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工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)歷了從機(jī)械傳動(dòng)到電氣傳動(dòng)，從單機(jī)到產(chǎn)線不斷發(fā)展的過程，這其中不僅包含了機(jī)械設(shè)計(jì)的變化、電氣從總線邏輯到復(fù)雜運(yùn)動(dòng)與機(jī)器人的集成，并且也包含著運(yùn)營管理如精益方面的提升，當(dāng)然，更為關(guān)鍵的在于每個(gè)垂直的行業(yè)，都有其自身的行業(yè)工藝的集成。

今天，一個(gè)手機(jī)的生產(chǎn)已經(jīng)涵蓋了注塑、鈑金、電子、包裝、機(jī)器人、物流、仿真、軟件、信息管理、人工智能的所有復(fù)雜工程的集成，產(chǎn)線不斷地變得復(fù)雜。

1　什么是制造創(chuàng)新的關(guān)鍵？

正是用于制造的產(chǎn)線變得更為復(fù)雜，而且客戶的需求也變得更為個(gè)性化，才需要借助技術(shù)的不斷創(chuàng)新來解決這些復(fù)雜的問題。

（1）制造的本質(zhì)問題

對(duì)于制造業(yè)而言，質(zhì)量、成本、交付這三個(gè)問題從來都沒有改變，因此，無論我們多么復(fù)雜的生產(chǎn)與制造，都必須圍繞這幾個(gè)問題來解決，當(dāng)然，對(duì)于智能時(shí)代，產(chǎn)品的變化使得“靈活性”或生產(chǎn)的柔性有著極為迫切的需求。

（2）約束條件下的復(fù)雜過程

制造創(chuàng)新的難點(diǎn)在哪里？讓我們進(jìn)入生產(chǎn)的場(chǎng)景，每個(gè)手機(jī)的生產(chǎn)需要數(shù)百個(gè)工序，每個(gè)工序里被加工產(chǎn)品的物理對(duì)象進(jìn)行各種加工時(shí)所需的定位、電機(jī)的扭矩輸出、速度、加速度、機(jī)械的彈性變形，每個(gè)工序中細(xì)分的流程，這些每個(gè)因素都會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)的過程，而如何能夠在這個(gè)約束條件下尋找最優(yōu)的參數(shù)、流程、材料是制造過程創(chuàng)新持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

每個(gè)細(xì)微的進(jìn)步都會(huì)讓生產(chǎn)更具性價(jià)比，也讓企業(yè)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

2　傳統(tǒng)的產(chǎn)線設(shè)計(jì)存在哪些問題？

在柔性制造的產(chǎn)線設(shè)計(jì)中，輸送系統(tǒng)是其中非常關(guān)鍵的一環(huán)，因?yàn)椤皡f(xié)同”必須通過物理的產(chǎn)線連接來實(shí)現(xiàn)，不僅是物理的機(jī)械連接，也包括數(shù)據(jù)的通信連接，而傳統(tǒng)的生產(chǎn)輸送則存在以下一些問題：

（1）機(jī)械磨損：采用機(jī)械鏈條、磨損會(huì)造成需要經(jīng)常性的維護(hù)，并且會(huì)影響傳動(dòng)精度；而且，這也會(huì)帶來較大額度噪音，由于機(jī)械的復(fù)雜，會(huì)讓維修也變得復(fù)雜，耗費(fèi)較多的維修等待時(shí)間，產(chǎn)線OEE下降。

（2）工作站間位置不能靈活變動(dòng)：重新的機(jī)械調(diào)整需要花費(fèi)較多的時(shí)間調(diào)校。

（3）缺乏數(shù)據(jù)溝通&設(shè)備協(xié)調(diào)難度高：無法與控制系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（4）產(chǎn)品換型周期長：每次調(diào)整產(chǎn)線需要進(jìn)行拆裝，重組，花費(fèi)較多的時(shí)間。

（5）生產(chǎn)流程復(fù)雜：輸送、上料、加工、下料過程復(fù)雜，尤其對(duì)于加工工序較多的生產(chǎn)而言，非有效加工時(shí)間占比較大，這會(huì)造成生產(chǎn)節(jié)拍較長。

圖1 傳統(tǒng)產(chǎn)線輸送存在的問題

3 柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng)

柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng)的原理如圖2所示。

在直線軌道上（由線圈組構(gòu)成），動(dòng)子滑塊可以在X軸方向移動(dòng)，而這個(gè)軌道也可以為直線、彎道各種形式，可以構(gòu)成不同的產(chǎn)線形式。

圖2 柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng)的原理簡介

由于軌道后的線圈會(huì)產(chǎn)生磁力，與滑塊的永磁體產(chǎn)生水平方向的排斥力推動(dòng)滑塊的運(yùn)動(dòng)——這與伺服電機(jī)原理一致，只是這個(gè)是切開的伺服電機(jī)，而且，與普通直線電機(jī)不同在于它的滑塊數(shù)量是非常多的，由貝加萊提供的SuperTrak軌道最大可以達(dá)到50米長，而滑塊間距可以在200cm左右分布，而最新的ACOPOStrak已經(jīng)規(guī)劃的單個(gè)項(xiàng)目可以達(dá)到320米長度，500個(gè)滑塊，滑塊最小間距50mm。

圖3 ACOPOStrak構(gòu)成的產(chǎn)線圖

由于“變軌過程”是電磁方式實(shí)現(xiàn)，因此，變軌過程中不會(huì)造成傳統(tǒng)機(jī)械一樣的磨損，而通過電磁系統(tǒng)，也可以將產(chǎn)線的位置等數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，這些都是它之所以被研發(fā)的原因。

在圖3中，小型的軌道可以像F1一樣形成一個(gè)“維修站”，當(dāng)有次品被剔除的時(shí)候可以到這個(gè)地方，并且這個(gè)“維修站”還可以作為更換工裝夾具的地方，甚至進(jìn)行維修，即維修和更換夾具并不影響當(dāng)前生產(chǎn)。

圖4 ACOPOStrak實(shí)物圖

4　為什么說柔性電驅(qū)是革命性的設(shè)計(jì)？

柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng)SuperTrak和ACOPOStrak是為了解決生產(chǎn)制程中傳統(tǒng)產(chǎn)線的問題而設(shè)計(jì)，兼具非常多的特性，使得它具有真正“革命性”的產(chǎn)線設(shè)計(jì)能力。

（1）數(shù)字孿生

圖5 ACOPOStrak實(shí)現(xiàn)的數(shù)字孿生

ACOPOStrak是典型機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)“Digital Twin”，即在數(shù)字化設(shè)計(jì)與物理對(duì)象之間的交互，通過建模仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)線的驗(yàn)證，并可直接下載到物理對(duì)象的控制器中運(yùn)行，而物理對(duì)象的運(yùn)行過程可以實(shí)時(shí)在虛擬環(huán)境中數(shù)字化呈現(xiàn)，并可以被調(diào)整，實(shí)現(xiàn)數(shù)字與物理對(duì)象間的實(shí)時(shí)交互。

數(shù)字孿生帶來的好處在于：

① 可以預(yù)先做產(chǎn)線規(guī)劃與驗(yàn)證：在項(xiàng)目未進(jìn)入安裝之前即可驗(yàn)證其可行性；

② 虛擬調(diào)試：在虛擬環(huán)境中對(duì)控制邏輯、同步關(guān)系進(jìn)行調(diào)試；

③ 變更工藝中的驗(yàn)證：當(dāng)發(fā)生產(chǎn)線調(diào)整時(shí)，可以在線驗(yàn)證工藝。

（2）人-機(jī)協(xié)同中的安全

由于人具有柔性，但在很多時(shí)候機(jī)器未必具有，但機(jī)器更擅長精準(zhǔn)、高頻率高速響應(yīng)的任務(wù)，人-機(jī)協(xié)作本身就是制造產(chǎn)線創(chuàng)新的一個(gè)趨勢(shì)，但這里安全技術(shù)扮演非常重要的角色。

圖6 人-機(jī)協(xié)同中扮演重要角色

在機(jī)器人系統(tǒng)中，協(xié)同機(jī)器人安全規(guī)范IEC1566和ISO-10218都是針對(duì)機(jī)器人與人機(jī)協(xié)作的安全標(biāo)準(zhǔn)，而貝加萊的ACOPOStrak驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、X20控制器、ABB的機(jī)器人均具有滿足功能安全的能力。

例如SLS@TCP，可以為機(jī)器人的TCP提供安全限速，當(dāng)有人進(jìn)入工作區(qū)域，系統(tǒng)降低速度避免對(duì)人體的傷害而同時(shí)卻不會(huì)破壞產(chǎn)線生產(chǎn)的連續(xù)性，當(dāng)然包括SMS、SDI等非常多的安全功能都可以被用于保護(hù)人身的安全，同時(shí)平衡產(chǎn)線的OEE較高水平。

（3）自由的產(chǎn)線組合

SuperTrak和ACOPOStrak可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的任意組合，達(dá)到最大的產(chǎn)線靈活性，一方面是產(chǎn)線本身規(guī)劃的靈活性，當(dāng)然，最重要的是第二個(gè)靈活性：產(chǎn)品個(gè)性化定制方面的靈活性。

圖7 各種形狀的軌道設(shè)計(jì)

圖8 先進(jìn)的分流匯流技術(shù)

哪些場(chǎng)景需要匯流分流？

舉兩個(gè)簡單例子：

·食品飲料包裝線

如果你有6個(gè)不同顏色的飲料，來自不同的產(chǎn)線，可以匯流至一個(gè)產(chǎn)線包裝，成為個(gè)性化定制的一箱飲料。

如果你有1個(gè)產(chǎn)線速度非常高的灌裝機(jī)，但后道二次包裝是瓶頸，那么可以設(shè)計(jì)為一個(gè)灌裝線的產(chǎn)品分流到6個(gè)不同的二次包裝線。

·電子產(chǎn)品組裝

來自不同產(chǎn)線的零配件匯流到一個(gè)產(chǎn)線，并在主軌道上按次序進(jìn)行生產(chǎn)，那么就可以由非常多的軌道分別進(jìn)行匯流生產(chǎn)。

圖9 靈活的產(chǎn)線規(guī)劃與組織

貝加萊的SuperTrak/ACOPOStrak代表著新一代的智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)邁向全數(shù)字化、真正的柔性協(xié)同，機(jī)械、電氣、軟件、工藝被緊密的集成，以達(dá)到最大的生產(chǎn)柔性。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年1月刊