从精益制造角度看产线的设计

贝加莱 2019-02-26

经过数十年的发展，精益制造已经成为全球优秀的制造商所共同执行的运行管理体系，因为必须确保稳定可靠的生产，然后才能谈到数字化转型、智能化升级，因此，我们必须让技术回归制造的本质，在这个基础上探讨产线设计。

无论我们讨论何种的生产，精益思想对于工厂而言是基线，精益就关乎“质量”、“成本”、“交付”三个核心话题，一切都围绕这三个生产的核心话题而展开，经过数十年的发展，精益制造已经成为全球优秀的制造商所共同执行的运行管理体系，因为必须确保稳定可靠的生产，然后才能谈到数字化转型、智能化升级，因此，我们必须让技术回归制造的本质，在这个基础上探讨产线设计。

应对个性化生产的难题

智能制造正在成为产业聚焦的热点话题，就目标而言，智能制造要解决“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：

(1)通过软件定义智能来让机器与产线来适应变化的需求;

(2)通过对生产全局数据的分析来优化生产效率;

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”，这个对于大部分的End User而言都极为关注，另外，产品上市时间(Time to Market)和投资回报(Return of Investment)都是关键的评估指标。

回归本质-生产评估

如果我们仍然延续传统的生产模式，那么，你想达到高品质的生产就没有那么容易，图1是关于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。

图1-OEE是评估产线综合投资效率的关键指标

个性化并非易事

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。

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：

图2-传统的机械产线由链条或皮带传输

(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。

柔性电驱技术的应运而生

为了应对更为个性化的生产需求，新一代的产线设计技术，柔性电驱输送系统应运而生，如图3是ACOPOStrak的产线规划图，ACOPOStrak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。

图3-ACOPOStrak柔性电驱输送系统

另外，在ACOPOStrak中的轨道设计形式多样，可以是多种角度的，如图4，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：

(1)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;

(2)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。

(3)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。

图4-灵活的产线组织

柔性电驱技术对于OEE的提升

柔性电驱输送系统如贝加莱的SuperTrak/ACOPOStrak，如图5，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：

图5-柔性电驱输送系统带来的好处

(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。

图6-通过数字孪生提前验证产线工艺可行性