跨越柔性制造难关-贝加莱多维运动控制技术

传统的柔性制造技术为何难以推进？

早在上世纪70-80年代，柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）就被赋予了重任以解决“个性化”生产难题，FMS被定义由如图·1所示的四个核心单元组成：机床、输送系统、计算机控制系统、软件系统。而如果谈到计算机集成制造系统（CIMS），它包含了更多的今天智能制造话题下的系统。然而，时至今日， FMS主要在汽车零配件生产及组装一些领域应用，而CIMS似乎已经逐渐淡出视线。

图1-FMS柔性制造系统基本架构

柔性制造的难题在哪里？

实际上，在传统意义上，FMS/CIMS受制于技术本身的局限，在较长的时间里存在一些必然的问题：

*物料输送：制造系统中，原材料的进料，工位间输送、以及所需的机械转换（排列、换向、翻转

等动作）都是采用机械方式来实现。通常工艺设备是标准的，但是，整个输送与辅助设备基本上“非标”，如何在混线生产时让物料准确、及时的输送到预定位置，并沿着规划路径稳定的流动，这本身是一个非常复杂的调度问题。而偏偏这些机械系统往往都是刚性的，调整不便，这使得FMS是在一个刚性环境下“柔性”工作，即，只能做到有限的柔性-而且整个产线投资较大，因此，批量不能太小，因为系统启动成本较高。

*通信连接：在柔性系统中，各工艺设备间是需要连接及语义交互，并且与全局规划的设计、计划

调度系统要动态交互，这些都需要通信网络和语义互操作规约的支持。对于传统的机械输送系统来说，本身就没有可以反馈的电子连接或传感器。即使是工艺设备，即使到今天也未能很好解决语义互操作问题。

*软件连接：CAD/CAE这类数字化设计类软件与PLC、CNC这类运行时软件间的交互，也是比

较困难的。传统意义的FMS有一个难点，即，对于“未知”产品的生产往往需要大量的测试验证，这个对于批量本来不大的生产任务来说，测试验证将造成成本居高不下。因此，如何实现机械、电气控制与传动、工艺间的协同仿真与虚拟测试，也是FMS系统的难题。

因此，几个障碍使得FMS仅局限于某个具体的场景，来自于独立的厂商在其封闭的系统中能够局部实现，而且，很多在运行的FMS还主要是针对金属（刚性材料）下的生产。而对于更为广泛的食品、饮料、日化、医疗、制药等领域来说，他们的种类可能会更多，个性化需求更为强烈，但传统的FMS似乎也不太涉及。

而更为重要的在80年代的中国，能够有产品生产出来即可，还没有到个性化需求的阶段。今天，智能制造之所以被大家关注，以及企业开始推进，正是因为消费水平与消费文化的变化，使得个性化成为了企业赢得市场的未来关键。而作为制造领域的方案提供者，贝加莱一直关注制造的柔性，并且不断推进柔性制造的实现—本次，我们介绍多维运动控制如何响应且改变着制造的柔性实现。

1维运动控制-机器内的柔性

在离散制造领域的机器与装备，实际上首先是可以实现加工的柔性的，贝加莱的ACOPOS家族里的伺服驱动器，ACOPOSmotor-针对高防护等级领域、ACOPOSmulti-共直流母线驱动、ACOPOSmicro等都是可以支持各种变化的生产的，如图2所示。

图2-ACOPOS家族产品应用于机器组合

旋转电机或直线电机都是1个维度的运动，即旋转或直线运动。伺服电机最初主要是为了实现高精度定位与同步这样的任务，但是，随着加工对象的复杂性提高，伺服电机更多开始扮演“柔性”的角色。贝加莱在很多领域都深谙其道。例如：

（1）印刷机械的无轴传动技术，采用伺服电机替代机械长轴，让印刷更灵活，后道电子凸轮裁

切，通过设置刀辊的电子凸轮曲线，代替机械刀辊，通过参数设置即可改变加工规格。

（2）印后装订中大量的伺服使用在于印刷的尺寸规格变化后，各种机械位置要调校，还需要老师

傅的经验，否则可能会调校很多次，浪费很多材料。

（3）纺织里的多电机传动粗纱、细纱，以及采用直线电机的经编机电子横移（ELS），这些都是

为了获得纺纱与织造过程的产品灵活性。

（4）垂直填充型包装里用电子鼓序列发生器代替机械的鼓序列发生器，让不同产品步序灵活。

…

当然，像这种1维运动主要发生在一个机器内部的产品变化，他们带来机器本身的工艺柔性-让机器可以通过参数设置来适应不同的加工规格，成型工艺。

2维运动-生产在机器间流动

当一个或多个产品从不同的设备进入了组装阶段，那么，这个就离开了机器，进入了一个更为大的空间中，这个时候，当产品的尺寸规格、组合方式、工序顺序发生变化的时候，这个柔性就对生产提出了巨大的挑战—调度这些任务以形成各种组合，可能是数十个、百个，乃至上千种组合，如何提供物料输送、通信连接就成为了新的问题。

那么，如果还用传统的一维运动的组合就会让这个机械系统复杂性大幅增加，而如果系统本身就能够提供X,Y两个维度的运动，那么，就可以把整个产线简化，并且，能够实现组合的灵活性，就像贝加莱提供的ACOPOStrak一样，如图3所示，它有多种不同的轨道，可以拼装为一个柔性轨道输送物料。

它可以提供在X,Y这两个维度的运动，使得物料的输送可以形成非常多的路径，可以分道进入组装，也可以让不良品沿着专用路径离开，它的物料放在动子托盘上，可以按照设定去相关的工位加工，而不像传统输送带，只能按照固定的速度，在系统各个单元不匹配时候，不能进行负载的有效分配，以达到最大的效率。

图3-ACOPOStrak构建的二维空间中的灵活生产线组织

ACOPOStrak就是这样的设计，它让被加工对象在X,Y两个维度去运动，然后，能够实现汇流、分流，它实际上带来的不仅是灵活性，而且，也包括对一些设计的简化：

*降低了机械的复杂性，例如频繁的上下料过程被削减，因为传统的机械结构，在输送线的流动件

要经过每个单元，要被上下料的机构送到机台上进行加工，而输送系统则直接托盘形式让它经过每个单元，这就简化了机械结构。

*节拍的协同：在一个系统中，存在着高速、低速的生产单元，那么，输送系统如果不具有灵活性，那么，它就会需要缓冲，但是，ACOPOStrak解决了这个问题，即，采用“公倍数”来解决这个问题，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，它的最佳组合就是2*3*6的组合，那么就会产生分流、汇流，但是，这三个单元就变成了最终1:1:1的生产—这意味着没有了“瓶颈”。

*物流调度问题：实际上，仔细想想，一个生产系统，它需要把不同的原材料、按照不同的路径、精准的输送到每个工站，然后经过其它单元形成一个完整的产品，那么，这个系统的调度能力就必须非常强。

图4-ACOPOStrak的优点

ACOPOStrak不仅提供定位的精度，它还为生产的路径提供了“智能”的算法，这个算法确保，对于用户来说，仅需设定好一个产品的流程，编码，然后，ACOPOStrak会自动为您生产一个流程。

6维-将制造的柔性延展到空间

当产线进一步发展，产品的流程变得更为复杂的时候，我们会发现一些微小的变化，就要支付较为复杂的机械结构来配合。另外一个方面，即使是在X,Y轴上的运动扩展，也是无法解决任意组合的路径这个问题，ACOPOS 6D就能实现这个维度的柔性制造。

图5-ACOPOS 6D近照

图6-什么是6维运动？

图5是ACOPOS 6D近照，在平面定子上的动子运动，可以形成各种组合，这是一种纯磁悬浮技术，无机械接触，不产生摩擦。更为神奇在于每个动子托盘是可以形成像图6所示的六种运动的，X轴,Y轴,Z轴,R(X)-沿X轴的旋转,R(Y)-沿Y轴的旋转,R(Z)-沿Z轴的旋转，即在X,Y,Z的运动及这三个维度的旋转叠加运动，它使得运动可以在空间形成自由，这种输送方式，进一步将2维运动扩展到6维。

ACOPOS 6D如何简化机械设计？

我们用几个场景来看ACOPOS 6D可以让整个产线的加工组装过程简化：

👉Z轴运动：在没有ACOPOS 6D这个Z轴动作的时候，对于产品加工刚好需要一个高精度的上下动作时，就需要额外增加一个机械机构来实现这个（伺服电机或直线电机），或者需要输送到一个机台旁边，用机构上下料方式进行这个动作。

👉X,Y轴运动：同样道理，对于一个需要一些倾角进行加工的时候（如磨边、涂胶、贴标），你需要额外的机械结构来实现这一点，而ACOPOS 6D的动子托盘可以沿着X和Y轴进行旋转的。而且，而且，而且，ACOPOS 6D的托盘自己也可以走一个CNC的路径，这样你不需要一个加载在CNC机械结构上的激光头，而是一个激光头，让托盘走CNC—这是不是也是一种很有意思的解决方案？

👉Z轴旋转：如果你刚好加工完工件一侧需要加工另一侧时候，Z轴的旋转就可以省略需要的翻转机构，或者即便你需要大角度的运动，对于独立的动子托盘完全可以高速的在小范围快速移动，它没有机械限制，即使产品发生变化，它也不需要机械输送的调整或者改变。

ACOPOS 6D给了工程师设计产线的各种可能性，简化了机械。对于非标自动化，有时候高精度的非标件成本也是非常高的，毕竟，这些机械件往往批量并不大。

ACOPOS 6D让工程师可以按照一种完全不受到机械约束的柔性产线设计，而且智能的调度，让你只需要关注，你的理想中自由的产线是什么样的？ACOPOS 6D来帮您实现它。

图7介绍了它的特点和一些关键指标。

图7- ACOPOS 6D的特点

实际上，ACOPOS 6D的非接触也对洁净环境具有适应性，像这种纯粹非接触的输送，连产生机械磨损造成的粉尘机会都没有，对于制药、医疗、锂电类生产真是再合适不过。

调度算法是柔性的核心

其实，不管是ACOPOStrak还是ACOPOS 6D，他们的核心都是在“调度”的智能性上。因为从生产的计划与调度人员视角来看，对于多个工序的个性化加工来说，这个智能“排产”还是需要一定的策略和方法的。但是对于ACOPOStrak和ACOPOS 6D来说这个调度本身是已经被封装好的，用户仅需通过软件来“编排”任务即可，在这里，没有用到“编程”因为它主要是为不同的生产任务设定初始与目标点，而系统则会进行调度的计算，他们之间通过POWERLINK网络来感知各自的位置、间距，并传递各自的当前位置与速度，如图7所示，这是一个完全可以被感知的柔性系统-通信问题被实时解决。而控制器，即X20或贝加莱PC，都是集成OPC UA通信规约，可以跟生产计划、调度系统之间实现交互，以接受来自生产的任务，并解析执行。

图8-每个轨道都是通过POWERLINK实时网络连接的

运动控制-让制造的空间更灵活

运动控制，从1维的ACOPOS系列驱动电机的运动，到ACOPOStrak在X,Y维度让产品在更大的空间里运动，形成各种丰富的组合，而ACOPOS 6D，则让产品被灵活的方式送给机器加工，让零部件自己去想去的地方，而不是被约束在一个群体中，只能集体行动（大规模标准生产模式）。

图9-六维运动控制技术的演变

贝加莱的运动控制技术，一直是致力于制造的柔性，从机器内部的加工，到机器之间，以及零配件在不同机器之间，在原材料变化、工序、工艺、路径各种变化的挑战下，实现个性化，挑战不可能。

他们可以用在哪里？

对于ACOPOS系列来说，自1997年推出已经广泛在各个行业。在2018年推出SuperTrak，贝加莱又于2019年推出ACOPOStrak，又在2021年推出ACOPOS 6D，这些代表着全球运动控制前沿的技术，并已经投入应用。目前它在全球市场已经用到的场景包括了图9所示的诸多领域，当然，它并局限于这些，因为，任何需要个性化，而又追求高品质、低成本的领域，都是他们发挥的空间。

图10-柔性输送技术应用场景

事实上，谈到柔性制造，除了最初我们谈到的技术性问题，也意味着市场的问题，FMS和CIMS实际上在某种意义上，有些超前。因为，在他们被提出的时候，包括控制技术、软件技术本身也是不经济的，专门为一个企业部署的计算机集成制造系统所需的基础设施和软件系统都是非常昂贵的，这是其本身的经济性问题。

第二个经济相关的问题是人们的生活水平的问题，即或在90年代初，我们仍然处于“卖方”市场，因此，个性化这个需求一直并不是特别突出，而随着中国的消费者越来越高的要求，高品质而又个性化的产品需求才开始逐渐显现出明显的需求增加，这意味着柔性制造的爆发。

关于贝加莱

贝加莱是一家总部位于奥地利并在全球拥有分公司的创新型自动化企业。2017年7月，贝加莱成为ABB集团的机械自动化事业部。作为工业自动化领域的全球领导者，贝加莱将前沿技术与领先工程相结合，为几乎每个行业的客户提供面向机器与工厂自动化、运动控制、HMI和集成安全技术的完整解决方案。借助于OPC UA、POWERLINK、openSAFETY等工业物联网通信标准，以及强大的Automation Studio软件开发平台，贝加莱不断重新定义自动化工程的未来。受简化流程和超出客户预期的承诺驱动，贝加莱始终保持创新精神并处于工业自动化领域的前沿。

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