模块化助力机械制造企业加快生产


作者:Kay Willerich 日期:2017/10/18 来源:MM《现代制造》

人们通过了解机器制造业能够得出这样的印象,当前机器制造业生产厂家还是按照委托代工(OEM)的方式进行生产。这样,机器制造业企业就必须要缩短产品的交货时间、尤其需要大大缩短投入运行的时间。一方面,制造业企业必须探究机器制造的模块化方法能否注入新的动力,另一方面,借助人们熟悉并已习惯的系统进行工作,能否实现普通机电一体化的模块化。对此,人们大多给出了肯定的答案。机器的结构需要高度灵活且集成化,并且还要尽可能的联网应用,但是不能过于复杂。Lenze 公司的(Motion)中心(Centric)自动化(Automation)专家认为,首先是专用机器制造业可以从模块化中普遍受益。

图1 模块化将来不再集中在单个的狭义上的机器功能方面。同时,明天的任务更多是在机器设备模块标准化的相互连接方面

快速达到成熟度

客户们在位于德国Ostwestfalischen的覆膜机生产厂家所看到的正是该专用机器生产厂家的生产实况。听了该覆膜机生产厂家的企业管理者的介绍之后,客户们通常考虑的是,当其预订一台机器时,通常考虑的是该机器生产厂家在某一展览会上已预定出的机器数量,相比之下,客户们通常会忽略对该家机器生产企业环境的了解。一旦机器售出后,生产厂家才会考虑,这些新购置的机器还需要包括结构和技术在内的哪些设备。作出这些决定的背景是明确的:降低固定资产、流动资金较充裕以及降低投资错误产物的风险。

该覆膜机生产厂家的企业管理者介绍说,“由于采用了新技术,我们能够使我们的创新产品更快、更有效的达到批量生产水平,并投入市场”。他继续说,出于这样的原因,我们最近在覆膜机的驱动和自动化技术方面采用了Lenze 公司的技术解决方案。这样我们不仅可以为经常性的生产任务提供现成的标准,还可以提供落实核心生产流程所必须的开放性和灵活性。同时我们能够对设备进行模块化设计,并根据我们的企业经验,使模块化设计的设备在相互可以结合的单个流程中很好的相互划分可结合的单个生产流程,并且今后还能够重新进行组合式再拼接。

图2 机器设备研发中的模块化技术给机器制造生产厂家带来的主要优点是:机器设备的灵活性提高、测试时间缩短和出错率降低,并且使得机器制造生产厂家有更多的时间用于机器的成型,这对客户来说非常重要

一家软件研发公司发现,采用上述方法,企业的新机器需要4天才能投入运行。该软件研发公司表示,“对于我们来说,这种情况并非少见。”该软件研发公司称,采用这样的方法能够使企业的布置保持年轻化和具有活力。除此之外,我们使用了 Toolbox Fast应用软件的软件模块,这样便能够“为工作建立一个很好的主要构件的基础”。首先,采用该应用软件的软件模块能够使结构单元具有标准功能。“这便为我们提供了快速销售机器和持续追求最佳化的时间。”在此期间,这家位于德国Ostwestfalischen的覆膜机生产厂家必须改变原来整体式的不可分割的作业方式,通过研发技术使该公司发展为一个实现了模块化生产的企业。必须承认的是,这一具有决定性意义的改变并非一蹴而就。因为“我们必须为我们今后留出设备现代化的余地”。

需要根据机器设备的复杂性决定采用一个控制装置还是采用多个控制装置。需要采用适合的伺服控制器。如果按照过去的机械机制,机器设备需要在5周之后才能投入持续运行。然而今天,这家覆膜机生产厂家生产的机器设备在平均一周半的时间内便能够投入持续运行。对于客户来说这意味着企业可以快速赢利,从而显著提升企业的竞争力。

图3 只有当能够使用像EtherCAT 或 CANopen这样的水平的自动化层面上的跨生产企业的信息交换标准时,才可能真正实施普通的模块化的可拼装的机器和设备方案。在垂直方向上,人们认可像 PLCopen 以及 PackML这样的信息交换的标准

虚拟的预投入运行

一个普通的驱动和控制方案一方面能够减少目前普通的部件数量,这样便能够控制设备的设计和集成费用,而且能够降低风险;另一方面,采用Lenze 公司的系统能够通过虚拟轴平行的模拟和测试设备的机械结构。采用这样的方式,机器设备在机械层面还没有完成装配的情况下,工作人员便可以采用完成程序化的控制器和进行了参数化的驱动轴让设备投入运行。通常情况下,在此阶段控制器和电动机已经处于工作人员的办公桌上了,这叫做虚拟化。研发人员认为,这便是“从办公桌开始便已经舒适的”方案研究 。

此外,这样的“机器生产厂家的状态已经明显接近工业4.0 设计方案的核心要求,也就是即使进行小批量生产,生产厂家也能够取得效益。在理想的情况下,人们可始终不断实现模块化”。对此,要在3个层级上实现模块化:机电一体化层面、硬件层面和软件层面。在此,可借助新方法和新技术合理的实现这3个层面的相互连接。

现场总线具有更多选择性

Lenze 公司为EtherCAT集成了被称作是“选择的参与者”功能。在采用传统的现场总线时,研发人员必须事先了解,机器设备有哪些参与者以及这些参与者需要坐在什么位置上。在没有事先进行相应的新的配置的情况下,如果缺少了一位参与者的话,便会出现不必要的故障。在此方面,模块化非常奢侈。借助选择性的参与者原则,机器设备生产厂家可假设进行最大的基本配置,并根据客户个性化的具体愿望定义瘦身的基本配置变形,也可以由此实现机器的虚拟化。

如果乘坐在同一辆大巴车上的所有成员都拥有自己的座位,那么需要清楚一件事情,那就是驾驶员做什么,他将要将车驶向哪个方向,而且还要预定发车时间。工业4.0 模块化的意义是,必须预设连同唯一有效的时间戳在内的行程。正是因为同步生产这个必不可少的功能,Lenze 公司研发了所谓的同步桥(Sync Bridge)。基于EtherCAT和技术的单元同步化的各个参与者,虽然这是实时工作,但在此联盟中缺少一个主钟。该同步桥(Sync Bridge)的功能是为所有的参与者看钟表。

模块化的可拼装的机器设备方案

后来,人们了解到,未来模块化的先进模式不再是集中在单个的狭义上的机器功能方面。今后更多的任务是,实现标准化的模块化相互连接。这样做的结果是,真正实现普通的模块化的可拼装的机器和设备设计方案。想要真正实现这一目标,必须使用像EtherCAT 或 CANopen 这样的水平层面的自动化层面的跨生产企业的信息交换标准。为此,在垂直方向上,人们青睐像PLCopen和PackML这样的信息交换标准。使用这些标准,人们能够与他们的整个机器设备部分相互进行对话。当模块化的机器设备在一个生产过程中能够遵守国际网络传输协议,并使用相同的语言时,才能发挥其全部的优点。

而位于德国Ostwestfalischen的覆膜机生产厂家完全能够做到这一点,因而取得了成功。这家覆膜机生产厂家非常擅长将其公司生产的机器设备与必须购置的其他生产厂家的模块快速的进行模块化,并在开放式的生产过程中进行连接。