知名市場研究機構(gòu)睿工業(yè)(MIR)在2022年底發(fā)布的自動化行業(yè)報告顯示，柔性輸送作為一個自動化領(lǐng)域新興的細分市場，在過去的5年里一直保持著超過30%的增速，并預(yù)計未來5年該市場仍將有30%以上的復(fù)合增長速度。

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

　　文/貝加萊工業(yè)自動化(中國)有限公司

　　1 站在精益視角來理解

　　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、方法與工具的運營系統(tǒng)。圖1是經(jīng)典的對于精益制造體系的描述?？梢钥吹剑娴暮诵睦砟钤谟凇跋a(chǎn)過程中的一切浪費”。因此，如果能夠消除生產(chǎn)中的浪費—提升有效加工在生產(chǎn)中的占比，就能大幅提升生產(chǎn)效率。而單位時間的產(chǎn)能提升，也意味著單件成本的降低—這意味著企業(yè)的盈利能力的提升。

圖1 精益屋頂架構(gòu)(圖片源自網(wǎng)絡(luò)通用介紹)

　　為實現(xiàn)消除生產(chǎn)中的浪費，即需要通過實現(xiàn)JIT生產(chǎn)，它包括生產(chǎn)線上的連續(xù)流、單件流、拉動式、均衡化、柔性、標準化等多個維度。最終要消除浪費，并形成連續(xù)流動的生產(chǎn)過程，以及均衡的負載-節(jié)拍一致，這就像要讓生產(chǎn)線保持一種優(yōu)美的韻律-流動的盈利。

　　那么如果我們圍繞“消除一切浪費”這一核心理念去分析，結(jié)合要實現(xiàn)連續(xù)流、均衡生產(chǎn)這一JIT模式來看，就本質(zhì)而言，如果達不到連續(xù)、均衡、標準、柔性，就會產(chǎn)生大量的浪費。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并讓生產(chǎn)實現(xiàn)JIT有哪些精彩表現(xiàn)。

　　2 傳統(tǒng)輸送帶來的生產(chǎn)中的浪費分析

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

　　l 等待浪費：由于傳統(tǒng)的機械輸送系統(tǒng)(機械鏈道、皮帶、滾輪、分度臺等)，將被加工對象綁定在一起，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)業(yè)就無法形成連續(xù)性;

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

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

　　l 搬運浪費：如果產(chǎn)品的組裝需要經(jīng)由不同的通道，而這些通道無法實現(xiàn)連續(xù)流動，需要人工予以搬運。即便使用機器人也會需要根據(jù)需要進行夾具或參數(shù)的調(diào)校動作，造成生產(chǎn)的遲滯。

　　這些浪費可能會帶來的問題在于，理想的連續(xù)流、單件流(One Piece Flow)狀態(tài)下的生產(chǎn)才能達到效率最高，而這些都會導(dǎo)致生產(chǎn)缺乏連續(xù)性、中斷，這些都會浪費時間、人工、機器的有效產(chǎn)能等，都會使得效率受到制約。

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

　　3 傳統(tǒng)輸送連續(xù)流的難點?

　　即便對于所謂的流水線，其實，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)線無法達到連續(xù)流/單件流生產(chǎn)狀態(tài)：

　　(1)通常輸送需要形成閉環(huán)，這與傳輸?shù)臓恳龣C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，帶來了不必要的時間和加工浪費。

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

　　(3)需要頻繁的上下料動作，浪費較多的時間。

圖2 傳統(tǒng)輸送機構(gòu)

　　圖2是傳統(tǒng)機械環(huán)形輸送，需要考慮上下料，以及被加工對象實際上是嵌入在固定節(jié)距的鏈道上，這個環(huán)形適合在一個加工區(qū)，進入另一個區(qū)就需要另外的搬運和輸送。

　　4 ACOPOStrak解題——變軌技術(shù)

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

　　如圖3所示，ACOPOStrak的軌道并非一定是閉環(huán)，它可以開環(huán)，加載被加工對象的動子，可以從一個軌道經(jīng)過電磁場的吸放變化到另一個軌道，這無需額外的人工、機器人搬運即可實現(xiàn)。

圖3 ACOPOStrak的變軌技術(shù)讓動子可以在多個軌道間靈活變化

　　這看似簡單的“變軌”兩個字，卻實際上解決了生產(chǎn)里輸送的大量麻煩，時間和精力的消耗。

　　(1)ACOPOStrak解題思路——邊走邊加工

　　其實對于前面說到的“頻繁上下料”，除了變軌可以讓在不同通道間來切換，對于原來需要上下料的，也可以設(shè)計為“邊走邊加工”。被加工的產(chǎn)品是加載在這個動子上，而不是在軌道上—這很關(guān)鍵，過去的機械輸送，產(chǎn)品是嵌在軌道上了才變得不那么自由。而改為加載在可運動的動子上，就可以實現(xiàn)“邊走邊加工”——無需上下料，加工完沿著軌道自動向前即可。

　　5 負載均衡問題

　　除了連續(xù)流/單件流，為了提高效率，各個工位間還要達到均衡化生產(chǎn)。但是，在傳統(tǒng)的輸送技術(shù)中，會由于以下的原因帶來無法實現(xiàn)均衡化生產(chǎn)，使得設(shè)備資源、人工等浪費。

　　(1)前道快，后道慢，零配件排隊等待，低效率;

　　(2)前道慢，后道快，機器等被加工產(chǎn)品來，低可用性;

　　(3)為了工序間所設(shè)置的大量緩沖區(qū)。

　　(1)ACOSPOtrak解題——節(jié)拍匹配

　　假設(shè)我們有1/2/3總計三個工位進行3個不同的加工，其時間節(jié)拍分別為3:2:1.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，來使得整個生產(chǎn)達到均衡化，即，1:1:1的生產(chǎn)整體節(jié)拍。

圖4 ACOPOStrak的負載均衡

　　圖4就是以工位的均衡來匹配，因為是邊走邊加工，因此，可以不需要上下料到工作臺上，然后配置出最小公倍數(shù)下的工作臺，這比較適合大規(guī)模的加工—特別需要提示，很多人認為柔性輸送是為了個性化生產(chǎn)而設(shè)計，這也不完全正確，它其實是可以挖掘任何生產(chǎn)中的浪費、中斷來解決問題，通過問題的解決來提升效率，對大規(guī)模生產(chǎn)如此，對個性化也是如此。

　　當然，對于大規(guī)模生產(chǎn)就可以根據(jù)生產(chǎn)來配置工位的匹配達到生產(chǎn)的均衡化，而對于柔性生產(chǎn)，那么這個工位就需要具有靈活性，而不一定是固定的個數(shù)，這個時候，ACOPOStrak它的動子速度、加速度、間距就可以通過改善“緩沖”——工位間距，以及運輸速度來彌補這些不必要的輸送和緩沖浪費。同樣可以達到均衡的生產(chǎn)。

　　(2)ACOPOStrak解題：緩沖分配，不容小覷

　　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，且占地面積大，造成輸送的時間浪費，和物料的堆積。

　　以現(xiàn)實中的灌裝過程舉例，通常，考慮到各個工站的穩(wěn)定性問題，通常會考慮在生產(chǎn)線的各個工位間設(shè)置緩沖(Buffer)。如圖5，我們以線性灌裝和旋蓋兩個工位的時間分別為0.5S和1S為例，那么，從圖6的過程中，經(jīng)過計算，我們可以發(fā)現(xiàn)，由于緩沖過大，旋蓋需要到第14個0.5s的節(jié)拍后才可以生產(chǎn)，因此，產(chǎn)生了大量的等待時間。

圖5 關(guān)于緩沖區(qū)合理配置的例子

　　對于ACOPOStrak和SuperTrak這樣的輸送系統(tǒng)而言，中間這個緩沖區(qū)可以被有效的消除，通過ACOPOStrak的動子速度調(diào)節(jié)，這個緩沖區(qū)間的動作可以被有效的降低，使得灌裝結(jié)束最快的灌裝，而無需等待10多個節(jié)拍后才旋蓋，進而提升整個生產(chǎn)的效率。當然，這個緩沖區(qū)的設(shè)置降低乃至消除也是為了降低軌道本身的成本。

　　6 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，通過對軌道物理參數(shù)(動子間距、速度、加速度、位置)、機器人、被加工對象(尺寸、重量)、傳感器(視覺、光電開關(guān))均可建模，并在虛擬環(huán)境中測試驗證。

圖6 Automation Studio讓輸送任務(wù)快速實現(xiàn)工程變更

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

　　這與傳統(tǒng)機械輸送的差異就很明顯，因為，它的動子和被加載的對象都是可以被納入到仿真中的。

　　ACOPOStrak可以包括以下仿真測試：

　　而且，在重新任務(wù)編排時，貝加萊Automation Studio中也為為ACOPOStrak提供了mappTrak的編排模塊，它可以快速對新的生產(chǎn)任務(wù)進行編排。

　　這些都可以在早期的設(shè)計規(guī)劃階段，運營中的切換階段，可以在系統(tǒng)里以數(shù)字的方式預(yù)先進行分析，優(yōu)化。在早期可以論證產(chǎn)線的效率/成本，在運營中，可以對下一個訂單的生產(chǎn)任務(wù)進行預(yù)先的編排和優(yōu)化，并下載，降低所需的時間消耗——而工裝夾具也可以有儲存區(qū)，通過機器人在線更換，大幅降低切換時間，消除不增值的時間浪費。

　　7 柔性輸送技術(shù)-制造數(shù)字化最后一個堡壘

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

　　回顧早在30年前產(chǎn)業(yè)想推動的柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)。我們會發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)MS定義了四個組成，計算機管控平臺、數(shù)控(CNC)、工業(yè)通信、輸送系統(tǒng)，如圖7所示。前面三個其實已經(jīng)實現(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，而實時以太網(wǎng)及OPC UA也構(gòu)建了IT和OT的連接。

圖7 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生產(chǎn)過程，發(fā)現(xiàn)其存在的浪費、以及優(yōu)化的方向和空間，并予以有效的控制、管理過程，實現(xiàn)精益所要達到的不斷持續(xù)改善，以及效率的不斷提升。

　　但是，這四個組成中，輸送系統(tǒng)卻一直沒有被數(shù)字化，在很長的時間里，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)場還有人工的搬運，好一點到機械的皮帶輸送，或者再高級一點到分度盤、機械鏈道，但是，他們一直沒有能夠?qū)⑦@個輸送系統(tǒng)給數(shù)字化，因為只有實現(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)就相當于攻克了制造數(shù)字化的最后一個堡壘。

　　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)字化最后一個堡壘。因為，它讓整個生產(chǎn)處于靈活的可觀測、可控制狀態(tài)-實現(xiàn)精益所需的消除浪費、達到效率倍增。