1　背景

近年來(lái)，為了精確滿足用戶和消費(fèi)者的需求，個(gè)性化定制產(chǎn)品的需求量飛速提升。2017年習(xí)近平總書 記在十九大報(bào)告中明確指出：“深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改 革”。其中一項(xiàng)重要內(nèi)容就是“提高供給結(jié)構(gòu)對(duì)需求 變化的適應(yīng)性和靈活性，提高全要素生產(chǎn)率”。

但當(dāng)前的大批量、剛性制造模式難以滿足大批量個(gè)性化定制生產(chǎn)的需求。其挑戰(zhàn)是：批量化、剛 性生產(chǎn)系統(tǒng)是針對(duì)已知的、既有產(chǎn)品的工藝流程專門設(shè)計(jì)的，且不具有靈活性，停產(chǎn)更新周期長(zhǎng)。電梯、航空航天等裝備以及電子產(chǎn)品的制造都面臨上述挑戰(zhàn)。

以個(gè)性化定制屬性鮮明的電梯零部件裝配為例，電梯上坎門頭部件共有20多個(gè)裝配工序，一 旦產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更，管理軟件的裝配工序模型需要增刪、修改，導(dǎo)致產(chǎn)線布局變化，20多個(gè)控制器的程序和機(jī)器人的工步、程序也需要調(diào)整，整個(gè)系統(tǒng)需要1周以上的離線調(diào)整時(shí)間。很顯然無(wú)法滿足個(gè)性化定制產(chǎn)品小批量甚至單件化定制。因此，電梯行業(yè)的零部件裝配環(huán)節(jié)只能依靠大量工人來(lái)保證生產(chǎn)線的適應(yīng)性和靈活性。導(dǎo)致整個(gè)行業(yè)的個(gè)性化定制電梯交付周期都在15天以上，產(chǎn)能難以提高。因此電梯、航空航天等裝備的大批量定制都迫切需要軟件、控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)高度靈活、快速重構(gòu)的生產(chǎn)系統(tǒng)來(lái)大幅縮短產(chǎn)品交付周期。

2　實(shí)施與應(yīng)用

為提高個(gè)性化定制產(chǎn)品大批量生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活性，中科院沈自所提出一種面向電梯大批量個(gè)性化定制的自適應(yīng)可重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)，主要包括以下3部分。

（1）柔性化裝配系統(tǒng)

首先，本方案創(chuàng)新性地提出了被擰緊通孔或螺紋孔精確定位的方法，將這一方法應(yīng)用于各個(gè)裝配擰緊工位，有效規(guī)避了待裝配的零部件外形尺寸一致性差的問題。同時(shí)，還自主研發(fā)了零部件上料托盤以及拆疊盤機(jī)，解決零件自動(dòng)上料、精確定位的關(guān)鍵問題。 在門頭板的定位方面，方案同樣貫徹對(duì)擰緊的孔進(jìn)行精確定位的思想，同時(shí)在關(guān)鍵工位，采用視覺糾正兩孔中心連線的角度，并用穿銷的方式二次定位（如圖 1所示），解決門頭精確定位的問題，為自動(dòng)擰緊提 供準(zhǔn)確、穩(wěn)定的擰緊條件。

圖1 上坎門頭柔性裝配線的定位與擰緊機(jī)構(gòu)

其次，方案在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下對(duì)原有的裝配工藝進(jìn)行創(chuàng)新性地調(diào)整，采用先分裝再總裝的裝配模式。先將左右掛板進(jìn)行分裝，再將分裝好的掛板和門頭板組件進(jìn)行總裝，解決掛板上的零件后續(xù)裝配引起的定位不準(zhǔn)確的問題。

第三，在整體物流方式上方案打破了傳統(tǒng)的托盤加積放輥道的裝配模式，采用獨(dú)立工作站加機(jī)器人的裝配模式。通過機(jī)器人進(jìn)行工位之間的流 轉(zhuǎn)，以及待裝配零部件的上料，解決門頭組件在工位之間難于流轉(zhuǎn)、待裝配的零部件難于自動(dòng)上料的 問題。

此外，方案還解決了很多生產(chǎn)機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)問 題：比如螺母的自動(dòng)上料、未擰緊通孔與螺紋孔的對(duì)心問題等。方案自主研發(fā)自動(dòng)化專機(jī)共計(jì)12套，申 請(qǐng)了6項(xiàng)發(fā)明專利。這些面向上坎門頭的柔性技術(shù)都可以在鈑金裝配行業(yè)中進(jìn)行推廣。

（2）產(chǎn)品個(gè)性化選配、設(shè)計(jì)、制造一體化軟件

針對(duì)當(dāng)前在三維設(shè)計(jì)（UG等）、MES、 ERP、PDM、鈑金加工等多套系統(tǒng)間信息孤島的問 題，本方案研究出能夠貫穿研發(fā)、工藝和制造的產(chǎn)品個(gè)性化選配、設(shè)計(jì)、制造一體化軟件（如圖2所 示），重點(diǎn)攻克了：產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)、BOM自動(dòng)編 制、工藝路線自動(dòng)生成等技術(shù)，減少人工設(shè)計(jì)時(shí)間 和人力成本，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、交付的周期大幅 縮短。

圖2 面向電梯大批量定制的3D設(shè)計(jì)工藝制造一體化平臺(tái)界面

該軟件主要面向電梯行業(yè)中個(gè)性化定制程度越來(lái)越高，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與工藝環(huán)節(jié)脫節(jié)、工藝環(huán)節(jié)編制工作量大且隨企業(yè)訂單量增大時(shí)，唯有增加人力成本才能滿足交期承諾等實(shí)際問題，該軟件可以完成產(chǎn) 品三維參數(shù)化設(shè)計(jì)、EBOM->PBOM->MBOM的自動(dòng)轉(zhuǎn)化和自動(dòng)編制、三維圖紙向二位圖紙的自動(dòng)轉(zhuǎn) 化和二維CAD展開圖自動(dòng)生成、圖紙尺寸的快速標(biāo) 注、腳本驅(qū)動(dòng)的專家知識(shí)庫(kù)和模型庫(kù)構(gòu)建、套料與機(jī)床數(shù)據(jù)自動(dòng)對(duì)接等功能。

（3）管理控制一體化軟件

針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更后工序工步、控制程序離線 調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)的問題，方案自主研發(fā)出電梯行業(yè)首套管理控制一體化軟件（如圖3所示）。

首先，針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更后工序工步離線調(diào)整周期長(zhǎng)的難題，方案基于語(yǔ)義技術(shù)，將傳統(tǒng)的剛性、串行工序工步解耦為最小工序工步單元，構(gòu)建出上坎門頭裝配工藝庫(kù)，當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更后，由既有的行業(yè)知識(shí)及深度學(xué)習(xí)融合起來(lái)驅(qū)動(dòng)工藝庫(kù)自主重構(gòu)出新的工序工步，并驅(qū)動(dòng)控制程序自動(dòng)代碼生成軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)從工序工步到控制程序的一體化轉(zhuǎn)換。

 圖3 工序工步自主重構(gòu)的示意圖

針對(duì)PLC程序在產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更后，離線調(diào)整周期過長(zhǎng)的難題，本方案基于西門子Openess軟件， 自主研發(fā)出電梯上坎門頭自動(dòng)代碼生成軟件。該軟件能夠基于既定工藝環(huán)節(jié)的軟件模板程序，在輸入 自主重構(gòu)后的工序工步文件后，自動(dòng)轉(zhuǎn)換、生成出新的PLC代碼，從而大幅減少工程師離線調(diào)整時(shí)的工作量。

方案基于上述軟件構(gòu)建出電梯行業(yè)管理控制一體化軟件，能夠大幅縮短由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更而導(dǎo)致的 工序工步、PLC程序離線設(shè)計(jì)、調(diào)試周期等問題，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制產(chǎn)品的快速交付。

基于上述柔性裝配系統(tǒng)、設(shè)計(jì)制造一體化軟件以及管理控制一體化軟件的研發(fā)與實(shí)施，方案實(shí)現(xiàn)了電梯上坎門頭組件的大批量個(gè)性化定制，使得產(chǎn)能提升1倍以上，交付周期縮短30%以上。大幅提升了電 梯行業(yè)制造過程的智能化水平和競(jìng)爭(zhēng)力。

3　應(yīng)用難點(diǎn)及解決思路分析

當(dāng)前，由于電梯制造行業(yè)大批量個(gè)性化定制的屬性（每一部出廠的電梯尺寸、內(nèi)飾等均為定制）， 使得眾多部、組件只能依靠人工來(lái)適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變 更，導(dǎo)致交付周期過長(zhǎng)、產(chǎn)能難以提高、生產(chǎn)成本較 高。針對(duì)上述難題，方案的解決思路為：

（1）首先，以電梯重要的組件上坎門頭為首要對(duì)象，設(shè)計(jì)研發(fā)出上坎門頭柔性裝配系統(tǒng)，針對(duì)上坎門頭近百個(gè)零件的高靈活性、難以固定的難題，自主研發(fā)出多個(gè)工藝環(huán)節(jié)的二次精確定位機(jī)構(gòu)和自適應(yīng)工裝系統(tǒng)，通過自主研發(fā)的軟件系統(tǒng)確定產(chǎn)品工藝，明確產(chǎn)品在各個(gè)工位需要裝配零部件的內(nèi)容和位置，使各個(gè)工位自動(dòng)調(diào)整或切換定位系統(tǒng)以及工裝夾具，從而使生產(chǎn)系統(tǒng)能夠兼容現(xiàn)有20余種產(chǎn)品及未來(lái)新增產(chǎn)品的混線生產(chǎn)；

（2）自主研發(fā)出面向設(shè)計(jì)、制造一體化的電梯大批量個(gè)性化定制設(shè)計(jì)、制造一體化平臺(tái)，打通從客戶選配、個(gè)性化訂單生成、產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更到控制系統(tǒng)軟件環(huán)境的信息孤島，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造周期；

（3）將自主研發(fā)的管理控制一體化軟件應(yīng)用于電梯制造環(huán)節(jié)，使工序工步能夠快速重構(gòu)、控制程序代碼能夠自動(dòng)生成，從而縮短當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更時(shí)，生產(chǎn)系統(tǒng)的離線調(diào)整周期，從而進(jìn)一步縮短產(chǎn)品的交付周期。

4　效益分析

面向電梯大批量個(gè)性化定制的自適應(yīng)可重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某大型電梯制造公司，打破了目前國(guó)內(nèi)電梯行業(yè)在上坎門頭組件的裝配環(huán)節(jié)均采用全手工裝配，無(wú)自動(dòng)裝配工藝單元的局面。對(duì)比原來(lái)的手工裝配線節(jié)拍與產(chǎn)能狀況，所需工人數(shù)量從40人減少為4人，人工成本節(jié)約了90%；裝配節(jié)拍從2分鐘/套降為40秒/套，效率提升2倍以上；從設(shè)計(jì)到制造的訂單交付周期從15天降為9天，交付周期縮短了40%。且本方案的應(yīng)用能夠兼容現(xiàn)有20余種產(chǎn)品及未來(lái)新增產(chǎn)品的混線生產(chǎn)，大大提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

5　結(jié)語(yǔ)

本方案響應(yīng)習(xí)近平總書記十九大報(bào)告中“深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”中的“提高供給結(jié)構(gòu)對(duì)需求變化的適應(yīng)性和靈活性，提高全要素生產(chǎn)率”的重要指示，針對(duì)個(gè)性化定制屬性鮮明的電梯行業(yè)裝配需求，構(gòu)建面向電梯大批量個(gè)性化定制的自適應(yīng)可重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)，研制開發(fā)一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟硬件，大幅提升電梯行業(yè)產(chǎn)能、節(jié)約生產(chǎn)成本、 縮短交付周期，極大提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，該工程項(xiàng)目的核心技術(shù)和軟件還有望應(yīng)用推廣到鈑金加 工、航空航天、電子等大批量個(gè)性化定制屬性鮮明 的行業(yè)，進(jìn)而縮短上述行業(yè)由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更而導(dǎo) 致的工序工步、控制程序、生產(chǎn)單元離線調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)，交付周期過長(zhǎng)等難題，提升大批量個(gè)性化定制的靈活性和智能化水平，從而助推我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年4月刊