柔性输送如何化繁为简解决制造难题？

2021年09月29日

智能制造是一个热点，在实现时，需要有新的规划与设计及技术支撑。智能制造并非仅仅是技术问题，而是精益思想与前沿技术如柔性输送、通信与数字孪生技术的融合。贝加莱的ACOPOStrak和ACOPOS 6D正是这样的柔性输送技术先锋。此次从产业实践来分析它们的应用，我们需要回到离散制造的本源去理解，才能更好理解并真正发挥技术的价值，因为，它并非是一个炫酷的产品或技术，而是一种全新的设计思想变革。

有效工作时间是关键

假如你在上海，被邀请参加一个大连的论坛做一个30分钟的专业话题演讲，你会发现你需要把很多时间花费在交通工具和等待上，即使到了会场，你也要等待前面的嘉宾讲完。实际上，你花费在交通工具、等待上的时间远大于你要演讲的时间。

对于离散制造的产线而言，同样道理，一个产品加工或组装过程中，输送、等待、上下料定位等时间往往占比很大（甚至达到95%），在精益制造的实践中，这都是不增值的时间，被称为浪费。

图1-有效加工时间占比

图1是CIMS研究者过去时代做的一个统计，可以看到对于一个产品的加工与组装过程，有效的工作时间占比往往不大。输送、等待、上下料定位等时间占比如果被释放，就可以大幅提升效率，这也是输送系统对效率影响的原因。而柔性电驱输送系统如ACOPOStrak、ACOPOS 6D这样的系统被推出的原因。

被约束的产品加工

在传统的机器与产线设计中，无论采用机械链条、皮带输送，还是采用分度盘等方式，其中有一个很大的制约柔性因素，即，被加工产品与机械输送之间的强耦合关系。被加工的产品需要经过多个工站，但是，他们被绑定在了一起进行输送的。

图2-传统环形线生产组织形式

在图2这个机械输送线中，每个产品都需要上下料过程，以及在不同工位之间进行循环，这些频繁上下料以及产品按照队列进行顺序加工的过程，占用了较多的时间，使得工艺装备无法发挥最大的效率。

图3-分度盘生产组织形式

图-3采用分度盘也是一种常用的方式，但是，这个也一样固定的队列次序，由于每个工位的速度是不尽相同的，这导致了在输送带上的产品只能以“木桶原理”中最小工位那个速度来进行加工。

有人会问，那么，传统产线也可以设计分流的输送通道呀？但是，面对未知和不确定的产品，这实际上是被约束的“柔性”。大规模生产可以定制一条产线，但是，柔性制造最大的挑战就是，你无法确定产品会是什么样的？你的机械设置往往是比较复杂。即使在传统的FMS/CIMS实践中，也不得不承认，这种“未知”产品的不确定性，也难以应对。况且，高的开机成本也是其必须具有较大规模生产才能有经济性。

调度问题

柔性制造系统还有一个“调度”问题。在需求和能力之间寻找最优的组合，这其实也一直是管理科学与工程领域研究的方向。而个性化生产使得这个组合的所需考虑的维度变得更大（尺寸规格、所需工艺参数匹配、工序流程等等），产生出的潜在组合成倍乃至数十、百倍的增长。如何在这个组合中寻找最高效的生产，也催生了各种动态规划、最优化等问题的研究与实践。

图4-柔性制造中的成组技术

图4体现了成组技术在FMS/CIMS不同的生产单元间流动的问题，对于大规模定制问题，都是需要对其布局、输送进行预先规划，才能发挥生产系统的最大效率。制造分为信息流、物料流、能源流的优化问题，信息流让生产在软件层面实现调度，提升效率，而生产物流主要解决生产宏观组织问题，是数字化车间范畴。而在机器-机器之间、机器内部的在制品物流则是由柔性输送系统来解决的。

总结以上，即，在生产中需要考虑：

如何削减生产组装中输送、等待方面的时间？

能否解除机械输送带来的绑定关系？

如何在物流调度中实现最大效率？

复杂问题简单化，是工程思维来解决复杂问题的基本思路。传统的火车是由机车车头统一牵引，而新的动车组/高铁则采用了独立驱动，可以自由编组，干线多编组增强负载，支线则采用低编组，避免浪费。技术发展具有共性，生产组织也同样需要化繁为简。

在贝加莱的ACOPOStrak和ACOPOS 6D应用，就是实现生产组织的“化繁为简”。

让输送与产品绑定关系分离

通过ACOPOStrak和ACOPOS 6D所加载的在制品，将不再被约束在一个绑定机械输送体系里，而成为一个个体按需经由不同工位来加工，ACOPOStrak特别适应于机器与机器之间（Between Machine）的这种物料流动，因为它有变轨技术。而ACOPOS 6D能够在机器内在制品（In-Machine）的物流与工艺单元协同，它由于完全没有机械摩擦，使得机械绑定被完全分离，流动更为自由。

图-5 ACOPOStrak布局的生产举例

在图5中，有各种可能的组合，包括生产同一产品经由不同速度工位时，工位的组合可以让整个生产负载达到均衡的1:1:1的均衡状态，而不需要等待。也可以是不同物料经由不同工位进入不同不同工站加工的不同产品数量组合形式。

当然，除了这些解决核心解耦问题，柔性输送本身的无摩擦、可被软件定义、与机器人、工艺装备之间的实时通信能力，也是它竞争力的要素。

可以这么理解，在以前，大规模生产的一个批次的产品被群体加工，而在个性化的时代，产品可以按照自己的所需去找到相应的工位加工自己。

定制的机械耦合机构被简化

在产线规划和实施中，传统的机械输送必须配合各种非标的机械机构来实现各种加工的动作，对于ACOPOS 6D，我们会发现它使得机械系统简化，例如：

需要上下动作的配合，取消了特定的机械上下定位机构；

换向，动子可以转向，无需额外的机械换向机构；

倾斜，由于动子可以沿着X,Y方向做夹角动作，因此，这个方向原本所需的机械机构也可以被简化；

图6-ACOPOS 6D的六个自由度的运动

图6显示了ACOPOS 6D的动子滑块可以在6个自由度进行运动，而图7仅从顶视图描述它带来的各种自由度的加工场景。

图7-ACOPOS 6D的输送柔性组合（顶视图）

从1-8列举了ACOPOS 6D的实现中各种灵活情况，例如：

① 在特定区域,ACOPOS 6D的动子滑块可以实现热插拔，系统会自动重新规划路径；

② 不同规格的动子滑块可以进行不同尺寸规格产品加工，可以处于同一加工中心点，如激光打码；

③ 避免碰撞，动子滑块可以在平面上自由选择路径，避免碰撞；④ 排队同步运动，可以让整体占地面积小；

⑤ 不同动子滑块也让不同重心可以被纳入生产中；

⑥ 沿着Z轴旋转，选择合适角度加工，当然在X,Y轴也可以旋转；

⑦ 动子滑块可以在一个方向同步，另一个方向独立运行；

⑧ 两个动子滑块拼装并加大其负载能力。

当然，它不止于此的灵活，因为，这里并未表现其在Z轴上下动作，以及X,Y轴旋转的立体空间的柔性。

由于取消了产品与对应输送机构间的特定绑定关系，机械系统被简化，而产品没有这些束缚，而是按照所需快速实现加工动作，这就降低了机械输送、等待、上下料过程所需的时间，缩短了加工周期。

智能调度简化实现

原本在机械耦合关系下的工艺流程，只能在定型的流程上实现，而现在，对于未知产品来说，它也是无需特定的机械系统来进行加工，而是由动子滑块赋予它被“塑形”的可能，而动子滑块的另一个输送能力就赋予它调度的柔性，通过软件来定义，而不是被约束在硬件的路径上，ACOPOS 6D甚至创建了无需轨道的调度问题，可以成组、同步协同。

ACOPOStrak和ACOPOS 6D其本质是通过自主调度实现最优的效率，当然，这个调度的算法被封装为易于使用的模块，对于用户来说，仅需考虑自己的生产任务编排，而系统会自动为其实现最优的路径与调度过程。

这个时候，未知的产品，也可以被快速定义，而不受制于机械系统的关系。

通过解耦后的生产组织，将变为降低了非加工所需的输送和等待时间，提升了加工效率；

简化了机械的设计复杂度，使得机械系统与产品之间的强绑定关系被柔性的关系所取代，产品能够实现多种混线生产，而无需投资更多的产线来适应变化。这正是精益生产（Lean Production）的精神-不断挖掘生产潜能，改善生产过程，获得不断的效率提升。

图8-柔性输送技术应用场景

在贝加莱的ACOPOStrak和ACOPOS 6D的推动过程中，贝加莱的客户不断发现柔性输送技术的“惊人之举”，它带来全新的生产效率提升和高灵活性下的高品质。而贝加莱的工程团队也由掌握机械、工艺、生产运营的工程师构成，快速理解需求，并制定有效的规划、快速测试验证，获得众多成功，图8显示了众多的已经被验证的场景—由于它带来的令人欣喜的结果，被视为竞争力武器而用户因此不大释放宣传用的案例。

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图文来源：贝加莱工业自动化

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