寸一致性差的問(wèn)題。同時(shí)，還自主研發(fā)了零部件上料托盤(pán)以及拆疊盤(pán)機，解決零件自動(dòng)上料、精確定位的關(guān)鍵問(wèn)題。 在門(mén)頭板的定位方面，方案同樣貫徹對擰緊的孔進(jìn)行精確定位的思想，同時(shí)在關(guān)鍵工位，采用視覺(jué)糾正兩孔中心連線(xiàn)的角度，并用穿銷(xiāo)的方式二次定位（如圖 1所示），解決門(mén)頭精確定位的問(wèn)題，為自動(dòng)擰緊提 供準確、穩定的擰緊條件。

圖1 上坎門(mén)頭柔性裝配線(xiàn)的定位與擰緊機構

其次，方案在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下對原有的裝配工藝進(jìn)行創(chuàng )新性地調整，采用先分裝再總裝的裝配模式。先將左右掛板進(jìn)行分裝，再將分裝好的掛板和門(mén)頭板組件進(jìn)行總裝，解決掛板上的零件后續裝配引起的定位不準確的問(wèn)題。

第三，在整體物流方式上方案打破了傳統的托盤(pán)加積放輥道的裝配模式，采用獨立工作站加機器人的裝配模式。通過(guò)機器人進(jìn)行工位之間的流 轉，以及待裝配零部件的上料，解決門(mén)頭組件在工位之間難于流轉、待裝配的零部件難于自動(dòng)上料的 問(wèn)題。

此外，方案還解決了很多生產(chǎn)機構的細節問(wèn) 題：比如螺母的自動(dòng)上料、未擰緊通孔與螺紋孔的對心問(wèn)題等。方案自主研發(fā)自動(dòng)化專(zhuān)機共計12套，申 請了6項發(fā)明專(zhuān)利。這些面向上坎門(mén)頭的柔性技術(shù)都可以在鈑金裝配行業(yè)中進(jìn)行推廣。

（2）產(chǎn)品個(gè)性化選配、設計、制造一體化軟件

針對當前在三維設計（UG等）、MES、 ERP、PDM、鈑金加工等多套系統間信息孤島的問(wèn) 題，本方案研究出能夠貫穿研發(fā)、工藝和制造的產(chǎn)品個(gè)性化選配、設計、制造一體化軟件（如圖2所 示），重點(diǎn)攻克了：產(chǎn)品參數化設計、BOM自動(dòng)編 制、工藝路線(xiàn)自動(dòng)生成等技術(shù)，減少人工設計時(shí)間 和人力成本，使產(chǎn)品設計、制造、交付的周期大幅 縮短。

圖2 面向電梯大批量定制的3D設計工藝制造一體化平臺界面

該軟件主要面向電梯行業(yè)中個(gè)性化定制程度越來(lái)越高，設計環(huán)節與工藝環(huán)節脫節、工藝環(huán)節編制工作量大且隨企業(yè)訂單量增大時(shí)，唯有增加人力成本才能滿(mǎn)足交期承諾等實(shí)際問(wèn)題，該軟件可以完成產(chǎn) 品三維參數化設計、EBOM->PBOM->MBOM的自動(dòng)轉化和自動(dòng)編制、三維圖紙向二位圖紙的自動(dòng)轉 化和二維CAD展開(kāi)圖自動(dòng)生成、圖紙尺寸的快速標 注、腳本驅動(dòng)的專(zhuān)家知識庫和模型庫構建、套料與機床數據自動(dòng)對接等功能。

（3）管理控制一體化軟件

針對產(chǎn)品設計變更后工序工步、控制程序離線(xiàn) 調整時(shí)間過(guò)長(cháng)的問(wèn)題，方案自主研發(fā)出電梯行業(yè)首套管理控制一體化軟件（如圖3所示）。

首先，針對產(chǎn)品設計變更后工序工步離線(xiàn)調整周期長(cháng)的難題，方案基于語(yǔ)義技術(shù)，將傳統的剛性、串行工序工步解耦為最小工序工步單元，構建出上坎門(mén)頭裝配工藝庫，當產(chǎn)品設計變更后，由既有的行業(yè)知識及深度學(xué)習融合起來(lái)驅動(dòng)工藝庫自主重構出新的工序工步，并驅動(dòng)控制程序自動(dòng)代碼生成軟件來(lái)實(shí)現從工序工步到控制程序的一體化轉換。

 圖3 工序工步自主重構的示意圖

針對PLC程序在產(chǎn)品設計變更后，離線(xiàn)調整周期過(guò)長(cháng)的難題，本方案基于西門(mén)子Openess軟件， 自主研發(fā)出電梯上坎門(mén)頭自動(dòng)代碼生成軟件。該軟件能夠基于既定工藝環(huán)節的軟件模板程序，在輸入 自主重構后的工序工步文件后，自動(dòng)轉換、生成出新的PLC代碼，從而大幅減少工程師離線(xiàn)調整時(shí)的工作量。

方案基于上述軟件構建出電梯行業(yè)管理控制一體化軟件，能夠大幅縮短由于產(chǎn)品設計變更而導致的 工序工步、PLC程序離線(xiàn)設計、調試周期等問(wèn)題，實(shí)現個(gè)性化定制產(chǎn)品的快速交付。

基于上述柔性裝配系統、設計制造一體化軟件以及管理控制一體化軟件的研發(fā)與實(shí)施，方案實(shí)現了電梯上坎門(mén)頭組件的大批量個(gè)性化定制，使得產(chǎn)能提升1倍以上，交付周期縮短30%以上。大幅提升了電 梯行業(yè)制造過(guò)程的智能化水平和競爭力。

3　應用難點(diǎn)及解決思路分析

當前，由于電梯制造行業(yè)大批量個(gè)性化定制的屬性（每一部出廠(chǎng)的電梯尺寸、內飾等均為定制）， 使得眾多部、組件只能依靠人工來(lái)適應產(chǎn)品設計的變 更，導致交付周期過(guò)長(cháng)、產(chǎn)能難以提高、生產(chǎn)成本較 高。針對上述難題，方案的解決思路為：

（1）首先，以電梯重要的組件上坎門(mén)頭為首要對象，設計研發(fā)出上坎門(mén)頭柔性裝配系統，針對上坎門(mén)頭近百個(gè)零件的高靈活性、難以固定的難題，自主研發(fā)出多個(gè)工藝環(huán)節的二次精確定位機構和自適應工裝系統，通過(guò)自主研發(fā)的軟件系統確定產(chǎn)品工藝，明確產(chǎn)品在各個(gè)工位需要裝配零部件的內容和位置，使各個(gè)工位自動(dòng)調整或切換定位系統以及工裝夾具，從而使生產(chǎn)系統能夠兼容現有20余種產(chǎn)品及未來(lái)新增產(chǎn)品的混線(xiàn)生產(chǎn)；

（2）自主研發(fā)出面向設計、制造一體化的電梯大批量個(gè)性化定制設計、制造一體化平臺，打通從客戶(hù)選配、個(gè)性化訂單生成、產(chǎn)品設計變更到控制系統軟件環(huán)境的信息孤島，從而縮短產(chǎn)品設計、制造周期；

（3）將自主研發(fā)的管理控制一體化軟件應用于電梯制造環(huán)節，使工序工步能夠快速重構、控制程序代碼能夠自動(dòng)生成，從而縮短當產(chǎn)品設計變更時(shí)，生產(chǎn)系統的離線(xiàn)調整周期，從而進(jìn)一步縮短產(chǎn)品的交付周期。

4　效益分析

面向電梯大批量個(gè)性化定制的自適應可重構生產(chǎn)系統已經(jīng)應用于國內某大型電梯制造公司，打破了目前國內電梯行業(yè)在上坎門(mén)頭組件的裝配環(huán)節均采用全手工裝配，無(wú)自動(dòng)裝配工藝單元的局面。對比原來(lái)的手工裝配線(xiàn)節拍與產(chǎn)能狀況，所需工人數量從40人減少為4人，人工成本節約了90%；裝配節拍從2分鐘/套降為40秒/套，效率提升2倍以上；從設計到制造的訂單交付周期從15天降為9天，交付周期縮短了40%。且本方案的應用能夠兼容現有20余種產(chǎn)品及未來(lái)新增產(chǎn)品的混線(xiàn)生產(chǎn)，大大提高企業(yè)的競爭力。

5　結語(yǔ)

本方案響應習近平總書(shū)記十九大報告中“深化供給側結構性改革”中的“提高供給結構對需求變化的適應性和靈活性，提高全要素生產(chǎn)率”的重要指示，針對個(gè)性化定制屬性鮮明的電梯行業(yè)裝配需求，構建面向電梯大批量個(gè)性化定制的自適應可重構生產(chǎn)系統，研制開(kāi)發(fā)一系列具有自主知識產(chǎn)權的軟硬件，大幅提升電梯行業(yè)產(chǎn)能、節約生產(chǎn)成本、 縮短交付周期，極大提升行業(yè)競爭力。同時(shí)，該工程項目的核心技術(shù)和軟件還有望應用推廣到鈑金加 工、航空航天、電子等大批量個(gè)性化定制屬性鮮明 的行業(yè)，進(jìn)而縮短上述行業(yè)由于產(chǎn)品設計變更而導 致的工序工步、控制程序、生產(chǎn)單元離線(xiàn)調整時(shí)間過(guò)長(cháng)，交付周期過(guò)長(cháng)等難題，提升大批量個(gè)性化定制的靈活性和智能化水平，從而助推我國制造業(yè)轉型升級。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年4月刊