發布日期：2022-04-26 點擊率：64
過去幾個月無比清楚地反映了行業狀態：靈活性和適應性非常重要。在疫情大流行期間迅速做出反應——例如為了生產庫存緊俏的口罩而調整其生產線的企業寥寥無幾。供求關系的反轉竟可以如此之快，理想情況下本應能夠對此做出快速響應，但行業中很大一部分企業只能無助地看著空無一人的生產車間以及那些固定和永久安裝的機器設備，因為他們的最終產品根本無人問津。諸如疾病大流行之類的極端事件以及市場需求的變化既不應引發企業的生存恐懼，也不應將其帶到破產的邊緣，理想的情況是歡迎變化而非懼怕變化。但如何使這一愿景變成現實呢？KIT的wbk生產技術研究所及其合作伙伴Grob和Siemens公司提出一項通過研究價值流聯動組合打破剛性生產線的建議，這是一個大膽的、非常規但也許恰恰因此而正確的B計劃，它適合那些想要快速、輕松應對意外的企業。
圖1 價值流聯動組合背后的理念是： 用很少的元件覆蓋整個價值鏈，相對迅速地建立整個生產線。這里以自行車車架的組裝為例
如同樂高般簡單的生產設計
價值流聯動組合是一個針對未來可變生產的個性化方案，這一愿景描述的是，采用基于垂直多關節機械臂的統一標準聯動組合覆蓋生產系統的整個價值流。柵格陣列零點夾緊裝置支持方便快捷地更改生產布局，這種柵格陣列延伸到整個生產區域，能將標準聯動裝置快速重新定位到指定的夾緊位置，它可與能夠根據需要輕松重新堆放積木的樂高板相媲美。工程平臺有助于顯著縮短生產系統的計劃和調試時間。
起始點是最終產品的CAD模型，產品特征和制造所需的生產過程均源自3D模型。
這種可能的未來生產場景要成為現實還有很長的路要走，大多數企業目前都在高度專業的機器上生產，生產訂單發生改變時，這些機器必須以相對耗時的方式進行改裝。根據訂單大小，還存在產能覆蓋率方面的問題。在汽車工業等大型企業中情況也不例外，通常無法針對需求波動做出反應。wbk生產技術研究院機械設備和過程自動化研究所所長Jürgen Fleischer教授說：“這正是價值流聯動組合發揮作用的地方：如果我們大家都實話實說，那么我們是不知道什么時候必須生產什么的。”
因為這點未來也不會改變，所以通過終端執行機構接收任務的聯動組合就更有吸引力了。可以直接在計算機的軟件層面上完整編程，并在很短時間內對其進行重新配置，以便生產另一種產品。常規機器人主要限于操作，而全能聯動組合則可以完成加工、質量和裝配過程，僅需幾個元件就可以覆蓋整個價值鏈，并能相對快速地構建整個生產線。
圖2 靈活的生產系統使人們不受單個機器影響，例如可以根據需要使用耦合和解耦來提高生產力
將全能機器拆分成單個模塊
“我們的想法是生產一種通用機器構件，如果我們大量生產這些聯動組合產品，它們的價格就會迅速下降，這對于各種規模的企業來說都是一個令人感興趣的解決方案。”Fleischer繼續說道。應按照最大生產能力使用活動構件，如果出現較大的訂單，可以如同建筑機械服務那樣租用更多的聯動組合。“我相信，這將發展成完全不同的商業模式，生產將成為一種服務。在我看來，我們不是出于純粹的成本壓力需要大批量生產，而是我們在德國必須更快地行動，針對需求變化做出更加迅速的反應。”Fleischer這樣說道。防護面罩短缺時，人們本來可以在工程平臺的支持下通過全能聯動組合構建一條生產線。
例如由工程服務商創建程序，各小型企業下載這些數據集，并在其生產車間生產面罩。可以想象這就像3D打印一樣，根據組件的CAD模型自動創建打印程序，然后將其加載到打印機上打印零件，唯一的區別是，使用價值流聯動組合時，人們處理的不是單個零件，而是復雜的產品。
“現在即使是一家無法或不想編程的企業，也可以使用其聯動組合制造產品，并購買所有的準備和計劃，得到設置計劃后就可以將聯動組合輕松地放在正確的位置上。”Fleischer的團隊希望有一種像在AppStore中那樣能借用或購買的公眾應用，為聯動組合提供所有可以想像的工具，如鉆頭、銑刀和焊接應用程序等。
“這不僅能帶來極大的靈活性，而且還將形成新的商業模式，木工車間或一般手工業企業也都可以采用。”Fleischer繼續設想，如果鉗工需要焊接欄桿，可以用兩個聯動組合來固定設施，第三個聯動組合進行焊接，這不僅節省時間，而且還能提高精度。
“我們的生產過于僵化這一點大家有目共睹，人們購置機器并在接下來的30年中將其用螺栓固定在地面上，實際上我們還必須將系列機器組合在一起，使之最適合價值流。”Fleischer面臨的問題是，如果生產只考慮成本因素，人們如何使自己與眾不同。那些不斷使單個生產步驟更加專業化，然后通過產量來負擔更貴的專用機器的企業，在他看來，批量大時最好還是使用專用機器。
“在每個行業都追求生產個性化、提高產品多樣性和降低批次數量的背景下，我們的方法針對中小型企業。”憑借這種服務理念以及不通過成本而依靠時間的差異化，德國可以在全球范圍內獲得競爭優勢。
不久前科學家們介紹了該研究項目，現階段開始與企業詳細探討，“它不應該給人留下聯動組合能完成所有生產的印象，但如今它確實已經可以完成許多任務。”Fleischer說，特殊處理，如在汽車行業仍將是高精度機器的任務，但可以先用在那些公差不是微米而是1%或0.1?mm的地方。
研究人員通過電動自行車的生產證明，全能聯動組合能夠并聯使用。壓入軸承時，他們耦合了兩個聯動組合，以便獲得在這種情況下單個聯動組合不能提供的力。“通過平行使用聯動組合，用戶可以提高功率和精度，因此有時也可以達到機床專用的精度等級。并聯聯動組合基本上是從串聯聯動組合中產生的，從技術上講，這意味著兩種聯動組合的剛度相加。”
未來將展示聯動組合與工程平臺結合的能力，但Fleischer現在就已確信，未來在工程平臺的數字化層面上將發生很多事情。“我相信，工業4.0給予我們的自由度可以在批量為1時實現最大生產力，當然在計算機上幾秒鐘內發生的事情也必須在下面車間里行得通。下一個必要步驟是讓生產硬件更加靈活，從而使工業 4.0真正發揮作用。”
圖3 憑借其模塊化方案和多種自動化選項，Kuka cell4_cleaner/primer單元可以輕松地配置為一級區域客戶的量身定制解決方案
明確改變以提高靈活性
wbk負責概念的開發，西門子負責軟件、自動化和控制，而機器制造商Grob則負責該項目的實施。Grob傳統上植根于汽車行業，40多年來一直直接向OEMs銷售機器和自動化解決方案。如果人們想在這個競爭激烈的行業中生存，日常業務中的多樣性和靈活性肯定不可缺少。“回顧過去的20年，我們的機器完全一成不變。應用領域針對一兩個客戶的工件設計在后來逐漸明顯變得靈活。因為種類多樣性增加，生產線的設計在件數方面必須更加富于變化.”Grob-werke機加工系統業務部負責人Christian Lisiecki說。
由于近年來數控機床越來越靈活，機械制造商更多以鏈接設備的方式出售其加工中心，而不是像過去一樣的傳送自動生產線，它們雖然還有，但只是針對特殊應用。Grob看到的第二個變化是，每種類型的數量變少了，OEMs越來越多地將其內燃機核心部件的生產外包給一級供應商，這意味著需要的設備明顯變少了。
Lisiecki繼續說道：“在加工機床領域，我們15年前就考慮了這個問題，完成了從傳送自動生產線到G模塊的轉變。”加工中心可以改裝用于不同的工件，但上游和下游的自動化站點就不一樣了。為了在此也達到所需的靈活性，需要價值流聯動組合發揮作用。
“為了一個項目投資30多臺機器生產一種工件的時代幾乎一去不復返了，我們經歷了投資規模向五或十臺機器發展的明顯轉變。”Lisiecki說道，“無論機器的體積如何，自動化都具有復雜性，一旦機器的用途發生改變，就無法再使用，而這正是用到價值流聯動組合的地方，它會使生產自動化更加容易。”Lisiecki繼續說道，“我們的目標是讓客戶了解其工件和加工過程，然后軟件會支持他選擇和放置正確的聯動組合并編寫運動程序。”這樣由于不需要機器人知識，可以降低非自動化相關行業的準入門檻。由于對自動裝載的需求很大，Grob自己開發了一個機器人單元，特別是針對以前手動裝載機器的小客戶。Lisiecki說：“由于大量客戶詢問，我們目前正在考慮為機器人單元提供無人駕駛運輸系統。”Grob還嘗試在內部完成這些內容，例如計劃將FTS用于自己內部組裝。價值流聯動組合也可能是Grob感興趣的，可以想象的應用是內部電動機的樣機生產，Lisiecki總結說：“因為有重復的步驟，小規模配置對于聯動組合而言是可行方案。”
從個性化到模塊化
說到自動化帶來的靈活性，通常也會想到Kuka，靠焊接技術在汽車工業中壯大的這一來自奧格斯堡的自動化巨頭，多年來一直不斷適應著市場的需求。我們與Kuka德國有限公司的銷售經理Veit Müller談到靈活的技術單元時表示：“它們與機器人一樣屬于產品組合的一部分。我們過去經常開發、設計和構建客戶專有的技術單元，但市場在繼續發展，客戶已經開始制定自己的標準。為了跟上發展的步伐，我們必須變得更加靈活，以便能夠迅速響應客戶需求。”為了跟上這個速度，人們不再重新設計每個單元。
為了保持競爭力并跟上客戶的速度，人們越來越多地使用現有結構和自己的標準，單元的模塊化近年來已經開始流行，為此還開發了技術包，用戶可以根據任務自行設計其單元。
部件一致讓Kuka更便宜
“模塊化不僅涉及單元的設計，而且還涉及單元概念本身，我們的單元可以根據各自的生產要求靈活組合成整條生產線。”通過所謂的技術包，我們可以在相同的基礎上構建新的單元，而平臺、操作和安全理念保持不變。部件一致使Kuka不僅可以更快，而且對客戶而言更具成本優勢。“由于采用模塊化結構，我們更容易保留備件并提供24?h/7天的全天候服務。”考慮到汽車工業中較短的周期和更快的生產變化，我們可以通過可視化、控制和數字化高效而迅速地完成單元中的生產轉換，這樣可以將轉換造成的時間損失降至最低，從而可以經濟地生產較小的產量。這對中型企業來說也很有意義，這樣能夠在更大范圍內靈活、經濟地生產。
汽車行業產能利用率波動的情況非常普遍，供應商必須能夠滿足±20%的范圍，這意味著他們必須平衡最高40%的利用率波動，這是汽車企業的要求。尤其是在項目的啟動階段，產量會隨著時間的推移而增加，這正是模塊化發揮作用的地方。“如果客戶投資的設備在整個使用壽命內不能一直被充分利用，就會有很多機器空置，無法有效利用。”因此Kuka被要求與客戶一起尋找解決方案，“我們建議從符合件數要求的生產線開始，例如在初始啟動階段，當生產真正進入加速階段時，設備方案允許對相應模塊進行改裝。”這樣客戶剛開始不需要很高的初期投資，他們可以有效利用該系統，更好地進行項目預融資。
克服專業工人短缺的技術單元
技術單元不僅可以提高汽車行業的產量，而且可以提高中型企業的效率和生產可靠性。“如果我們進入中小型企業，那么我們將在缺乏熟練工人的地方看到技術單元的成功。以一個企業為例，由于企業不斷壯大，生產持續增長，焊接工人缺乏，這一局限使人們想到了自動化生產。此外客戶可以通過自動化焊接工藝顯著提高生產力和質量穩定性。我們后來與客戶一起開發了基于標準單元的方案，客戶投資了用于焊接的機器人單元。”單元組合使Kuka能夠為越來越多的中型企業提供服務，“我們的優勢顯然在于自己的流程開發，此外我們還能一并提供所有需求：機器人單元、外圍設備和工藝知識。這點很重要，特別是對小企業而言，這意味著他們只有一個供應商。”
