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傳統的柔性制造技術為何難以推進？

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“個性化”生產難題，FMS被定義由如圖·1所示的四個核心單元組成：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題下的系統。然而，時至今日， FMS主要在汽車零配件生產及組裝一些領域應用，而CIMS似乎已經逐漸淡出視線。

圖1-FMS柔性制造系統基本架構

柔性制造的難題在哪里？

實際上，在傳統意義上，FMS/CIMS受制于技術本身的局限，在較長的時間里存在一些必然的問題：

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

通信連接：在柔性系統中，各工藝設備間是需要連接及語義交互，并且與全局規劃的設計、計劃調度系統要動態交互，這些都需要通信網絡和語義互操作規約的支持。對于傳統的機械輸送系統來說，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這類數字化設計類軟件與PLC、CNC這類運行時軟件間的交互，也是比較困難的。傳統意義的FMS有一個難點，即，對于“未知”產品的生產往往需要大量的測試驗證，這個對于批量本來不大的生產任務來說，測試驗證將造成成本居高不下。因此，如何實現機械、電氣控制與傳動、工藝間的協同仿真與虛擬測試，也是FMS系統的難題。

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中能夠局部實現，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。而對于更為廣泛的食品、飲料、日化、醫療、制藥等領域來說，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，能夠有產品生產出來即可，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注，以及企業開始推進，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贏得市場的未來關鍵。而作為制造領域的方案提供者，貝加萊一直關注制造的柔性，并且不斷推進柔性制造的實現—本次，我們介紹多維運動控制如何響應且改變著制造的柔性實現。

1維運動控制-機器內的柔性

在離散制造領域的機器與裝備，實際上首先是可以實現加工的柔性的，貝加萊的ACOPOS家族里的伺服驅動器，ACOPOSmotor-針對高防護等級領域、ACOPOSmulti-共直流母線驅動、ACOPOSmicro等都是可以支持各種變化的生產的，如圖2所示。

圖2-ACOPOS家族產品應用于機器組合

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

（1） 印刷機械的無軸傳動技術，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，通過設置刀輥的電子凸輪曲線，代替機械刀輥，通過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，還需要老師傅的經驗，否則可能會調校很多次，浪費很多材料。

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

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

當然，像這種1維運動主要發生在一個機器內部的產品變化，他們帶來機器本身的工藝柔性-讓機器可以通過參數設置來適應不同的加工規格，成型工藝。

2維運動-生產在機器間流動

當一個或多個產品從不同的設備進入了組裝階段，那么，這個就離開了機器，進入了一個更為大的空間中，這個時候，當產品的尺寸規格、組合方式、工序順序發生變化的時候，這個柔性就對生產提出了巨大的挑戰—調度這些任務以形成各種組合，可能是數十個、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，如果還用傳統的一維運動的組合就會讓這個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兩個維度的運動，那么，就可以把整個產線簡化，并且，能夠實現組合的靈活性，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，可以按照設定去相關的工位加工，而不像傳統輸送帶，只能按照固定的速度，在系統各個單元不匹配時候，不能進行負載的有效分配，以達到最大的效率。

圖3-ACOPOStrak構建的二維空間中的靈活生產線組織

ACOPOStrak就是這樣的設計，它讓被加工對象在X,Y兩個維度去運動，然后，能夠實現匯流、分流，它實際上帶來的不僅是靈活性，而且，也包括對一些設計的簡化：

降低了機械的復雜性，例如頻繁的上下料過程被削減，因為傳統的機械結構，在輸送線的流動件要經過每個單元，要被上下料的機構送到機臺上進行加工，而輸送系統則直接托盤形式讓它經過每個單元，這就簡化了機械結構。

節拍的協同：在一個系統中，存在著高速、低速的生產單元，那么，輸送系統如果不具有靈活性，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”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，那么就會產生分流、匯流，但是，這三個單元就變成了最終1:1:1的生產—這意味著沒有了“瓶頸”。

物流調度問題：實際上，仔細想想，一個生產系統，它需要把不同的原材料、按照不同的路徑、精準的輸送到每個工站，然后經過其它單元形成一個完整的產品，那么，這個系統的調度能力就必須非常強。

圖4-ACOPOStrak的優點

ACOPOStrak不僅提供定位的精度，它還為生產的路徑提供了“智能”的算法，這個算法確保，對于用戶來說，僅需設定好一個產品的流程，編碼，然后，ACOPOStrak會自動為您生產一個流程。

6維-將制造的柔性延展到空間

當產線進一步發展，產品的流程變得更為復雜的時候，我們會發現一些微小的變化，就要支付較為復雜的機械結構來配合。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，無機械接觸，不產生摩擦。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,R(Y)-沿Y軸的旋轉,R(Z)-沿Z軸的旋轉，即在X,Y,Z的運動及這三個維度的旋轉疊加運動，它使得運動可以在空間形成自由，這種輸送方式，進一步將2維運動擴展到6維。

ACOPOS 6D如何簡化機械設計？

我們用幾個場景來看ACOPOS 6D可以讓整個產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來實現這個（伺服電機或直線電機），或者需要輸送到一個機臺旁邊，用機構上下料方式進行這個動作。

X,Y軸運動：同樣道理，對于一個需要一些傾角進行加工的時候（如磨邊、涂膠、貼標），你需要額外的機械結構來實現這一點，而ACOPOS 6D的動子托盤可以沿著X和Y軸進行旋轉的。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機械結構上的激光頭，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：如果你剛好加工完工件一側需要加工另一側時候，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，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，即使產品發生變化，它也不需要機械輸送的調整或者改變。

ACOPOS 6D給了工程師設計產線的各種可能性，簡化了機械。對于非標自動化，有時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線設計，而且智能的調度，讓你只需要關注，你的理想中自由的產線是什么樣的？ACOPOS 6D來幫您實現它。

圖7介紹了它的特點和一些關鍵指標。

圖7- ACOPOS 6D的特點

實際上，ACOPOS 6D的非接觸也對潔凈環境具有適應性，像這種純粹非接觸的輸送，連產生機械磨損造成的粉塵機會都沒有，對于制藥、醫療、鋰電類生產真是再合適不過。

調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“調度”的智能性上。因為從生產的計劃與調度人員視角來看，對于多個工序的個性化加工來說，這個智能“排產”還是需要一定的策略和方法的。但是對于ACOPOStrak和ACOPOS 6D來說這個調度本身是已經被封裝好的，用戶僅需通過軟件來“編排”任務即可，在這里，沒有用到“編程”因為它主要是為不同的生產任務設定初始與目標點，而系統則會進行調度的計算，他們之間通過POWERLINK網絡來感知各自的位置、間距，并傳遞各自的當前位置與速度，如圖7所示，這是一個完全可以被感知的柔性系統-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通信規約，可以跟生產計劃、調度系統之間實現交互，以接受來自生產的任務，并解析執行。

圖8-每個軌道都是通過POWERLINK實時網絡連接的

運動控制-讓制造的空間更靈活

運動控制，從1維的ACOPOS系列驅動電機的運動，到ACOPOStrak在X,Y維度讓產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（大規模標準生產模式）。

圖9-六維運動控制技術的演變

貝加萊的運動控制技術，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，實現個性化，挑戰不可能。

他們可以用在哪里？

對于ACOPOS系列來說，自1997年推出已經廣泛在各個行業。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，并已經投入應用。目前它在全球市場已經用到的場景包括了圖9所示的諸多領域，當然，它并局限于這些，因為，任何需要個性化，而又追求高品質、低成本的領域，都是他們發揮的空間。

圖10-柔性輸送技術應用場景

事實上，談到柔性制造，除了最初我們談到的技術性問題，也意味著市場的問題，FMS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、軟件技術本身也是不經濟的，專門為一個企業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，這是其本身的經濟性問題。

第二個經濟相關的問題是人們的生活水平的問題，即或在90年代初，我們仍然處于“賣方”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，高品質而又個性化的產品需求才開始逐漸顯現出明顯的需求增加，這意味著柔性制造的爆發。

關于貝加萊

貝加萊是一家總部位于奧地利并在全球擁有分公司的創新型自動化企業。2017年7月，貝加萊成為ABB集團的機械自動化事業部。作為工業自動化領域的全球領導者，貝加萊將前沿技術與領先工程相結合，為幾乎每個行業的客戶提供面向機器與工廠自動化、運動控制、HMI和集成安全技術的完整解決方案。借助于OPC UA、POWERLINK、openSAFETY等工業物聯網通信標準，以及強大的Automation Studio軟件開發平臺，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。受簡化流程和超出客戶預期的承諾驅動，貝加萊始終保持創新精神并處于工業自動化領域的前沿。