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柔性自动化生产线在智能工厂中该如何规划?

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智能工厂正在成为制造业聚焦的热点话题,就目标而言,智能工厂要解决“个性化需求”和“成本效率”不断提升的问题,归结起来,主要聚焦了几个问题:通过MES系统定义智能来让机器与自动化生产线来适应变化的需求;通过工业物联网对生产全局数据进行收集并通过分析来优化生产效率。

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无论对于“标准流水线”还是“大规模定制”而言,企业的竞争力都来自于质量、成本与交付能力,因此,对于产线投资者而言,稳定的高品质生产才能真正让企业获得生产的“增值”,从而长期获利。

第二个问题容易理解,今天通过工业互联技术,可以将原有的单机生产进行连接,进而实现数据的透明传输,但是,第一个问题却会遇到瓶颈,因为机械的“刚性”使得要获得生产的“柔性”成为难点,产线在自动化系统的规划下实现了根据工艺建模而能够适应变化生产的能力,但,却需要执行机构能够胜任这样的变化,那么,传统的产线就成为了瓶颈。

评估产线投资效率的关键指标是“OEE”,这个对于大部分人而言都极为关注,另外,产品上市时间和投资回报都是关键的评估指标。如果我们仍然延续传统的生产模式,那么想达到高品质的生产就没有那么容易,通过了解OEE计算的关键,我们可以看到OEE影响因素并结合控制工艺来分析如下几个方面:

(1)质量(Quality):质量影响包括了开机/关机浪费,由于参数调校进入稳态有一个过程,生产中的浪费,如控制效果不稳定带来的不良品。

(2)性能(Performance):影响机器性能的因素包括如机械磨损带来无法高速运行,相当于机器带病运行,效率不高。暂停也肯能因为机器的电气不稳定、干扰等都会影响性能。

(3)可用性(Availability):对于小批量、多品种,产线的换型在精益中是不增值的,因此,这个环节就会降低可用性,而快速的换型才能降低这方面的损失,宕机则是因为机械、电气的故障会让生产无法正常进行。

在了解了OEE这个关键指标,我们就会发现“个性化”实际上对于生产而言,会带来很多挑战:

(1)开机损失:如果频繁的换型,那么,开机浪费就无法解决,由于订单变小,而开机浪费是固定值,那么,这个就会带来不良品率的提升,因为分母变小了。

(2)设置与调校:因为频繁的换型,所需的调校时间使得设备的可用性大幅下降,原来每周更换一次模具、调校机械,对于个性化可能每天都需要数个小时,那么设备的“增值”加工时间就会变小。

而传统机械产线带来的柔性瓶颈,除了换型带来的品质和可用性损失,传统的机械产线还存在以下问题:

(1)机械磨损:由于传统采用机械链条或皮带传送,往往由于齿轮等的磨损会导致精度不足,并使得机器无法高性能运转,带来了减速与维修保养暂停的损失。

(2)不能灵活调整:包括传统传送采用了具有低速特性不足的感应电机,或者采用分度盘等方式的组装加工过程,这带来不能高速平稳来实现调整,尤其是分度盘由于机械惯量较大,也不易于高速的生产。

(3)不能实现个性化调整:机械分度盘因为往往为批量加工而设计,其工位的间距、移动的速度都不能轻易更具变化而调整,这就是使得对于新的生产往往要重新设计系统,测试验证,这些都会使得整体产线的可用性不能保障。

(4)大量的缓冲区设置:由于机械输送往往不能在产线间最佳的匹配,导致高速部分和后道需要建立缓冲区,这些缓冲区往往占用较大的工厂面积。

(5)复杂的维护:由于机械系统结构复杂,因此,往往需要大量经验丰富的维护人员,以确保产线稳定可靠的运行。

综上一些原因,机械输送系统的制造产线无法实现灵活的调整,使得整个OEE较低水平,而在个性化生产的需求下,这些问题更为突出。为了应对更为个性化的生产需求,新一代的自动化生产线设计技术,柔性电驱输送系统应运而生,柔性电驱输送产线规划采用了长定子直线电机技术,滑块装载被加工对象运行于轨道之上,这些与轨道采用“非接触”的,可以理解为“磁悬浮”列车,其上的滑块采用电磁方式,这使得动子的间距、运行速度、加速度可以根据软件定义而调整,解决了柔性制造中传统机械的“刚性”,使得整个产线变得柔性。

另外,在柔性电驱输送自动化生产线规划中的轨道设计形式多样,可以是多种角度的,它可以构成非常灵活的产线,基于高精度的轨道机械耦合设计,可以实现“汇流”和“分流”,这往往对于下面一些场景特别合适:多个产线的产品混合到一个主线来组合装配,如电子制造业,或者混合包装如食品饮料工业;一个高速产线分给多个后道单元进行分流加工,或者分道到不同的区域进行不同的产品组装或包装;专用的维修站/更换夹具站:通过视觉或其它检测方式的不良品可以被送到一个专用的通道进行处理,或者,这个通道也可以作为工装夹具更换时的工作站。

柔性电驱技术对于OEE的提升,柔性电驱输送系统带来了一些颠覆式的产线设计,包括几个方面对产线能力的提升:

(1)热插拔:快速的更换工装夹具,并且这个更换可以在当前产线进行时在固定区域进行;

(2)数字孪生(Digital Twin):这项技术可以让运行中的新的生产组合可以在虚拟的环境中进行测试验证,即,可以在软件中对目前的滑块数量、速度、间距、位置、加速度/加加速度特性进行模拟仿真,以确保快速的换装后进入稳态生产过程。如图6,数字孪生会让产线的设计更为快速,降低投资风险,尤其是对新产线进行验证,这在过去是一个非常耗时的过程,而由于电-磁-软一体化,这项工作现在也变得更为容易。

(3)变轨技术:使得生产更为灵活的调整,这些调整仅需参数设置即可,而无需对产线进行复杂的调整,与传统的分度盘、皮带链条传输而言,这项技术专为“柔性”的制造而设计。

(4)协同工作:采用电-磁-软一体化的设计,可以使得轨道与机器人、其它工艺设备如包装机、注塑机、贴片机等进行协同工作,通过总线可以实现极高的同步。

(5)灵活调整:这些快速的滑块调整不仅可以在虚拟环境中模拟,在现实中也可以随意调整,这使得换型变得更为灵活。

综上所述,柔性电驱输送系统可以为OEE带来多个方面的提升:包括更快速的换型时间,更为可靠的生产品质、更低的产线停机风险,总体而言,它会大幅度提升产线OEE,这就意味着,产线能够在个性化较大的情况下仍然保证高品质、低成本和快速交付能力。

缩短产品上市时间和投资回报,除此之外,在缩短面市时间方面,柔性自动化生产线也有大幅提升空间:在产线投入前的验证,如前所述,数字孪生技术可以在产线投入前进行仿真验证,并且对运行的产线也可以进行新的换型后的生产验证,这确保了投资安全,也对于传统产线在大幅产品更换时的重组,带来了投资安全。高OEE即会获得高ROI,这就是精益的思想,一个高性能的自动化生产线,能够长期稳定的帮您的工厂高品质的生产产品,这就是高投资回报的产线。

如您的企业正在进行智能工厂或数字化车间的转型升级,

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