傳統的柔性制造技術(shù)為何難以推進(jìn)？

早在上世紀70-80年代，柔性制造系統（Flexible Manufacturing System）就被賦予了重任以解決“個(gè)性化”生產(chǎn)難題，FMS被定義由如圖·1所示的四個(gè)核心單元組成：機床、輸送系統、計算機控制系統、軟件系統。而如果談到計算機集成制造系統（CIMS），它包含了更多的今天智能制造話(huà)題下的系統。然而，時(shí)至今日， FMS主要在汽車(chē)零配件生產(chǎn)及組裝一些領(lǐng)域應用，而CIMS似乎已經(jīng)逐漸淡出視線(xiàn)。

圖1-FMS柔性制造系統基本架構

柔性制造的難題在哪里？

實(shí)際上，在傳統意義上，FMS/CIMS受制于技術(shù)本身的局限，在較長(cháng)的時(shí)間里存在一些必然的問(wèn)題：

物料輸送：制造系統中，原材料的進(jìn)料，工位間輸送、以及所需的機械轉換（排列、換向、翻轉等動(dòng)作）都是采用機械方式來(lái)實(shí)現。通常工藝設備是標準的，但是，整個(gè)輸送與輔助設備基本上“非標”，如何在混線(xiàn)生產(chǎn)時(shí)讓物料準確、及時(shí)的輸送到預定位置，并沿著(zhù)規劃路徑穩定的流動(dòng)，這本身是一個(gè)非常復雜的調度問(wèn)題。而偏偏這些機械系統往往都是剛性的，調整不便，這使得FMS是在一個(gè)剛性環(huán)境下“柔性”工作，即，只能做到有限的柔性-而且整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)投資較大，因此，批量不能太小，因為系統啟動(dòng)成本較高。

通信連接：在柔性系統中，各工藝設備間是需要連接及語(yǔ)義交互，并且與全局規劃的設計、計劃調度系統要動(dòng)態(tài)交互，這些都需要通信網(wǎng)絡(luò )和語(yǔ)義互操作規約的支持。對于傳統的機械輸送系統來(lái)說(shuō)，本身就沒(méi)有可以反饋的電子連接或傳感器。即使是工藝設備，即使到今天也未能很好解決語(yǔ)義互操作問(wèn)題。

軟件連接：CAD/CAE這類(lèi)數字化設計類(lèi)軟件與PLC、CNC這類(lèi)運行時(shí)軟件間的交互，也是比較困難的。傳統意義的FMS有一個(gè)難點(diǎn)，即，對于“未知”產(chǎn)品的生產(chǎn)往往需要大量的測試驗證，這個(gè)對于批量本來(lái)不大的生產(chǎn)任務(wù)來(lái)說(shuō)，測試驗證將造成成本居高不下。因此，如何實(shí)現機械、電氣控制與傳動(dòng)、工藝間的協(xié)同仿真與虛擬測試，也是FMS系統的難題。

因此，幾個(gè)障礙使得FMS僅局限于某個(gè)具體的場(chǎng)景，來(lái)自于獨立的廠(chǎng)商在其封閉的系統中能夠局部實(shí)現，而且，很多在運行的FMS還主要是針對金屬（剛性材料）下的生產(chǎn)。而對于更為廣泛的食品、飲料、日化、醫療、制藥等領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，他們的種類(lèi)可能會(huì )更多，個(gè)性化需求更為強烈，但傳統的FMS似乎也不太涉及。

而更為重要的在80年代的中國，能夠有產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)即可，還沒(méi)有到個(gè)性化需求的階段。今天，智能制造之所以被大家關(guān)注，以及企業(yè)開(kāi)始推進(jìn)，正是因為消費水平與消費文化的變化，使得個(gè)性化成為了企業(yè)贏(yíng)得市場(chǎng)的未來(lái)關(guān)鍵。而作為制造領(lǐng)域的方案提供者，貝加萊一直關(guān)注制造的柔性，并且不斷推進(jìn)柔性制造的實(shí)現—本次，我們介紹多維運動(dòng)控制如何響應且改變著(zhù)制造的柔性實(shí)現。

1維運動(dòng)控制-機器內的柔性

在離散制造領(lǐng)域的機器與裝備，實(shí)際上首先是可以實(shí)現加工的柔性的，貝加萊的ACOPOS家族里的伺服驅動(dòng)器，ACOPOSmotor-針對高防護等級領(lǐng)域、ACOPOSmulti-共直流母線(xiàn)驅動(dòng)、ACOPOSmicro等都是可以支持各種變化的生產(chǎn)的，如圖2所示。

圖2-ACOPOS家族產(chǎn)品應用于機器組合

旋轉電機或直線(xiàn)電機都是1個(gè)維度的運動(dòng)，即旋轉或直線(xiàn)運動(dòng)。伺服電機最初主要是為了實(shí)現高精度定位與同步這樣的任務(wù)，但是，隨著(zhù)加工對象的復雜性提高，伺服電機更多開(kāi)始扮演“柔性”的角色。貝加萊在很多領(lǐng)域都深諳其道。例如：

（1） 印刷機械的無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)，采用伺服電機替代機械長(cháng)軸，讓印刷更靈活，后道電子凸輪裁切，通過(guò)設置刀輥的電子凸輪曲線(xiàn)，代替機械刀輥，通過(guò)參數設置即可改變加工規格。

（2） 印后裝訂中大量的伺服使用在于印刷的尺寸規格變化后，各種機械位置要調校，還需要老師傅的經(jīng)驗，否則可能會(huì )調校很多次，浪費很多材料。

（3） 紡織里的多電機傳動(dòng)粗紗、細紗，以及采用直線(xiàn)電機的經(jīng)編機電子橫移（ELS），這些都是為了獲得紡紗與織造過(guò)程的產(chǎn)品靈活性。

（4）垂直填充型包裝里用電子鼓序列發(fā)生器代替機械的鼓序列發(fā)生器，讓不同產(chǎn)品步序靈活。

當然，像這種1維運動(dòng)主要發(fā)生在一個(gè)機器內部的產(chǎn)品變化，他們帶來(lái)機器本身的工藝柔性-讓機器可以通過(guò)參數設置來(lái)適應不同的加工規格，成型工藝。

2維運動(dòng)-生產(chǎn)在機器間流動(dòng)

當一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品從不同的設備進(jìn)入了組裝階段，那么，這個(gè)就離開(kāi)了機器，進(jìn)入了一個(gè)更為大的空間中，這個(gè)時(shí)候，當產(chǎn)品的尺寸規格、組合方式、工序順序發(fā)生變化的時(shí)候，這個(gè)柔性就對生產(chǎn)提出了巨大的挑戰—調度這些任務(wù)以形成各種組合，可能是數十個(gè)、百個(gè)，乃至上千種組合，如何提供物料輸送、通信連接就成為了新的問(wèn)題。

那么，如果還用傳統的一維運動(dòng)的組合就會(huì )讓這個(gè)機械系統復雜性大幅增加，而如果系統本身就能夠提供X,Y兩個(gè)維度的運動(dòng)，那么，就可以把整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)簡(jiǎn)化，并且，能夠實(shí)現組合的靈活性，就像貝加萊提供的ACOPOStrak一樣，如圖3所示，它有多種不同的軌道，可以拼裝為一個(gè)柔性軌道輸送物料。

它可以提供在X,Y這兩個(gè)維度的運動(dòng)，使得物料的輸送可以形成非常多的路徑，可以分道進(jìn)入組裝，也可以讓不良品沿著(zhù)專(zhuān)用路徑離開(kāi)，它的物料放在動(dòng)子托盤(pán)上，可以按照設定去相關(guān)的工位加工，而不像傳統輸送帶，只能按照固定的速度，在系統各個(gè)單元不匹配時(shí)候，不能進(jìn)行負載的有效分配，以達到最大的效率。

圖3-ACOPOStrak構建的二維空間中的靈活生產(chǎn)線(xiàn)組織

ACOPOStrak就是這樣的設計，它讓被加工對象在X,Y兩個(gè)維度去運動(dòng)，然后，能夠實(shí)現匯流、分流，它實(shí)際上帶來(lái)的不僅是靈活性，而且，也包括對一些設計的簡(jiǎn)化：

降低了機械的復雜性，例如頻繁的上下料過(guò)程被削減，因為傳統的機械結構，在輸送線(xiàn)的流動(dòng)件要經(jīng)過(guò)每個(gè)單元，要被上下料的機構送到機臺上進(jìn)行加工，而輸送系統則直接托盤(pán)形式讓它經(jīng)過(guò)每個(gè)單元，這就簡(jiǎn)化了機械結構。

節拍的協(xié)同：在一個(gè)系統中，存在著(zhù)高速、低速的生產(chǎn)單元，那么，輸送系統如果不具有靈活性，那么，它就會(huì )需要緩沖，但是，ACOPOStrak解決了這個(gè)問(wèn)題，即，采用“公倍數”來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，例如工位1速度是3而工位2速度是2，工位3的速度是1，那么，它的最佳組合就是2*3*6的組合，那么就會(huì )產(chǎn)生分流、匯流，但是，這三個(gè)單元就變成了最終1:1:1的生產(chǎn)—這意味著(zhù)沒(méi)有了“瓶頸”。

物流調度問(wèn)題：實(shí)際上，仔細想想，一個(gè)生產(chǎn)系統，它需要把不同的原材料、按照不同的路徑、精準的輸送到每個(gè)工站，然后經(jīng)過(guò)其它單元形成一個(gè)完整的產(chǎn)品，那么，這個(gè)系統的調度能力就必須非常強。

圖4-ACOPOStrak的優(yōu)點(diǎn)

ACOPOStrak不僅提供定位的精度，它還為生產(chǎn)的路徑提供了“智能”的算法，這個(gè)算法確保，對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，僅需設定好一個(gè)產(chǎn)品的流程，編碼，然后，ACOPOStrak會(huì )自動(dòng)為您生產(chǎn)一個(gè)流程。

6維-將制造的柔性延展到空間

當產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)品的流程變得更為復雜的時(shí)候，我們會(huì )發(fā)現一些微小的變化，就要支付較為復雜的機械結構來(lái)配合。另外一個(gè)方面，即使是在X,Y軸上的運動(dòng)擴展，也是無(wú)法解決任意組合的路徑這個(gè)問(wèn)題，ACOPOS 6D就能實(shí)現這個(gè)維度的柔性制造。

圖5-ACOPOS 6D近照

圖6-什么是6維運動(dòng)？

圖5是ACOPOS 6D近照，在平面定子上的動(dòng)子運動(dòng)，可以形成各種組合，這是一種純磁懸浮技術(shù)，無(wú)機械接觸，不產(chǎn)生摩擦。更為神奇在于每個(gè)動(dòng)子托盤(pán)是可以形成像圖6所示的六種運動(dòng)的，X軸,Y軸,Z軸,R(X)-沿X軸的旋轉,R(Y)-沿Y軸的旋轉,R(Z)-沿Z軸的旋轉，即在X,Y,Z的運動(dòng)及這三個(gè)維度的旋轉疊加運動(dòng)，它使得運動(dòng)可以在空間形成自由，這種輸送方式，進(jìn)一步將2維運動(dòng)擴展到6維。

ACOPOS 6D如何簡(jiǎn)化機械設計？

我們用幾個(gè)場(chǎng)景來(lái)看ACOPOS 6D可以讓整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)的加工組裝過(guò)程簡(jiǎn)化：

Z軸運動(dòng)：在沒(méi)有ACOPOS 6D這個(gè)Z軸動(dòng)作的時(shí)候，對于產(chǎn)品加工剛好需要一個(gè)高精度的上下動(dòng)作時(shí)，就需要額外增加一個(gè)機械機構來(lái)實(shí)現這個(gè)（伺服電機或直線(xiàn)電機），或者需要輸送到一個(gè)機臺旁邊，用機構上下料方式進(jìn)行這個(gè)動(dòng)作。

X,Y軸運動(dòng)：同樣道理，對于一個(gè)需要一些傾角進(jìn)行加工的時(shí)候（如磨邊、涂膠、貼標），你需要額外的機械結構來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)，而ACOPOS 6D的動(dòng)子托盤(pán)可以沿著(zhù)X和Y軸進(jìn)行旋轉的。而且，而且，而且，ACOPOS 6D的托盤(pán)自己也可以走一個(gè)CNC的路徑，這樣你不需要一個(gè)加載在CNC機械結構上的激光頭，而是一個(gè)激光頭，讓托盤(pán)走CNC—這是不是也是一種很有意思的解決方案？

Z軸旋轉：如果你剛好加工完工件一側需要加工另一側時(shí)候，Z軸的旋轉就可以省略需要的翻轉機構，或者即便你需要大角度的運動(dòng)，對于獨立的動(dòng)子托盤(pán)完全可以高速的在小范圍快速移動(dòng)，它沒(méi)有機械限制，即使產(chǎn)品發(fā)生變化，它也不需要機械輸送的調整或者改變。

ACOPOS 6D給了工程師設計產(chǎn)線(xiàn)的各種可能性，簡(jiǎn)化了機械。對于非標自動(dòng)化，有時(shí)候高精度的非標件成本也是非常高的，畢竟，這些機械件往往批量并不大。

ACOPOS 6D讓工程師可以按照一種完全不受到機械約束的柔性產(chǎn)線(xiàn)設計，而且智能的調度，讓你只需要關(guān)注，你的理想中自由的產(chǎn)線(xiàn)是什么樣的？ACOPOS 6D來(lái)幫您實(shí)現它。

圖7介紹了它的特點(diǎn)和一些關(guān)鍵指標。

圖7- ACOPOS 6D的特點(diǎn)

實(shí)際上，ACOPOS 6D的非接觸也對潔凈環(huán)境具有適應性，像這種純粹非接觸的輸送，連產(chǎn)生機械磨損造成的粉塵機會(huì )都沒(méi)有，對于制藥、醫療、鋰電類(lèi)生產(chǎn)真是再合適不過(guò)。

調度算法是柔性的核心

其實(shí)，不管是ACOPOStrak還是ACOPOS 6D，他們的核心都是在“調度”的智能性上。因為從生產(chǎn)的計劃與調度人員視角來(lái)看，對于多個(gè)工序的個(gè)性化加工來(lái)說(shuō)，這個(gè)智能“排產(chǎn)”還是需要一定的策略和方法的。但是對于A(yíng)COPOStrak和ACOPOS 6D來(lái)說(shuō)這個(gè)調度本身是已經(jīng)被封裝好的，用戶(hù)僅需通過(guò)軟件來(lái)“編排”任務(wù)即可，在這里，沒(méi)有用到“編程”因為它主要是為不同的生產(chǎn)任務(wù)設定初始與目標點(diǎn)，而系統則會(huì )進(jìn)行調度的計算，他們之間通過(guò)POWERLINK網(wǎng)絡(luò )來(lái)感知各自的位置、間距，并傳遞各自的當前位置與速度，如圖7所示，這是一個(gè)完全可以被感知的柔性系統-通信問(wèn)題被實(shí)時(shí)解決。而控制器，即X20或貝加萊PC，都是集成OPC UA通信規約，可以跟生產(chǎn)計劃、調度系統之間實(shí)現交互，以接受來(lái)自生產(chǎn)的任務(wù)，并解析執行。

圖8-每個(gè)軌道都是通過(guò)POWERLINK實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )連接的

運動(dòng)控制-讓制造的空間更靈活

運動(dòng)控制，從1維的ACOPOS系列驅動(dòng)電機的運動(dòng)，到ACOPOStrak在X,Y維度讓產(chǎn)品在更大的空間里運動(dòng)，形成各種豐富的組合，而ACOPOS 6D，則讓產(chǎn)品被靈活的方式送給機器加工，讓零部件自己去想去的地方，而不是被約束在一個(gè)群體中，只能集體行動(dòng)（大規模標準生產(chǎn)模式）。

圖9-六維運動(dòng)控制技術(shù)的演變

貝加萊的運動(dòng)控制技術(shù)，一直是致力于制造的柔性，從機器內部的加工，到機器之間，以及零配件在不同機器之間，在原材料變化、工序、工藝、路徑各種變化的挑戰下，實(shí)現個(gè)性化，挑戰不可能。

他們可以用在哪里？

對于A(yíng)COPOS系列來(lái)說(shuō)，自1997年推出已經(jīng)廣泛在各個(gè)行業(yè)。在2018年推出SuperTrak，貝加萊又于2019年推出ACOPOStrak，又在2021年推出ACOPOS 6D，這些代表著(zhù)全球運動(dòng)控制前沿的技術(shù)，并已經(jīng)投入應用。目前它在全球市場(chǎng)已經(jīng)用到的場(chǎng)景包括了圖9所示的諸多領(lǐng)域，當然，它并局限于這些，因為，任何需要個(gè)性化，而又追求高品質(zhì)、低成本的領(lǐng)域，都是他們發(fā)揮的空間。

圖10-柔性輸送技術(shù)應用場(chǎng)景

事實(shí)上，談到柔性制造，除了最初我們談到的技術(shù)性問(wèn)題，也意味著(zhù)市場(chǎng)的問(wèn)題，FMS和CIMS實(shí)際上在某種意義上，有些超前。因為，在他們被提出的時(shí)候，包括控制技術(shù)、軟件技術(shù)本身也是不經(jīng)濟的，專(zhuān)門(mén)為一個(gè)企業(yè)部署的計算機集成制造系統所需的基礎設施和軟件系統都是非常昂貴的，這是其本身的經(jīng)濟性問(wèn)題。

第二個(gè)經(jīng)濟相關(guān)的問(wèn)題是人們的生活水平的問(wèn)題，即或在90年代初，我們仍然處于“賣(mài)方”市場(chǎng)，因此，個(gè)性化這個(gè)需求一直并不是特別突出，而隨著(zhù)中國的消費者越來(lái)越高的要求，高品質(zhì)而又個(gè)性化的產(chǎn)品需求才開(kāi)始逐漸顯現出明顯的需求增加，這意味著(zhù)柔性制造的爆發(fā)。

關(guān)于貝加萊

貝加萊是一家總部位于奧地利并在全球擁有分公司的創(chuàng )新型自動(dòng)化企業(yè)。2017年7月，貝加萊成為ABB集團的機械自動(dòng)化事業(yè)部。作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的全球領(lǐng)導者，貝加萊將前沿技術(shù)與領(lǐng)先工程相結合，為幾乎每個(gè)行業(yè)的客戶(hù)提供面向機器與工廠(chǎng)自動(dòng)化、運動(dòng)控制、HMI和集成安全技術(shù)的完整解決方案。借助于OPC UA、POWERLINK、openSAFETY等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標準，以及強大的Automation Studio軟件開(kāi)發(fā)平臺，貝加萊不斷重新定義自動(dòng)化工程的未來(lái)。受簡(jiǎn)化流程和超出客戶(hù)預期的承諾驅動(dòng)，貝加萊始終保持創(chuàng )新精神并處于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的前沿。