智能工廠中實現柔性自動化生產線規劃要點

智能工廠正在成為制造業聚焦的熱點話題，就目標而言，智能工廠要解決“個性化需求”和“成本效率”不斷提升的問題，歸結起來，主要聚焦了幾個問題：通過MES系統定義智能來讓機器與自動化生產線來適應變化的需求；通過工業物聯網對生產全局數據進行收集并通過分析來優化生產效率。

無論對于“標準流水線”還是“大規模定制”而言，企業的競爭力都來自于質量、成本與交付能力，因此，對于產線投資者而言，穩定的高品質生產才能真正讓企業獲得生產的“增值”，從而長期獲利。

第二個問題容易理解，今天通過工業互聯技術，可以將原有的單機生產進行連接，進而實現數據的透明傳輸，但是，第一個問題卻會遇到瓶頸，因為機械的“剛性”使得要獲得生產的“柔性”成為難點，產線在自動化系統的規劃下實現了根據工藝建模而能夠適應變化生產的能力，但，卻需要執行機構能夠勝任這樣的變化，那么，傳統的產線就成為了瓶頸。

評估產線投資效率的關鍵指標是“OEE”，這個對于大部分人而言都極為關注，另外，產品上市時間和投資回報都是關鍵的評估指標。如果我們仍然延續傳統的生產模式，那么想達到高品質的生產就沒有那么容易，通過了解OEE計算的關鍵，我們可以看到OEE影響因素并結合控制工藝來分析如下幾個方面：

（1）質量（Quality）：質量影響包括了開機/關機浪費，由于參數調校進入穩態有一個過程，生產中的浪費，如控制效果不穩定帶來的不良品。

（2）性能（Performance）：影響機器性能的因素包括如機械磨損帶來無法高速運行，相當于機器帶病運行，效率不高。暫停也肯能因為機器的電氣不穩定、干擾等都會影響性能。

（3）可用性（Availability）：對于小批量、多品種，產線的換型在精益中是不增值的，因此，這個環節就會降低可用性，而快速的換型才能降低這方面的損失，宕機則是因為機械、電氣的故障會讓生產無法正常進行。

在了解了OEE這個關鍵指標，我們就會發現“個性化”實際上對于生產而言，會帶來很多挑戰：

（1）開機損失：如果頻繁的換型，那么，開機浪費就無法解決，由于訂單變小，而開機浪費是固定值，那么，這個就會帶來不良品率的提升，因為分母變小了。

（2）設置與調校：因為頻繁的換型，所需的調校時間使得設備的可用性大幅下降，原來每周更換一次模具、調校機械，對于個性化可能每天都需要數個小時，那么設備的“增值”加工時間就會變小。

而傳統機械產線帶來的柔性瓶頸，除了換型帶來的品質和可用性損失，傳統的機械產線還存在以下問題：

（1）機械磨損：由于傳統采用機械鏈條或皮帶傳送，往往由于齒輪等的磨損會導致精度不足，并使得機器無法高性能運轉，帶來了減速與維修保養暫停的損失。

（2）不能靈活調整：包括傳統傳送采用了具有低速特性不足的感應電機，或者采用分度盤等方式的組裝加工過程，這帶來不能高速平穩來實現調整，尤其是分度盤由于機械慣量較大，也不易于高速的生產。

（3）不能實現個性化調整：機械分度盤因為往往為批量加工而設計，其工位的間距、移動的速度都不能輕易更具變化而調整，這就是使得對于新的生產往往要重新設計系統，測試驗證，這些都會使得整體產線的可用性不能保障。

（4）大量的緩沖區設置：由于機械輸送往往不能在產線間最佳的匹配，導致高速部分和后道需要建立緩沖區，這些緩沖區往往占用較大的工廠面積。

（5）復雜的維護：由于機械系統結構復雜，因此，往往需要大量經驗豐富的維護人員，以確保產線穩定可靠的運行。

綜上一些原因，機械輸送系統的制造產線無法實現靈活的調整，使得整個OEE較低水平，而在個性化生產的需求下，這些問題更為突出。為了應對更為個性化的生產需求，新一代的自動化生產線設計技術，柔性電驅輸送系統應運而生，柔性電驅輸送產線規劃采用了長定子直線電機技術，滑塊裝載被加工對象運行于軌道之上，這些與軌道采用“非接觸”的，可以理解為“磁懸浮”列車，其上的滑塊采用電磁方式，這使得動子的間距、運行速度、加速度可以根據軟件定義而調整，解決了柔性制造中傳統機械的“剛性”，使得整個產線變得柔性。

另外，在柔性電驅輸送自動化生產線規劃中的軌道設計形式多樣，可以是多種角度的，它可以構成非常靈活的產線，基于高精度的軌道機械耦合設計，可以實現“匯流”和“分流”，這往往對于下面一些場景特別合適：多個產線的產品混合到一個主線來組合裝配，如電子制造業，或者混合包裝如食品飲料工業；一個高速產線分給多個后道單元進行分流加工，或者分道到不同的區域進行不同的產品組裝或包裝；專用的維修站/更換夾具站：通過視覺或其它檢測方式的不良品可以被送到一個專用的通道進行處理，或者，這個通道也可以作為工裝夾具更換時的工作站。

柔性電驅技術對于OEE的提升，柔性電驅輸送系統帶來了一些顛覆式的產線設計，包括幾個方面對產線能力的提升：

（1）熱插拔：快速的更換工裝夾具，并且這個更換可以在當前產線進行時在固定區域進行；

（2）數字孿生（Digital Twin）：這項技術可以讓運行中的新的生產組合可以在虛擬的環境中進行測試驗證，即，可以在軟件中對目前的滑塊數量、速度、間距、位置、加速度/加加速度特性進行模擬仿真，以確保快速的換裝后進入穩態生產過程。如圖6，數字孿生會讓產線的設計更為快速，降低投資風險，尤其是對新產線進行驗證，這在過去是一個非常耗時的過程，而由于電-磁-軟一體化，這項工作現在也變得更為容易。

（3）變軌技術：使得生產更為靈活的調整，這些調整僅需參數設置即可，而無需對產線進行復雜的調整，與傳統的分度盤、皮帶鏈條傳輸而言，這項技術專為“柔性”的制造而設計。

（4）協同工作：采用電-磁-軟一體化的設計，可以使得軌道與機器人、其它工藝設備如包裝機、注塑機、貼片機等進行協同工作，通過總線可以實現極高的同步。

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

綜上所述，柔性電驅輸送系統可以為OEE帶來多個方面的提升：包括更快速的換型時間，更為可靠的生產品質、更低的產線停機風險，總體而言，它會大幅度提升產線OEE，這就意味著，產線能夠在個性化較大的情況下仍然保證高品質、低成本和快速交付能力。

縮短產品上市時間和投資回報，除此之外，在縮短面市時間方面，柔性自動化生產線也有大幅提升空間：在產線投入前的驗證，如前所述，數字孿生技術可以在產線投入前進行仿真驗證，并且對運行的產線也可以進行新的換型后的生產驗證，這確保了投資安全，也對于傳統產線在大幅產品更換時的重組，帶來了投資安全。高OEE即會獲得高ROI，這就是精益的思想，一個高性能的自動化生產線，能夠長期穩定的幫您的工廠高品質的生產產品，這就是高投資回報的產線。

以上就是今天和大家分享的智能工廠內容，我們專注于為制造型企業提供智能工廠規劃服務，如果覺得此文讓你小有收獲，可以搜索“德誠智能”與我們進行互動學習。