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案例頻道1 背景
近年來，為了精確滿足用戶和消費者的需求，個性化定制產品的需求量飛速提升。2017年習近平總書 記在十九大報告中明確指出：“深化供給側結構性改 革”。其中一項重要內容就是“提高供給結構對需求 變化的適應性和靈活性，提高全要素生產率”。
但當前的大批量、剛性制造模式難以滿足大批量個性化定制生產的需求。其挑戰是：批量化、剛 性生產系統是針對已知的、既有產品的工藝流程專門設計的，且不具有靈活性，停產更新周期長。電梯、航空航天等裝備以及電子產品的制造都面臨上述挑戰。
以個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多個裝配工序，一 旦產品設計變更，管理軟件的裝配工序模型需要增刪、修改，導致產線布局變化，20多個控制器的程序和機器人的工步、程序也需要調整，整個系統需要1周以上的離線調整時間。很顯然無法滿足個性化定制產品小批量甚至單件化定制。因此，電梯行業的零部件裝配環節只能依靠大量工人來保證生產線的適應性和靈活性。導致整個行業的個性化定制電梯交付周期都在15天以上，產能難以提高。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、機械結構高度靈活、快速重構的生產系統來大幅縮短產品交付周期。
2 實施與應用
為提高個性化定制產品大批量生產系統的靈活性，中科院沈自所提出一種面向電梯大批量個性化定制的自適應可重構生產系統，主要包括以下3部分。
（1）柔性化裝配系統
首先，本方案創新性地提出了被擰緊通孔或螺紋孔精確定位的方法，將這一方法應用于各個裝配擰緊工位，有效規避了待裝配的零部件外形尺寸一致性差的問題。同時，還自主研發了零部件上料托盤以及拆疊盤機，解決零件自動上料、精確定位的關鍵問題。 在門頭板的定位方面，方案同樣貫徹對擰緊的孔進行精確定位的思想，同時在關鍵工位，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，為自動擰緊提 供準確、穩定的擰緊條件。
圖1 上坎門頭柔性裝配線的定位與擰緊機構
其次，方案在保證產品質量的前提下對原有的裝配工藝進行創新性地調整，采用先分裝再總裝的裝配模式。先將左右掛板進行分裝，再將分裝好的掛板和門頭板組件進行總裝，解決掛板上的零件后續裝配引起的定位不準確的問題。
第三，在整體物流方式上方案打破了傳統的托盤加積放輥道的裝配模式，采用獨立工作站加機器人的裝配模式。通過機器人進行工位之間的流 轉，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、待裝配的零部件難于自動上料的 問題。
此外，方案還解決了很多生產機構的細節問 題：比如螺母的自動上料、未擰緊通孔與螺紋孔的對心問題等。方案自主研發自動化專機共計12套，申 請了6項發明專利。這些面向上坎門頭的柔性技術都可以在鈑金裝配行業中進行推廣。
（2）產品個性化選配、設計、制造一體化軟件
針對當前在三維設計（UG等）、MES、 ERP、PDM、鈑金加工等多套系統間信息孤島的問 題，本方案研究出能夠貫穿研發、工藝和制造的產品個性化選配、設計、制造一體化軟件（如圖2所 示），重點攻克了：產品參數化設計、BOM自動編 制、工藝路線自動生成等技術，減少人工設計時間 和人力成本，使產品設計、制造、交付的周期大幅 縮短。
圖2 面向電梯大批量定制的3D設計工藝制造一體化平臺界面
該軟件主要面向電梯行業中個性化定制程度越來越高，設計環節與工藝環節脫節、工藝環節編制工作量大且隨企業訂單量增大時，唯有增加人力成本才能滿足交期承諾等實際問題，該軟件可以完成產 品三維參數化設計、EBOM->PBOM->MBOM的自動轉化和自動編制、三維圖紙向二位圖紙的自動轉 化和二維CAD展開圖自動生成、圖紙尺寸的快速標 注、腳本驅動的專家知識庫和模型庫構建、套料與機床數據自動對接等功能。
（3）管理控制一體化軟件
針對產品設計變更后工序工步、控制程序離線 調整時間過長的問題，方案自主研發出電梯行業首套管理控制一體化軟件（如圖3所示）。
首先，針對產品設計變更后工序工步離線調整周期長的難題，方案基于語義技術，將傳統的剛性、串行工序工步解耦為最小工序工步單元，構建出上坎門頭裝配工藝庫，當產品設計變更后，由既有的行業知識及深度學習融合起來驅動工藝庫自主重構出新的工序工步，并驅動控制程序自動代碼生成軟件來實現從工序工步到控制程序的一體化轉換。
圖3 工序工步自主重構的示意圖
針對PLC程序在產品設計變更后，離線調整周期過長的難題，本方案基于西門子Openess軟件， 自主研發出電梯上坎門頭自動代碼生成軟件。該軟件能夠基于既定工藝環節的軟件模板程序，在輸入 自主重構后的工序工步文件后，自動轉換、生成出新的PLC代碼，從而大幅減少工程師離線調整時的工作量。
方案基于上述軟件構建出電梯行業管理控制一體化軟件，能夠大幅縮短由于產品設計變更而導致的 工序工步、PLC程序離線設計、調試周期等問題，實現個性化定制產品的快速交付。
基于上述柔性裝配系統、設計制造一體化軟件以及管理控制一體化軟件的研發與實施，方案實現了電梯上坎門頭組件的大批量個性化定制，使得產能提升1倍以上，交付周期縮短30%以上。大幅提升了電 梯行業制造過程的智能化水平和競爭力。
3 應用難點及解決思路分析
當前，由于電梯制造行業大批量個性化定制的屬性（每一部出廠的電梯尺寸、內飾等均為定制）， 使得眾多部、組件只能依靠人工來適應產品設計的變 更，導致交付周期過長、產能難以提高、生產成本較 高。針對上述難題，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象，設計研發出上坎門頭柔性裝配系統，針對上坎門頭近百個零件的高靈活性、難以固定的難題，自主研發出多個工藝環節的二次精確定位機構和自適應工裝系統，通過自主研發的軟件系統確定產品工藝，明確產品在各個工位需要裝配零部件的內容和位置，使各個工位自動調整或切換定位系統以及工裝夾具，從而使生產系統能夠兼容現有20余種產品及未來新增產品的混線生產；
（2）自主研發出面向設計、制造一體化的電梯大批量個性化定制設計、制造一體化平臺，打通從客戶選配、個性化訂單生成、產品設計變更到控制系統軟件環境的信息孤島，從而縮短產品設計、制造周期；
（3）將自主研發的管理控制一體化軟件應用于電梯制造環節，使工序工步能夠快速重構、控制程序代碼能夠自動生成，從而縮短當產品設計變更時，生產系統的離線調整周期，從而進一步縮短產品的交付周期。
4 效益分析
面向電梯大批量個性化定制的自適應可重構生產系統已經應用于國內某大型電梯制造公司，打破了目前國內電梯行業在上坎門頭組件的裝配環節均采用全手工裝配，無自動裝配工藝單元的局面。對比原來的手工裝配線節拍與產能狀況，所需工人數量從40人減少為4人，人工成本節約了90%；裝配節拍從2分鐘/套降為40秒/套，效率提升2倍以上；從設計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%。且本方案的應用能夠兼容現有20余種產品及未來新增產品的混線生產，大大提高企業的競爭力。
5 結語
本方案響應習近平總書記十九大報告中“深化供給側結構性改革”中的“提高供給結構對需求變化的適應性和靈活性，提高全要素生產率”的重要指示，針對個性化定制屬性鮮明的電梯行業裝配需求，構建面向電梯大批量個性化定制的自適應可重構生產系統，研制開發一系列具有自主知識產權的軟硬件，大幅提升電梯行業產能、節約生產成本、 縮短交付周期，極大提升行業競爭力。同時，該工程項目的核心技術和軟件還有望應用推廣到鈑金加 工、航空航天、電子等大批量個性化定制屬性鮮明 的行業，進而縮短上述行業由于產品設計變更而導 致的工序工步、控制程序、生產單元離線調整時間過長，交付周期過長等難題，提升大批量個性化定制的靈活性和智能化水平，從而助推我國制造業轉型升級。
摘自《自動化博覽》2021年4月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號