傳統(tǒng)的柔性制造技術(shù)為何難以推進(jìn)?
早在上世紀(jì)70-80年代,柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System)就被賦予了重任以解決“個性化”生產(chǎn)難題,F(xiàn)MS被定義由如圖·1所示的四個核心單元組成:機床、輸送系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。而如果談到計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS),它包含了更多的今天智能制造話題下的系統(tǒng)。然而,時至今日, FMS主要在汽車零配件生產(chǎn)及組裝一些領(lǐng)域應(yīng)用,而CIMS似乎已經(jīng)逐漸淡出視線。
圖1-FMS柔性制造系統(tǒng)基本架構(gòu)
柔性制造的難題在哪里?
實際上,在傳統(tǒng)意義上,F(xiàn)MS/CIMS受制于技術(shù)本身的局限,在較長的時間里存在一些必然的問題:
● 物料輸送:制造系統(tǒng)中,原材料的進(jìn)料,工位間輸送、以及所需的機械轉(zhuǎn)換(排列、換向、翻轉(zhuǎn)
等動作)都是采用機械方式來實現(xiàn)。通常工藝設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)的,但是,整個輸送與輔助設(shè)備基本上“非標(biāo)”,如何在混線生產(chǎn)時讓物料準(zhǔn)確、及時的輸送到預(yù)定位置,并沿著規(guī)劃路徑穩(wěn)定的流動,這本身是一個非常復(fù)雜的調(diào)度問題。而偏偏這些機械系統(tǒng)往往都是剛性的,調(diào)整不便,這使得FMS是在一個剛性環(huán)境下“柔性”工作,即,只能做到有限的柔性-而且整個產(chǎn)線投資較大,因此,批量不能太小,因為系統(tǒng)啟動成本較高。
● 通信連接:在柔性系統(tǒng)中,各工藝設(shè)備間是需要連接及語義交互,并且與全局規(guī)劃的設(shè)計、計劃
調(diào)度系統(tǒng)要動態(tài)交互,這些都需要通信網(wǎng)絡(luò)和語義互操作規(guī)約的支持。對于傳統(tǒng)的機械輸送系統(tǒng)來說,本身就沒有可以反饋的電子連接或傳感器。即使是工藝設(shè)備,即使到今天也未能很好解決語義互操作問題。
● 軟件連接:CAD/CAE這類數(shù)字化設(shè)計類軟件與PLC、CNC這類運行時軟件間的交互,也是比
較困難的。傳統(tǒng)意義的FMS有一個難點,即,對于“未知”產(chǎn)品的生產(chǎn)往往需要大量的測試驗證,這個對于批量本來不大的生產(chǎn)任務(wù)來說,測試驗證將造成成本居高不下。因此,如何實現(xiàn)機械、電氣控制與傳動、工藝間的協(xié)同仿真與虛擬測試,也是FMS系統(tǒng)的難題。
因此,幾個障礙使得FMS僅局限于某個具體的場景,來自于獨立的廠商在其封閉的系統(tǒng)中能夠局部實現(xiàn),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(yī)療、制藥等領(lǐng)域來說,他們的種類可能會更多,個性化需求更為強烈,但傳統(tǒng)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)出來即可,還沒有到個性化需求的階段。今天,智能制造之所以被大家關(guān)注,以及企業(yè)開始推進(jìn),正是因為消費水平與消費文化的變化,使得個性化成為了企業(yè)贏得市場的未來關(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)柔性制造的實現(xiàn)—本次,我們介紹多維運動控制如何響應(yīng)且改變著制造的柔性實現(xiàn)。
1維運動控制-機器內(nèi)的柔性
在離散制造領(lǐng)域的機器與裝備,實際上首先是可以實現(xiàn)加工的柔性的,貝加萊的ACOPOS家族里的伺服驅(qū)動器,ACOPOSmotor-針對高防護(hù)等級領(lǐng)域、ACOPOSmulti-共直流母線驅(qū)動、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(yīng)用于機器組合
旋轉(zhuǎn)電機或直線電機都是1個維度的運動,即旋轉(zhuǎn)或直線運動。伺服電機最初主要是為了實現(xiàn)高精度定位與同步這樣的任務(wù),但是,隨著加工對象的復(fù)雜性提高,伺服電機更多開始扮演“柔性”的角色。貝加萊在很多領(lǐng)域都深諳其道。例如:
(1) 印刷機械的無軸傳動技術(shù),采用伺服電機替代機械長軸,讓印刷更靈活,后道電子凸輪裁
切,通過設(shè)置刀輥的電子凸輪曲線,代替機械刀輥,通過參數(shù)設(shè)置即可改變加工規(guī)格。
(2) 印后裝訂中大量的伺服使用在于印刷的尺寸規(guī)格變化后,各種機械位置要調(diào)校,還需要老師
傅的經(jīng)驗,否則可能會調(diào)校很多次,浪費很多材料。
(3) 紡織里的多電機傳動粗紗、細(xì)紗,以及采用直線電機的經(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(dāng)然,像這種1維運動主要發(fā)生在一個機器內(nèi)部的產(chǎn)品變化,他們帶來機器本身的工藝柔性-讓機器可以通過參數(shù)設(shè)置來適應(yīng)不同的加工規(guī)格,成型工藝。
2維運動-生產(chǎn)在機器間流動
當(dāng)一個或多個產(chǎn)品從不同的設(shè)備進(jìn)入了組裝階段,那么,這個就離開了機器,進(jìn)入了一個更為大的空間中,這個時候,當(dāng)產(chǎn)品的尺寸規(guī)格、組合方式、工序順序發(fā)生變化的時候,這個柔性就對生產(chǎn)提出了巨大的挑戰(zhàn)—調(diào)度這些任務(wù)以形成各種組合,可能是數(shù)十個、百個,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題。
那么,如果還用傳統(tǒng)的一維運動的組合就會讓這個機械系統(tǒng)復(fù)雜性大幅增加,而如果系統(tǒng)本身就能夠提供X,Y兩個維度的運動,那么,就可以把整個產(chǎn)線簡化,并且,能夠?qū)崿F(xiàn)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,可以拼裝為一個柔性軌道輸送物料。
它可以提供在X,Y這兩個維度的運動,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專用路徑離開,它的物料放在動子托盤上,可以按照設(shè)定去相關(guān)的工位加工,而不像傳統(tǒng)輸送帶,只能按照固定的速度,在系統(tǒng)各個單元不匹配時候,不能進(jìn)行負(fù)載的有效分配,以達(dá)到最大的效率。
圖3-ACOPOStrak構(gòu)建的二維空間中的靈活生產(chǎn)線組織
ACOPOStrak就是這樣的設(shè)計,它讓被加工對象在X,Y兩個維度去運動,然后,能夠?qū)崿F(xiàn)匯流、分流,它實際上帶來的不僅是靈活性,而且,也包括對一些設(shè)計的簡化:
■ 降低了機械的復(fù)雜性,例如頻繁的上下料過程被削減,因為傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu),在輸送線的流動件
要經(jīng)過每個單元,要被上下料的機構(gòu)送到機臺上進(jìn)行加工,而輸送系統(tǒng)則直接托盤形式讓它經(jīng)過每個單元,這就簡化了機械結(jié)構(gòu)。
■ 節(jié)拍的協(xié)同:在一個系統(tǒng)中,存在著高速、低速的生產(chǎn)單元,那么,輸送系統(tǒng)如果不具有靈活
性,那么,它就會需要緩沖,但是,ACOPOStrak解決了這個問題,即,采用“公倍數(shù)”來解決這個問題,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,那么就會產(chǎn)生分流、匯流,但是,這三個單元就變成了最終1:1:1的生產(chǎn)—這意味著沒有了“瓶頸”。
■ 物流調(diào)度問題:實際上,仔細(xì)想想,一個生產(chǎn)系統(tǒng),它需要把不同的原材料、按照不同的路徑、
精準(zhǔn)的輸送到每個工站,然后經(jīng)過其它單元形成一個完整的產(chǎn)品,那么,這個系統(tǒng)的調(diào)度能力就必須非常強。
圖4-ACOPOStrak的優(yōu)點
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,這個算法確保,對于用戶來說,僅需設(shè)定好一個產(chǎn)品的流程,編碼,然后,ACOPOStrak會自動為您生產(chǎn)一個流程。
6維-將制造的柔性延展到空間
當(dāng)產(chǎn)線進(jìn)一步發(fā)展,產(chǎn)品的流程變得更為復(fù)雜的時候,我們會發(fā)現(xiàn)一些微小的變化,就要支付較為復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)來配合。另外一個方面,即使是在X,Y軸上的運動擴展,也是無法解決任意組合的路徑這個問題,ACOPOS 6D就能實現(xiàn)這個維度的柔性制造。
圖5-ACOPOS 6D近照
圖6-什么是6維運動?
圖5是ACOPOS 6D近照,在平面定子上的動子運動,可以形成各種組合,這是一種純磁懸浮技術(shù),無機械接觸,不產(chǎn)生摩擦。更為神奇在于每個動子托盤是可以形成像圖6所示的六種運動的,X軸,Y軸,Z軸,R(X)-沿X軸的旋轉(zhuǎn),R(Y)-沿Y軸的旋轉(zhuǎn),R(Z)-沿Z軸的旋轉(zhuǎn),即在X,Y,Z的運動及這三個維度的旋轉(zhuǎn)疊加運動,它使得運動可以在空間形成自由,這種輸送方式,進(jìn)一步將2維運動擴展到6維。
ACOPOS 6D如何簡化機械設(shè)計?
我們用幾個場景來看ACOPOS 6D可以讓整個產(chǎn)線的加工組裝過程簡化:
● Z軸運動:在沒有ACOPOS 6D這個Z軸動作的時候,對于產(chǎn)品加工剛好需要一個高精度的上下動作時,就需要額外增加一個機械機構(gòu)來實現(xiàn)這個(伺服電機或直線電機),或者需要輸送到一個機臺旁邊,用機構(gòu)上下料方式進(jìn)行這個動作。
● X,Y軸運動:同樣道理,對于一個需要一些傾角進(jìn)行加工的時候(如磨邊、涂膠、貼標(biāo)),你需要額外的機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)這一點,而ACOPOS 6D的動子托盤可以沿著X和Y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的。而且,而且,而且,ACOPOS 6D的托盤自己也可以走一個CNC的路徑,這樣你不需要一個加載在CNC機械結(jié)構(gòu)上的激光頭,而是一個激光頭,讓托盤走CNC—這是不是也是一種很有意思的解決方案?
● Z軸旋轉(zhuǎn):如果你剛好加工完工件一側(cè)需要加工另一側(cè)時候,Z軸的旋轉(zhuǎn)就可以省略需要的翻轉(zhuǎn)機構(gòu),或者即便你需要大角度的運動,對于獨立的動子托盤完全可以高速的在小范圍快速移動,它沒有機械限制,即使產(chǎn)品發(fā)生變化,它也不需要機械輸送的調(diào)整或者改變。
ACOPOS 6D給了工程師設(shè)計產(chǎn)線的各種可能性,簡化了機械。對于非標(biāo)自動化,有時候高精度的非標(biāo)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)線設(shè)計,而且智能的調(diào)度,讓你只需要關(guān)注,你的理想中自由的產(chǎn)線是什么樣的?ACOPOS 6D來幫您實現(xiàn)它。
圖7介紹了它的特點和一些關(guān)鍵指標(biāo)。
圖7- ACOPOS 6D的特點
實際上,ACOPOS 6D的非接觸也對潔凈環(huán)境具有適應(yīng)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都沒有,對于制藥、醫(yī)療、鋰電類生產(chǎn)真是再合適不過。
調(diào)度算法是柔性的核心
其實,不管是ACOPOStrak還是ACOPOS 6D,他們的核心都是在“調(diào)度”的智能性上。因為從生產(chǎn)的計劃與調(diào)度人員視角來看,對于多個工序的個性化加工來說,這個智能“排產(chǎn)”還是需要一定的策略和方法的。但是對于ACOPOStrak和ACOPOS 6D來說這個調(diào)度本身是已經(jīng)被封裝好的,用戶僅需通過軟件來“編排”任務(wù)即可,在這里,沒有用到“編程”因為它主要是為不同的生產(chǎn)任務(wù)設(shè)定初始與目標(biāo)點,而系統(tǒng)則會進(jìn)行調(diào)度的計算,他們之間通過POWERLINK網(wǎng)絡(luò)來感知各自的位置、間距,并傳遞各自的當(dāng)前位置與速度,如圖7所示,這是一個完全可以被感知的柔性系統(tǒng)-通信問題被實時解決。而控制器,即X20或貝加萊PC,都是集成OPC UA通信規(guī)約,可以跟生產(chǎn)計劃、調(diào)度系統(tǒng)之間實現(xiàn)交互,以接受來自生產(chǎn)的任務(wù),并解析執(zhí)行。
圖8-每個軌道都是通過POWERLINK實時網(wǎng)絡(luò)連接的
運動控制-讓制造的空間更靈活
運動控制,從1維的ACOPOS系列驅(qū)動電機的運動,到ACOPOStrak在X,Y維度讓產(chǎn)品在更大的空間里運動,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群體中,只能集體行動(大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)模式)。
圖9-六維運動控制技術(shù)的演變
貝加萊的運動控制技術(shù),一直是致力于制造的柔性,從機器內(nèi)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(zhàn)下,實現(xiàn)個性化,挑戰(zhàn)不可能。
他們可以用在哪里?
對于ACOPOS系列來說,自1997年推出已經(jīng)廣泛在各個行業(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,這些代表著全球運動控制前沿的技術(shù),并已經(jīng)投入應(yīng)用。目前它在全球市場已經(jīng)用到的場景包括了圖9所示的諸多領(lǐng)域,當(dāng)然,它并局限于這些,因為,任何需要個性化,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(yīng)用場景
事實上,談到柔性制造,除了最初我們談到的技術(shù)性問題,也意味著市場的問題,F(xiàn)MS和CIMS實際上在某種意義上,有些超前。因為,在他們被提出的時候,包括控制技術(shù)、軟件技術(shù)本身也是不經(jīng)濟的,專門為一個企業(yè)部署的計算機集成制造系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)設(shè)施和軟件系統(tǒng)都是非常昂貴的,這是其本身的經(jīng)濟性問題。
第二個經(jīng)濟相關(guān)的問題是人們的生活水平的問題,即或在90年代初,我們?nèi)匀惶幱凇百u方”市場,因此,個性化這個需求一直并不是特別突出,而隨著中國的消費者越來越高的要求,高品質(zhì)而又個性化的產(chǎn)品需求才開始逐漸顯現(xiàn)出明顯的需求增加,這意味著柔性制造的爆發(fā)。