柔性輸送技術(shù)為何潛能巨大？

柔性輸送技術(shù)讓整個(gè)生產(chǎn)處于靈活的可觀測(cè)、可控制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)精益所需的消除浪費(fèi)、達(dá)到效率倍增，它是制造數(shù)字化最后一個(gè)堡壘。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)睿工業(yè)（MIR）在2022年底發(fā)布的自動(dòng)化行業(yè)報(bào)告顯示，柔性輸送作為一個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域新興的細(xì)分市場(chǎng)，在過去的5年里一直保持著超過30%的增速。并預(yù)計(jì)未來(lái)5年該市場(chǎng)仍將有30%以上的復(fù)合增長(zhǎng)速度。

它為何如此快速的發(fā)展，究竟如何為制造業(yè)帶來(lái)效率提升，以及它究竟適合什么樣的場(chǎng)景？凡此種種，都需要我們回到制造的現(xiàn)場(chǎng)，從精益生產(chǎn)的視角來(lái)分析——這是一種用戶視角，而非技術(shù)本身的視角，可能我們會(huì)更易于理解它的魅力究竟在哪里？

01

站在精益視角來(lái)理解

精益生產(chǎn)是被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的一種管理體系，包括理念、原則、方法與工具的運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)。精益的核心理念在于“消除生產(chǎn)過程中的一切浪費(fèi)”。為實(shí)現(xiàn)消除生產(chǎn)中的浪費(fèi)，即需要通過實(shí)現(xiàn)JIT生產(chǎn)，它包括生產(chǎn)線上的連續(xù)流、單件流、拉動(dòng)式、均衡化、柔性、標(biāo)準(zhǔn)化等多個(gè)維度。最終要消除浪費(fèi)，并形成連續(xù)流動(dòng)的生產(chǎn)過程，以及均衡的負(fù)載-節(jié)拍一致，這就像要讓生產(chǎn)線保持一種優(yōu)美的韻律-流動(dòng)的盈利。

那么如果我們圍繞“消除一切浪費(fèi)”這一核心理念去分析，結(jié)合要實(shí)現(xiàn)連續(xù)流、均衡生產(chǎn)這一JIT模式來(lái)看，就本質(zhì)而言，如果達(dá)不到連續(xù)、均衡、標(biāo)準(zhǔn)、柔性，就會(huì)產(chǎn)生大量的浪費(fèi)。借此，我們就能看到柔性輸送技術(shù)，它究竟如何在消除浪費(fèi)并讓生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)JIT有哪些精彩表現(xiàn)。

02

傳統(tǒng)輸送帶來(lái)的生產(chǎn)中的浪費(fèi)分析

首先，我們需要了解采用機(jī)械屬性系統(tǒng)的浪費(fèi)，即，消除一切浪費(fèi)，這一核心理念中的浪費(fèi)在哪里？而與生產(chǎn)輸送系統(tǒng)相關(guān)的浪費(fèi)又在哪里？

? 等待浪費(fèi)：由于傳統(tǒng)的機(jī)械輸送系統(tǒng)（機(jī)械鏈道、皮帶、滾輪、分度臺(tái)等），將被加工對(duì)象綁定在一起，而生產(chǎn)工位必然的節(jié)拍差異，使得快速工位形成加工不足，而低速工位前面形成堆積、等待，生產(chǎn)也就無(wú)法形成連續(xù)性。

?加工浪費(fèi)：主要指那些多余的“不增值”的過程，如緩沖區(qū)過大帶來(lái)的不必要的輸送時(shí)間、排隊(duì)等待、輸送系統(tǒng)的維護(hù)、參數(shù)的調(diào)校、工裝夾具切換等。

?不良品浪費(fèi)：除了生產(chǎn)造成的不良品，這種眾所周知的考慮。另一個(gè)容易被忽視的是，如何剔除不良品，在傳統(tǒng)的輸送線上經(jīng)常需要人工來(lái)完成剔除，并需要重新人工補(bǔ)料，以及需要減速或局部停機(jī)，而這些都是會(huì)造成時(shí)間的浪費(fèi)，破壞生產(chǎn)的連續(xù)性。

?搬運(yùn)浪費(fèi)：如果產(chǎn)品的組裝需要經(jīng)由不同的通道，而這些通道無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)流動(dòng)，需要人工予以搬運(yùn)。即便使用機(jī)器人也會(huì)需要根據(jù)需要進(jìn)行夾具或參數(shù)的調(diào)校動(dòng)作，造成生產(chǎn)的遲滯。

這些浪費(fèi)可能會(huì)帶來(lái)的問題在于，理想的連續(xù)流、單件流（One Piece Flow）狀態(tài)下的生產(chǎn)才能達(dá)到效率最高，而這些都會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)缺乏連續(xù)性、中斷，這些都會(huì)浪費(fèi)時(shí)間、人工、機(jī)器的有效產(chǎn)能等，都會(huì)使得效率受到制約。

接著，我們來(lái)看看像貝加萊的ACOPOStrak，它如何來(lái)改善乃至消除這些浪費(fèi)，以及形成連續(xù)流、均衡化的生產(chǎn)過程。

03

傳統(tǒng)輸送連續(xù)流的難點(diǎn)？

即便對(duì)于所謂的流水線，其實(shí)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)仍然在輸送環(huán)節(jié)存在一些難題，使得產(chǎn)線無(wú)法達(dá)到連續(xù)流/單件流生產(chǎn)狀態(tài)：

■通常輸送需要形成閉環(huán)，這與傳輸?shù)臓恳龣C(jī)構(gòu)有關(guān)，利用皮帶、轉(zhuǎn)盤的方式必然得是閉環(huán)。這使得需要在不同的輸送通道間切換，帶來(lái)了不必要的時(shí)間和加工浪費(fèi)。

■需要根據(jù)生產(chǎn)配置機(jī)械的變位機(jī)構(gòu)，以及上下料機(jī)械手、龍門機(jī)構(gòu)，以及線體間的AGV及匹配的機(jī)器人。

■需要頻繁的上下料動(dòng)作，浪費(fèi)較多的時(shí)間。

對(duì)于復(fù)雜的流水線組織，需要在不同的工位間進(jìn)行靈活切換，傳統(tǒng)機(jī)械輸送需要人工、機(jī)器人或其它機(jī)構(gòu)的配合，而ACOPOStrak則給出了非常簡(jiǎn)單的動(dòng)作—變軌，在需要變化的時(shí)候，只需要從A軌道，切換到B軌道，而且實(shí)現(xiàn)極低擾動(dòng)-作為輸送的環(huán)節(jié)，并不影響加工本身的精度。

ACOPOStrak的軌道并非一定是閉環(huán)，它可以開環(huán)，加載被加工對(duì)象的動(dòng)子，可以從一個(gè)軌道經(jīng)過電磁場(chǎng)的吸放變化到另一個(gè)軌道，這無(wú)需額外的人工、機(jī)器人搬運(yùn)即可實(shí)現(xiàn)。這看似簡(jiǎn)單的“變軌”兩個(gè)字，卻實(shí)際上解決了生產(chǎn)里輸送的大量麻煩，時(shí)間和精力的消耗。

其實(shí)對(duì)于前面說(shuō)到的“頻繁上下料”，除了變軌可以讓在不同通道間來(lái)切換，對(duì)于原來(lái)需要上下料的，也可以設(shè)計(jì)為“邊走邊加工”。被加工的產(chǎn)品是加載在這個(gè)動(dòng)子上，而不是在軌道上—這很關(guān)鍵，過去的機(jī)械輸送，產(chǎn)品是嵌在軌道上了才變得不那么自由。而改為加載在可運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子上，就可以實(shí)現(xiàn)“邊走邊加工”—無(wú)需上下料，加工完沿著軌道自動(dòng)向前即可。

04

負(fù)載均衡問題

除了連續(xù)流/單件流，為了提高效率，各個(gè)工位間還要達(dá)到均衡化生產(chǎn)。但是，在傳統(tǒng)的輸送技術(shù)中，會(huì)由于以下的原因帶來(lái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)均衡化生產(chǎn)，使得設(shè)備資源、人工等浪費(fèi)。

■前道快，后道慢，零配件排隊(duì)等待，低效率；

■前道慢，后道快，機(jī)器等被加工產(chǎn)品來(lái)，低可用性。

■為了工序間所設(shè)置的大量緩沖區(qū)。

假設(shè)我們有1/2/3總計(jì)三個(gè)工位進(jìn)行3個(gè)不同的加工，其時(shí)間節(jié)拍分別為31.那么，這里我們可以用合適的工位匹配，以及合適的緩沖區(qū)設(shè)置，來(lái)使得整個(gè)生產(chǎn)達(dá)到均衡化，即，11的生產(chǎn)整體節(jié)拍。

▲圖2：ACOPOStrak的負(fù)載均衡。

圖2就是以工位的均衡來(lái)匹配，因?yàn)槭沁呑哌吋庸ぃ虼?，可以不需要上下料到工作臺(tái)上，然后配置出最小公倍數(shù)下的工作臺(tái)，這比較適合大規(guī)模的加工—特別需要提示，很多人認(rèn)為柔性輸送是為了個(gè)性化生產(chǎn)而設(shè)計(jì)，這也不完全正確，它其實(shí)是可以挖掘任何生產(chǎn)中的浪費(fèi)、中斷來(lái)解決問題，通過問題的解決來(lái)提升效率，對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)如此，對(duì)個(gè)性化也是如此。

當(dāng)然，對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)就可以根據(jù)生產(chǎn)來(lái)配置工位的匹配達(dá)到生產(chǎn)的均衡化，而對(duì)于柔性生產(chǎn)，那么這個(gè)工位就需要具有靈活性，而不一定是固定的個(gè)數(shù)，這個(gè)時(shí)候，ACOPOStrak它的動(dòng)子速度、加速度、間距就可以通過改善“緩沖”-工位間距，以及運(yùn)輸速度來(lái)彌補(bǔ)這些不必要的輸送和緩沖浪費(fèi)。同樣可以達(dá)到均衡的生產(chǎn)。

緩沖區(qū)是工廠經(jīng)常占地面積較大的部分，為了安全裕量，傳統(tǒng)的產(chǎn)線必然在工位間配置較大的緩沖區(qū)，而這使得輸送路徑較長(zhǎng)，且占地面積大，造成輸送的時(shí)間浪費(fèi)和物料的堆積。

對(duì)于ACOPOStrak和SuperTrak這樣的輸送系統(tǒng)而言，中間這個(gè)緩沖區(qū)可以被有效的消除，通過ACOPOStrak的動(dòng)子速度調(diào)節(jié)，這個(gè)緩沖區(qū)間的動(dòng)作可以被有效的降低，進(jìn)而提升整個(gè)生產(chǎn)的效率。當(dāng)然，這個(gè)緩沖區(qū)的設(shè)置降低乃至消除也是為了降低軌道本身的成本。

05

工程流-易于變更的產(chǎn)線

加工中必然所需要的變更、切換，也是非有效加工-不增值。但是，由于ACOPOStrak采用了電-磁切換，這使得系統(tǒng)可以被數(shù)字化描述，通過對(duì)軌道物理參數(shù)（動(dòng)子間距、速度、加速度、位置）、機(jī)器人、被加工對(duì)象（尺寸、重量）、傳感器（視覺、光電開關(guān)）均可建模，并在虛擬環(huán)境中測(cè)試驗(yàn)證。

通過像IndustrialPhysics等軟件的數(shù)字孿生設(shè)計(jì)，可以為系統(tǒng)進(jìn)行早期驗(yàn)證，以及貝加萊的為用戶提供的CTO（節(jié)拍優(yōu)化器）也可以對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。

這與傳統(tǒng)機(jī)械輸送的差異就很明顯，因?yàn)椋膭?dòng)子和被加載的對(duì)象都是可以被納入到仿真中的。而且，在重新任務(wù)編排時(shí)，貝加萊Automation Studio中也為ACOPOStrak提供了mappTrak的編排模塊，它可以快速對(duì)新的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行編排。

這些都可以在早期的設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，運(yùn)營(yíng)中的切換階段，可以在系統(tǒng)里以數(shù)字的方式預(yù)先進(jìn)行分析、優(yōu)化。在早期可以論證產(chǎn)線的效率/成本，在運(yùn)營(yíng)中，可以對(duì)下一個(gè)訂單的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行預(yù)先的編排和優(yōu)化，并下載，降低所需的時(shí)間消耗-而工裝夾具也可以有儲(chǔ)存區(qū)，通過機(jī)器人在線更換。大幅降低切換時(shí)間，消除不增值的時(shí)間浪費(fèi)。

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柔性輸送技術(shù)-制造數(shù)字化最后一個(gè)堡壘

像ACOPOStak這樣的輸送技術(shù)，它最大的特點(diǎn)就是“數(shù)字化”，通過電-磁轉(zhuǎn)換，使得原來(lái)機(jī)械的輸送，變成可被軟件操控的對(duì)象—這是真正意義的數(shù)字化。

回顧早在30年前產(chǎn)業(yè)想推動(dòng)的柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MS定義了四個(gè)組成，計(jì)算機(jī)管控平臺(tái)、數(shù)控（CNC）、工業(yè)通信、輸送系統(tǒng)，如圖3所示。前面三個(gè)其實(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，包括CIMS架構(gòu)里的CAD/CAE/CAM/CAPP等、ERP/MES等都已經(jīng)成熟，而數(shù)控加工，以及各種數(shù)字化設(shè)備也已經(jīng)成熟，而實(shí)時(shí)以太網(wǎng)及OPC UA也構(gòu)建了IT和OT的連接。

▲圖3：傳統(tǒng)的FMS定義中的系統(tǒng)組成。

數(shù)字化使得我們可以觀測(cè)生產(chǎn)過程，發(fā)現(xiàn)其存在的浪費(fèi)、以及優(yōu)化的方向和空間，并予以有效的控制、管理過程，實(shí)現(xiàn)精益所要達(dá)到的不斷持續(xù)改善，以及效率的不斷提升。

但是，這四個(gè)組成中，輸送系統(tǒng)卻一直沒有被數(shù)字化，在很長(zhǎng)的時(shí)間里，前道的工藝成型設(shè)備已經(jīng)很好的數(shù)字化控制、連接到生產(chǎn)系統(tǒng)。但是，現(xiàn)場(chǎng)還有人工的搬運(yùn)，好一點(diǎn)到機(jī)械的皮帶輸送，或者再高級(jí)一點(diǎn)到分度盤、機(jī)械鏈道，但是，他們一直沒有能夠?qū)⑦@個(gè)輸送系統(tǒng)給數(shù)字化，因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)了數(shù)字化，才能讓大腦的指令被高效執(zhí)行。而柔性輸送技術(shù)就相當(dāng)于攻克了制造數(shù)字化的最后一個(gè)堡壘。

這也是為什么像ACOPOStrak/ACOPOS 6D這樣的輸送技術(shù)擁有巨大潛能的原因，它是制造數(shù)字化最后一個(gè)堡壘。因?yàn)?，它讓整個(gè)生產(chǎn)處于靈活的可觀測(cè)、可控制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)精益所需的消除浪費(fèi)、達(dá)到效率倍增。

審核編輯：劉清