【技术前沿】制造产线设计的变革

工业生产经历了机械的传动，到电气传动，从单机到产线的不断发展过程，这其中，不仅包含了机械设计的变化、电气从总线逻辑到复杂运动与机器人的集成，并且也包含着运营管理如精益方面的提升，当然，更为关键的在于每个垂直的行业，都有其自身的行业工艺的集成。

今天，一个手机的生产已经涵盖了注塑、钣金、电子、包装、机器人、物流、仿真、软件、信息管理、人工智能的所有复杂工程的集成，产线不断的变得复杂。

什么是制造创新的关键？

正是用于制造的产线变得更为复杂，而且客户的需求也变得更为个性化，才需要借助于不断的技术创新来解决这些复杂的问题。

制造的本质问题

对于制造业而言，“质量”、“成本”、“交付”这三个问题从来都没有改变，因此，无论我们多么复杂的生产与制造，都必须围绕这几个问题来解决，当然，对于智能时代，产品的变化使得“灵活性”或生产的柔性有着极为迫切的需求。

约束条件下的复杂过程

制造创新的难点在哪里？让我们进入生产的场景，每个手机的生产需要数百个工序，每个工序里被加工产品的物理对象进行各种加工时所需的定位、电机的扭矩输出、速度、加速度、机械的弹性变形，每个工序中细分的流程，这些每个因素都会影响整个生产的过程，而如何能够在这个约束条件下寻找最优的参数、流程、材料是制造过程创新持续发展的关键。

每个细微的进步都会让生产更具性价比，也让企业更具竞争力。

传统的产线设计存在哪些问题？

在柔性制造的产线设计中，输送系统是其中非常关键的一环，因为“协同”必须通过物理的产线连接来实现，不仅是物理的机械连接，也包括数据的通信连接，而传统的生产输送则存在以下一些问题：

（1）机械磨损:采用机械链条、磨损会造成需要经常性的维护，并且会影响传动精度；而且，这也会带来较大额度噪音，由于机械的复杂，会让维修也变得复杂，耗费较多的维修等待时间，产线OEE下降。

（2）工作站间位置不能灵活变动：重新的机械调整需要花费较多的时间调校；

（3）缺乏数据沟通&设备协调难度高：无法与控制系统、生产系统进行数据交互；并且难以融入到数字化设计的建模仿真中，以及与工艺装备、机器人实现高精度协同。

（4）产品换型周期长：每次调整产线需要进行拆装，重组，花费较多的时间；

（5）生产流程复杂：输送、上料、加工、下料过程复杂，尤其对于加工工序较多的生产而言，非有效加工时间占比较大。这会造成生产节拍较长。

图1-传统产线输送存在的问题

柔性电驱输送系统

柔性电驱输送系统的原理如图：

在直线轨道上（由线圈组构成），动子滑块可以在X轴方向移动，而这个轨道也可以为直线、弯道各种形式，可以构成不同的产线形式。

图2-柔性电驱输送系统的原理简介

由于轨道后的线圈会产生磁力，与滑块的永磁体产生水平方向的排斥力推动滑块的运动—这与伺服电机原理一致，只是这个是切开的伺服电机，而且，与普通直线电机不同在于它的滑块数量是非常多的，由贝加莱提供的SuperTrak轨道最大可以达到50米长，而滑块间距可以在200mm左右分布 ，而最新的ACOPOStrak已经规划的单个项目可以达到320米长度，500个滑块，滑块最小间距50mm。

图3-ACOPOStrak构成的产线图

由于"变轨过程"是电磁方式实现，因此变轨过程中不会造成传统机械一样的磨损，而通过电磁系统，也可以将产线的位置等数据进行反馈，这些都是它之所以被研发的原因。

在ACOPOStrak图3中，事实上，小型的轨道可以像F1一样形成一个“维修站”，当有次品被剔除的时候可以到这个地方，并且这个“维修站”还可以作为更换工装夹具的地方，维修也可以，即，维修和更换夹具并不影响当前生产。

图4-ACOPOStrak实物图

为什么说柔性电驱是革命性的设计？

柔性电驱输送系统SuperTrak和ACOPOStrak就是为了解决生产制程中传统产线的问题而设计，它兼具了非常多的特性，使得它具有真正“革命性”的产线设计能力。

数字孪生（Digital Twin）

图5-ACOPOStrak实现的数字孪生

ACOPOStrak是典型机电一体化设计，可以实现基于“Digital Twin”-即，在数字化设计与物理对象之间的交互，通过建模仿真实现对产线的验证，并可直接下载到物理对象的控制器中运行，而物理对象的运行过程可以实时在虚拟环境中数字化呈现，并可以被调整，实现数字与物理对象间的实时交互。

数字孪生带来的好处在于：

（1）可以预先的产线规划与验证：在项目未进入安装之前即可验证其可行性；

（2）虚拟调试：在虚拟环境中对控制逻辑、同步关系进行调试；

（3）变更工艺中的验证：当发生产线调整时，可以在线验证工艺。

人-机协同中的安全

由于人具有的柔性，在很多时候机器也未必具有，但机器更擅长精准、高频率高速响应的任务，人-机协作本身就是制造产线创新的一个趋势，但这里安全技术扮演非常重要的角色。

图6-人-机协同中扮演重要角色

在机器人系统中，协同机器人安全规范IEC1566和ISO-10218都是针对机器人与人机协作的安全标准，而贝加莱的ACOPOStrak驱动系统、X20控制器、ABB的机器人均具有满足功能安全的能力。

例如SLS@TCP，可以为机器人的TCP提供安全限速，当有人进入工作区域，系统降低速度避免对人体的伤害而同时却不会破坏产线生产的连续性，当然包括SMS,SDI等非常多的安全功能都可以被用于保护人身的安全，同时平衡产线的OEE较高水平。

自由的产线组合

SuperTrak和ACOPOStrak可以实现产线的任意组合，达到最大的产线灵活性，一方面是产线本身规划的灵活性，当然，最重要的是第二个灵活性：产品的个性化定制方面的灵活性。

图7-各种形状的轨道设计

图8-先进的分流汇流技术

哪些场景需要trak？

举两个简单例子：

（1）食品饮料包装线

如果你有6个不同颜色的饮料，来自不同的产线，可以汇流至一个产线包装，成为个性化定制的一箱饮料。

如果你有1个产线速度非常高的灌装机，但后道二次包装是瓶颈，那么可以设计为一个灌装线的产品分流到6个不同的二次包装线。

（2）电子产品组装

来自不同的产线的零配件汇流到一个产线，并在主轨道上按照次序进行生产，那么就可以由非常多的轨道分别进行汇流生产。

图9-灵活的产线规划与组织

贝加莱的SuperTrak/ACOPOStrak代表着新一代的智能产线设计迈向全数字化、真正的柔性协同，机械、电气、软件、工艺被紧密的集成，以达到最大的生产柔性。

关于贝加莱

贝加莱是一个总部位于奥地利并拥有遍布全球分支机构的创新驱动型自动化企业，2017年7月，贝加莱成为ABB集团全球机器与工厂自动化业务单元。作为全球工业自动化领域的领导者，贝加莱融合了前沿技术与先进的工程能力，为各个产业客户提供机器与工厂自动化、运动控制、HMI以及集成安全技术的完整解决方案。通过工业物联网通信标准如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及贝加莱强大的Automation Studio软件开发环境，贝加莱不断重新定义自动化工程的未来。贝加莱保持持续的创新精神，为客户提供更为简化以及超出预期的工业自动化领域前沿技术与方案。