傳統(tǒng)的柔性制造技術(shù)為何難以推進(jìn)？

早在上世紀(jì)70-80年代，柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System）就被賦予了重任以解決“個性化”生產(chǎn)難題，F(xiàn)MS被定義由如圖·1所示的四個核心單元組成：機(jī)床、輸送系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。而如果談到計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS），它包含了更多的今天智能制造話題下的系統(tǒng)。然而，時至今日， FMS主要在汽車零配件生產(chǎn)及組裝一些領(lǐng)域應(yīng)用，而CIMS似乎已經(jīng)逐漸淡出視線。

圖1-FMS柔性制造系統(tǒng)基本架構(gòu)

柔性制造的難題在哪里？

實(shí)際上，在傳統(tǒng)意義上，F(xiàn)MS/CIMS受制于技術(shù)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(tǒng)中，原材料的進(jìn)料，工位間輸送、以及所需的機(jī)械轉(zhuǎn)換（排列、換向、翻轉(zhuǎn)

等動作）都是采用機(jī)械方式來實(shí)現(xiàn)。通常工藝設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)的，但是，整個輸送與輔助設(shè)備基本上“非標(biāo)”，如何在混線生產(chǎn)時讓物料準(zhǔn)確、及時的輸送到預(yù)定位置，并沿著規(guī)劃路徑穩(wěn)定的流動，這本身是一個非常復(fù)雜的調(diào)度問題。而偏偏這些機(jī)械系統(tǒng)往往都是剛性的，調(diào)整不便，這使得FMS是在一個剛性環(huán)境下“柔性”工作，即，只能做到有限的柔性-而且整個產(chǎn)線投資較大，因此，批量不能太小，因?yàn)橄到y(tǒng)啟動成本較高。

通信連接：在柔性系統(tǒng)中，各工藝設(shè)備間是需要連接及語義交互，并且與全局規(guī)劃的設(shè)計、計劃

調(diào)度系統(tǒng)要動態(tài)交互，這些都需要通信網(wǎng)絡(luò)和語義互操作規(guī)約的支持。對于傳統(tǒng)的機(jī)械輸送系統(tǒng)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(shè)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(shù)字化設(shè)計類軟件與PLC、CNC這類運(yùn)行時軟件間的交互，也是比

較困難的。傳統(tǒng)意義的FMS有一個難點(diǎn)，即，對于“未知”產(chǎn)品的生產(chǎn)往往需要大量的測試驗(yàn)證，這個對于批量本來不大的生產(chǎn)任務(wù)來說，測試驗(yàn)證將造成成本居高不下。因此，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣控制與傳動、工藝間的協(xié)同仿真與虛擬測試，也是FMS系統(tǒng)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(dú)立的廠商在其封閉的系統(tǒng)中能夠局部實(shí)現(xiàn)，而且，很多在運(yùn)行的FMS還主要是針對金屬（剛性材料）下的生產(chǎn)。而對于更為廣泛的食品、飲料、日化、醫(yī)療、制藥等領(lǐng)域來說，他們的種類可能會更多，個性化需求更為強(qiáng)烈，但傳統(tǒng)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(chǎn)品生產(chǎn)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(guān)注，以及企業(yè)開始推進(jìn)，正是因?yàn)橄M(fèi)水平與消費(fèi)文化的變化，使得個性化成為了企業(yè)贏得市場的未來關(guān)鍵。而作為制造領(lǐng)域的方案提供者，貝加萊一直關(guān)注制造的柔性，并且不斷推進(jìn)柔性制造的實(shí)現(xiàn)—本次，我們介紹多維運(yùn)動控制如何響應(yīng)且改變著制造的柔性實(shí)現(xiàn)。

1維運(yùn)動控制-機(jī)器內(nèi)的柔性

在離散制造領(lǐng)域的機(jī)器與裝備，實(shí)際上首先是可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性的，貝加萊的ACOPOS家族里的伺服驅(qū)動器，ACOPOSmotor-針對高防護(hù)等級領(lǐng)域、ACOPOSmulti-共直流母線驅(qū)動、ACOPOSmicro等都是可以支持各種變化的生產(chǎn)的，如圖2所示。

圖2-ACOPOS家族產(chǎn)品應(yīng)用于機(jī)器組合

旋轉(zhuǎn)電機(jī)或直線電機(jī)都是1個維度的運(yùn)動，即旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動。伺服電機(jī)最初主要是為了實(shí)現(xiàn)高精度定位與同步這樣的任務(wù)，但是，隨著加工對象的復(fù)雜性提高，伺服電機(jī)更多開始扮演“柔性”的角色。貝加萊在很多領(lǐng)域都深諳其道。例如：

（1）印刷機(jī)械的無軸傳動技術(shù)，采用伺服電機(jī)替代機(jī)械長軸，讓印刷更靈活，后道電子凸輪裁

切，通過設(shè)置刀輥的電子凸輪曲線，代替機(jī)械刀輥，通過參數(shù)設(shè)置即可改變加工規(guī)格。

（2）印后裝訂中大量的伺服使用在于印刷的尺寸規(guī)格變化后，各種機(jī)械位置要調(diào)校，還需要老師

傅的經(jīng)驗(yàn)，否則可能會調(diào)校很多次，浪費(fèi)很多材料。

（3）紡織里的多電機(jī)傳動粗紗、細(xì)紗，以及采用直線電機(jī)的經(jīng)編機(jī)電子橫移（ELS），這些都是

為了獲得紡紗與織造過程的產(chǎn)品靈活性。

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

…

當(dāng)然，像這種1維運(yùn)動主要發(fā)生在一個機(jī)器內(nèi)部的產(chǎn)品變化，他們帶來機(jī)器本身的工藝柔性-讓機(jī)器可以通過參數(shù)設(shè)置來適應(yīng)不同的加工規(guī)格，成型工藝。

2維運(yùn)動-生產(chǎn)在機(jī)器間流動

當(dāng)一個或多個產(chǎn)品從不同的設(shè)備進(jìn)入了組裝階段，那么，這個就離開了機(jī)器，進(jìn)入了一個更為大的空間中，這個時候，當(dāng)產(chǎn)品的尺寸規(guī)格、組合方式、工序順序發(fā)生變化的時候，這個柔性就對生產(chǎn)提出了巨大的挑戰(zhàn)—調(diào)度這些任務(wù)以形成各種組合，可能是數(shù)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(tǒng)的一維運(yùn)動的組合就會讓這個機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜性大幅增加，而如果系統(tǒng)本身就能夠提供X,Y兩個維度的運(yùn)動，那么，就可以把整個產(chǎn)線簡化，并且，能夠?qū)崿F(xiàn)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(yùn)動，使得物料的輸送可以形成非常多的路徑，可以分道進(jìn)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(shè)定去相關(guān)的工位加工，而不像傳統(tǒng)輸送帶，只能按照固定的速度，在系統(tǒng)各個單元不匹配時候，不能進(jìn)行負(fù)載的有效分配，以達(dá)到最大的效率。

圖3-ACOPOStrak構(gòu)建的二維空間中的靈活生產(chǎn)線組織

ACOPOStrak就是這樣的設(shè)計，它讓被加工對象在X,Y兩個維度去運(yùn)動，然后，能夠?qū)崿F(xiàn)匯流、分流，它實(shí)際上帶來的不僅是靈活性，而且，也包括對一些設(shè)計的簡化：

降低了機(jī)械的復(fù)雜性，例如頻繁的上下料過程被削減，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在輸送線的流動件

要經(jīng)過每個單元，要被上下料的機(jī)構(gòu)送到機(jī)臺上進(jìn)行加工，而輸送系統(tǒng)則直接托盤形式讓它經(jīng)過每個單元，這就簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。

節(jié)拍的協(xié)同：在一個系統(tǒng)中，存在著高速、低速的生產(chǎn)單元，那么，輸送系統(tǒng)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(shù)”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(chǎn)生分流、匯流，但是，這三個單元就變成了最終1:1:1的生產(chǎn)—這意味著沒有了“瓶頸”。

物流調(diào)度問題：實(shí)際上，仔細(xì)想想，一個生產(chǎn)系統(tǒng)，它需要把不同的原材料、按照不同的路徑、

精準(zhǔn)的輸送到每個工站，然后經(jīng)過其它單元形成一個完整的產(chǎn)品，那么，這個系統(tǒng)的調(diào)度能力就必須非常強(qiáng)。

圖4-ACOPOStrak的優(yōu)點(diǎn)

ACOPOStrak不僅提供定位的精度，它還為生產(chǎn)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(shè)定好一個產(chǎn)品的流程，編碼，然后，ACOPOStrak會自動為您生產(chǎn)一個流程。

6維-將制造的柔性延展到空間

當(dāng)產(chǎn)線進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)品的流程變得更為復(fù)雜的時候，我們會發(fā)現(xiàn)一些微小的變化，就要支付較為復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)來配合。另外一個方面，即使是在X,Y軸上的運(yùn)動擴(kuò)展，也是無法解決任意組合的路徑這個問題，ACOPOS 6D就能實(shí)現(xiàn)這個維度的柔性制造。

圖5-ACOPOS 6D近照

圖6-什么是6維運(yùn)動？

圖5是ACOPOS 6D近照，在平面定子上的動子運(yùn)動，可以形成各種組合，這是一種純磁懸浮技術(shù)，無機(jī)械接觸，不產(chǎn)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(yùn)動的，X軸,Y軸,Z軸,R(X)-沿X軸的旋轉(zhuǎn),R(Y)-沿Y軸的旋轉(zhuǎn),R(Z)-沿Z軸的旋轉(zhuǎn)，即在X,Y,Z的運(yùn)動及這三個維度的旋轉(zhuǎn)疊加運(yùn)動，它使得運(yùn)動可以在空間形成自由，這種輸送方式，進(jìn)一步將2維運(yùn)動擴(kuò)展到6維。

ACOPOS 6D如何簡化機(jī)械設(shè)計？

我們用幾個場景來看ACOPOS 6D可以讓整個產(chǎn)線的加工組裝過程簡化：

??Z軸運(yùn)動：在沒有ACOPOS 6D這個Z軸動作的時候，對于產(chǎn)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(jī)械機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這個（伺服電機(jī)或直線電機(jī)），或者需要輸送到一個機(jī)臺旁邊，用機(jī)構(gòu)上下料方式進(jìn)行這個動作。

??X,Y軸運(yùn)動：同樣道理，對于一個需要一些傾角進(jìn)行加工的時候（如磨邊、涂膠、貼標(biāo)），你需要額外的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，而ACOPOS 6D的動子托盤可以沿著X和Y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)：如果你剛好加工完工件一側(cè)需要加工另一側(cè)時候，Z軸的旋轉(zhuǎn)就可以省略需要的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，或者即便你需要大角度的運(yùn)動，對于獨(dú)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(jī)械限制，即使產(chǎn)品發(fā)生變化，它也不需要機(jī)械輸送的調(diào)整或者改變。

ACOPOS 6D給了工程師設(shè)計產(chǎn)線的各種可能性，簡化了機(jī)械。對于非標(biāo)自動化，有時候高精度的非標(biāo)件成本也是非常高的，畢竟，這些機(jī)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(jī)械約束的柔性產(chǎn)線設(shè)計，而且智能的調(diào)度，讓你只需要關(guān)注，你的理想中自由的產(chǎn)線是什么樣的？ACOPOS 6D來幫您實(shí)現(xiàn)它。

圖7介紹了它的特點(diǎn)和一些關(guān)鍵指標(biāo)。

圖7- ACOPOS 6D的特點(diǎn)

實(shí)際上，ACOPOS 6D的非接觸也對潔凈環(huán)境具有適應(yīng)性，像這種純粹非接觸的輸送，連產(chǎn)生機(jī)械磨損造成的粉塵機(jī)會都沒有，對于制藥、醫(yī)療、鋰電類生產(chǎn)真是再合適不過。

調(diào)度算法是柔性的核心

其實(shí)，不管是ACOPOStrak還是ACOPOS 6D，他們的核心都是在“調(diào)度”的智能性上。因?yàn)閺纳a(chǎn)的計劃與調(diào)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(chǎn)”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(diào)度本身是已經(jīng)被封裝好的，用戶僅需通過軟件來“編排”任務(wù)即可，在這里，沒有用到“編程”因?yàn)樗饕菫椴煌纳a(chǎn)任務(wù)設(shè)定初始與目標(biāo)點(diǎn)，而系統(tǒng)則會進(jìn)行調(diào)度的計算，他們之間通過POWERLINK網(wǎng)絡(luò)來感知各自的位置、間距，并傳遞各自的當(dāng)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(tǒng)-通信問題被實(shí)時解決。而控制器，即X20或貝加萊PC，都是集成OPC UA通信規(guī)約，可以跟生產(chǎn)計劃、調(diào)度系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)交互，以接受來自生產(chǎn)的任務(wù)，并解析執(zhí)行。

圖8-每個軌道都是通過POWERLINK實(shí)時網(wǎng)絡(luò)連接的

運(yùn)動控制-讓制造的空間更靈活

運(yùn)動控制，從1維的ACOPOS系列驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動，到ACOPOStrak在X,Y維度讓產(chǎn)品在更大的空間里運(yùn)動，形成各種豐富的組合，而ACOPOS 6D，則讓產(chǎn)品被靈活的方式送給機(jī)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(guī)模標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)模式）。

圖9-六維運(yùn)動控制技術(shù)的演變

貝加萊的運(yùn)動控制技術(shù)，一直是致力于制造的柔性，從機(jī)器內(nèi)部的加工，到機(jī)器之間，以及零配件在不同機(jī)器之間，在原材料變化、工序、工藝、路徑各種變化的挑戰(zhàn)下，實(shí)現(xiàn)個性化，挑戰(zhàn)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(jīng)廣泛在各個行業(yè)。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(yùn)動控制前沿的技術(shù)，并已經(jīng)投入應(yīng)用。目前它在全球市場已經(jīng)用到的場景包括了圖9所示的諸多領(lǐng)域，當(dāng)然，它并局限于這些，因?yàn)?，任何需要個性化，而又追求高品質(zhì)、低成本的領(lǐng)域，都是他們發(fā)揮的空間。

圖10-柔性輸送技術(shù)應(yīng)用場景

事實(shí)上，談到柔性制造，除了最初我們談到的技術(shù)性問題，也意味著市場的問題，F(xiàn)MS和CIMS實(shí)際上在某種意義上，有些超前。因?yàn)?，在他們被提出的時候，包括控制技術(shù)、軟件技術(shù)本身也是不經(jīng)濟(jì)的，專門為一個企業(yè)部署的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)設(shè)施和軟件系統(tǒng)都是非常昂貴的，這是其本身的經(jīng)濟(jì)性問題。

第二個經(jīng)濟(jì)相關(guān)的問題是人們的生活水平的問題，即或在90年代初，我們?nèi)匀惶幱凇百u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(fèi)者越來越高的要求，高品質(zhì)而又個性化的產(chǎn)品需求才開始逐漸顯現(xiàn)出明顯的需求增加，這意味著柔性制造的爆發(fā)。

關(guān)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(chuàng)新型自動化企業(yè)。2017年7月，貝加萊成為ABB集團(tuán)的機(jī)械自動化事業(yè)部。作為工業(yè)自動化領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，貝加萊將前沿技術(shù)與領(lǐng)先工程相結(jié)合，為幾乎每個行業(yè)的客戶提供面向機(jī)器與工廠自動化、運(yùn)動控制、HMI和集成安全技術(shù)的完整解決方案。借助于OPC UA、POWERLINK、openSAFETY等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，以及強(qiáng)大的Automation Studio軟件開發(fā)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(yù)期的承諾驅(qū)動，貝加萊始終保持創(chuàng)新精神并處于工業(yè)自動化領(lǐng)域的前沿。