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多品种小批量离散加工的智能制造系统

国际金属加工网 2022年04月15日

多品种小批量生产是大势所趋,装配生产企业往往以单元线模式应对取得了很好的效果,但是对于离散制造加工企业,按照成组工艺组建的单元线多数并不能正常运行,主要原因是工序多、工序节拍平衡性差、生产异常冲击影响大等等,如何解决这个问题呢?柔性化制造单元模式避开了工序间工时差异大的矛盾,是多品种小批量离散制造提高效率的※佳实践。

一、提高离散加工生产效率的有效途径分析

从离散加工生产过程的时间组成来看,D、G是增值时间,其余都是非增值时间。提高生产效率的主要途径是有效降低甚至取消换刀、换工装、装卸等不增值时间,如下图:

常用的方法以及效果有:

1. OEE通过减少停机时间、提高质量来增加设备综合效率,可以降低A、B、C、F、H的时间,但一般不能消除。

2.SMED通过刀具、工装切换的标准作业可以降低A、B的时间,通过内外部作业转换可以降低E的时间。

3.TPM通过减少故障停机,提高设备性能可靠性,可以减少H、E、G的时间。

4. 工艺改进、程序优化可以降低D、G的时间。

5.6S管理可以降低H时间。

上述方法都只能是逐步降低不增值时间,不能“消除”时间,而柔性制造技术则可以将不增值时间A、B、C、E、F全部“消除”,即转入外部作业模式,从而大大提高设备时间利用率,提高生产效率。

二、柔性化制造系统的构成

柔性制造系统是上世纪60年代起源于英国,之后日本将之发扬光大,对日本制造业30年辉煌功不可没。我国于上世纪80年代引入,发展30多年一直少有成功案例,随着企业数字化、智能化转型升级的逐步深入,近几年来国内柔性制造技术应用风起云涌,格力G-FMS线、三一重工FMS线成效显著。

离散机械加工的柔性制造系统一般由以下子系统构成:

1、通用托盘或多功能抓手系统:这是柔性制造系统的基础核心,快速高精度重复定位技术、联动锁紧技术的成熟应用为柔性制造系统的普及带来了发展机遇。

2、加工设备组合:目前国际上柔性制造系统通常采用自律分散式单元模式,加工设备数量少,但是可组合性强。常用的柔性加工设备有卧式加工中心立式加工中心数控车床数控磨床三坐标测量等,有的企业将钳工工序、装配作业整合进柔性制造单元中,也取得了不错的效果。

3、刀库系统:一般的数控加工设备自带刀库容量小,换型时换刀时间占比大,影响了效率的提升。而柔性制造系统往往采用共用大型刀库,由机器人为每台加工设备配送刀具,可以将换刀时间几乎全部转入外部作业。

4、物料系统:物料系统包括工件的存储、托盘的存储、工装的存储、工件的装卸、工件托盘的运输等等,是实现柔性制造的关键技术。物料存储一般采用货架模式,工件、空托盘、工装以及作业托盘(安装了工装和工件)分别占用不同的货位区域,通常设置工件/工装装卸的独立的工作站,而运输到加工设备的形式比较多样,比如有基于堆垛机的,有基于导轨机器人的,有基于AGV/RGV 的。比较简单的物流系统是采用桁架机械手+两工位工件装卸工作站模式,比较适用于数控加工为主的柔性制造系统。

5、控制工作台:单机或双机柔性制造单元可以应用设备原有的控制系统,但较复杂的FMS系统往往需要设置独立的控制工作台,与各设备原有的控制系统一起,构成控制网络,以运行统一计划、调度职能。立体货仓、机器人/堆垛机/AGV/RGV、加工程序数据库的管理都需要集成到控制工作台集中进行管理。

6、其他系统:包括切屑自动收集/输送系统、切削液补给系统、刀具重定位系统、刀具自补偿系统、CCD视觉识别系统等等,依据柔性制造的复杂需求程度而有不同的规划设计方案。

三、柔性制造系统的规划要素

柔性制造单元,要结合企业自身产品的特点和加工属性进行规划设计,同时也要考虑现有设备状况和可改造能力:

1、首先还是产品的工艺分类分组。可以按照成组工艺技术方法将所有的产品进行分类分组,形成初步的范围清单。

2、其次要综合考虑设备、刀具的应用情况进行分组。目的是确定设备组合,以及刀库的容量组合。

3、再次按照产品的工序加工特点,从外形尺寸、定位方式、紧固方式等要素进行分析,从而确定通用托盘的方式,或者多功能抓手的结构构成。

4、结合产品产量需求和生产节拍,来规划物料系统要采用的模式以及区域面积、货位数量等,并且选择确定工件的运输方式,是堆垛机,还是机器人,还是AGV等,当然系统的可扩展性也是需要考虑的重要因素之一。

5、然后规划柔性制造系统的集成控制子系统,是否需要实现程序集中管控,工件运输系统以及原有设备控制台的功能是否需要集中整合等等,确定控制台总体方案。

6、其他系统的设计规划。排屑系统、冷却液补偿等等可以利用原有系统,也可以进行改造,并入中控台集中管控。但是从系统的柔性化来讲,我们并不建议都进行集中管控,这往往会对后续的柔性化调整带来约束困难。

柔性制造系统是提高多品种小批量离散加工制造效率的※有效方法之一,也是企业数字化、智能化转型的必由之路。柔性制造技术的应用不仅是为了精简人力,降低人力成本,更重要的是缩短生产周期,并解决零件加工的同一性问题,提高产品的质量水平。因而企业只有结合企业自身产品的特征以及实际生产需求,尽快选用适合自己的柔性制造系统,充分发挥其柔性价值,才能在激烈的市场竞争中脱颖而出。

作者:胡玉江,北大纵横精益运营及智能制造研究院院长


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