現(xiàn)代自動化的大腦與肌肉

鈑金制作自動化需要堅固的設備和智能的軟件。

 邁克.佩萊基亞 著劉明星譯

鈑金生產(chǎn)自動化并不僅僅是為了獲得高速的生產(chǎn)效率。生產(chǎn)設備只是平衡式的一端，好比是工廠自動化的肌肉；軟件則是平衡式的另一端，好比是工廠自動化的大腦。

圖1 在這個生產(chǎn)組織圖里，手推車等候在卸載平臺邊，協(xié)助零件物流通暢，減少在制品的積壓。

一個生產(chǎn)經(jīng)理沖進老板的辦公室，手里拿著一份打印的客戶電子郵件，客戶想知道他訂購的零件在哪里。結(jié)果顯示，車間只完成了客戶需要的部分訂單。

或者可能是這個顧客提交了設計上的更改，但是這些更改信息并沒有傳遞到生產(chǎn)一線。顧客打電話質(zhì)問為什么貨箱里的零件還是按照作廢的圖紙生產(chǎn)的。 

或者顧客最新的修訂圖紙不夠細化，或者前后矛盾，這需要鈑金廠的工程師花費額外的作圖時間來進行整理，而顧客卻不會為此付出買單。 

或者顧客提交了一份訂單，但是最后一刻又取消了，然而這些情況卻根本沒有反饋到生產(chǎn)部門。顧客可不希望在門口堆上一批壓根就不想要的零部件，更別指望他會為此買單。

上述讓人頭疼的情形司空見慣。在這大蕭條的世界，客戶們對現(xiàn)金流失以及大量庫存膽戰(zhàn)心驚，所以他們盡可能拖到最后一刻才下單，又希望訂購的零件在幾天之內(nèi)就能到貨。只有這樣，他們才能應對市場變化，趕在正式生產(chǎn)前，及時修改零件的設計、訂單批量或者其他變量。

鈑金工廠的經(jīng)理們已經(jīng)求助自動化的技術(shù)來克服這些問題。在限期交貨的鈑金生產(chǎn)中，初始切割環(huán)節(jié)的自動化效果看起來最明顯。切割機為車間里別的機器提供切割件，一旦出現(xiàn)故障，后面的環(huán)節(jié)都得停機待產(chǎn)。所以毫無疑問，鈑金廠的老板總是優(yōu)先購置輔助上下料的裝置，讓生產(chǎn)更加流暢，盡可能縮短交貨期。

但是這些機器本身，也即自動化的“肌肉”部分只是平衡式的一半。另外一半，它的“大腦”，包括集成了機器和生產(chǎn)控制的軟件，則全部精力放在優(yōu)化處理客戶信息上。

如果客戶收到的是沒有按照其最終要求生產(chǎn)的零件，快如閃電的自動化生產(chǎn)對他而言是沒有任何意義的。現(xiàn)在，一個鈑金工廠要交叉排產(chǎn)大量的小批量訂單，處理最后一刻的訂單修改指令，甚至是訂單取消等事宜。這使得鈑金工廠及時、準確地處理客戶信息的挑戰(zhàn)性空前加劇。

不可否認，機器也很重要。但是，如果操作工人整天忙于按按鈕控制天車來裝卸板材，而與此同時配備了高速驅(qū)動和先進激光器的切割機閑置待機，這也不可能縮短交貨期的。這其中的要點就是：一個成功的自動化生產(chǎn)線需要對“肌肉”和“大腦”同步升級。二者缺其一，工廠從大型技術(shù)投資中獲得的收益就會顯著下降。

肌肉：機床

機器和原材料處理系統(tǒng)構(gòu)成了傳統(tǒng)的自動化的心臟。人們看一眼他們的運轉(zhuǎn)情況，就知道它的好處。但是集成一個自動化系統(tǒng)則并不是看起來這么輕而易舉，而是需要仔細的分析。

給激光機配一個不是為自動化個性化定制設計的材料處理系統(tǒng)，并不是最佳的解決方案。事實上，這種批量化的集成很可能導致嚴重后果。在無人作業(yè)的時候，激光系統(tǒng)必須要集成安全系統(tǒng)。如果一個系統(tǒng)被編程來加工不同材質(zhì)的材料，在很小概率的情形下，廢氣瓶會著火，這會導致一場巨大的災難，尤其是在工廠里沒有人看守的情形下。而專門為無人作業(yè)設計的機器就會有實時監(jiān)控系統(tǒng)來避免類似事故發(fā)生。

自動化的所有要素都應該能夠處理形似的材料（見圖1）。例如一個激光系統(tǒng)能夠切割1英寸厚的鋼板，但是由于它配置了只能夠處理0.625英寸的拆碼垛系統(tǒng)，結(jié)果激光器的能力不能得到充分利用。

 原材料處理

料塔的每一個架子都可以裝載數(shù)以千磅的原材料庫存（見圖2）。這些料塔可以幫助庫存經(jīng)理處理原材料。在任何時間，自動化系統(tǒng)控制器都能清楚地顯示材料存放在哪里，對于經(jīng)常處理的材料，可以不用耗時搜索，而直接去存取。當來了一個緊急任務的時候，生產(chǎn)經(jīng)理精確地知道所需的材料存放在哪里，因而可以下達生產(chǎn)指令馬上投產(chǎn)。原材料被搬入裝/卸載平臺，這樣不同生產(chǎn)任務的轉(zhuǎn)換時間可以精確到秒，而不是精確到分。

料塔可以和多條激光線集成，而模塊化系統(tǒng)可以讓激光自動化的商業(yè)投資更加靈活。一家工廠可能只投資單塔－激光系統(tǒng)，但是他們知道遲早會追加更多的激光切割機來拓展產(chǎn)能。考慮到這些新設備的更強的功率和加工能力，目前的材料處理系統(tǒng)必須為未來的投資留下擴容空間，以處理大批量不同材質(zhì)、不同厚度的原材料。

類似的料塔可以縮短不同產(chǎn)品生產(chǎn)轉(zhuǎn)換的時間，但是它們本身并不會改善一線工人的勞動強度。不管切割系統(tǒng)是多么有效和靈活，如果后續(xù)的環(huán)節(jié)跟不上，那么切割機只是在車間里制造海量的在制品，最有效的設備反而是最讓人頭痛的麻煩。

圖3 卸載平臺應該及時把足夠、適量的在制品轉(zhuǎn)移到后續(xù)工序，不導致停產(chǎn)，也不導致在制品堆積如山。

工人們不得不急匆匆地組織物流，把切下的零件送到適當?shù)暮罄m(xù)工序，這樣的效率可能反而不如原來低效率的切割中心。切割板材只要幾秒鐘，但是折彎卻要幾分鐘，讓不同工序生產(chǎn)節(jié)拍協(xié)調(diào)一致并不容易。如果一個板材切割好之后，還有很多連續(xù)不同的后續(xù)加工程序，生產(chǎn)流程將變得更加有挑戰(zhàn)性。

安排生產(chǎn)流程是一項協(xié)調(diào)的藝術(shù)。把不同的生產(chǎn)任務混雜著編排在一起，可以有效提高材料利用率和激光頭的工作時間（更少的鏡頭更換時間等等），但是如果這些產(chǎn)品的交貨期不一樣的話，有時會導致過量的在制品積壓如山。切割自動化一個經(jīng)常被忽略的領(lǐng)域：戰(zhàn)略削減零部件庫存方案，可以緩解庫存壓力。

有些公司傾向于把切割好的零件存在料塔里，系統(tǒng)控制員能夠精確地知道零部件在哪里，也能在在后續(xù)工序需要的時候方便地調(diào)用。但是這樣做會降低料塔的存儲能力。

圖4

另外一個解決方案是：使用一系列卸載平臺構(gòu)建一個通暢的傳輸系統(tǒng)。卸載平臺的能力要和自動化系統(tǒng)其他要素的步調(diào)協(xié)調(diào)起來（見圖3）。假設一個工廠有一個20個架子、總承載能力120,000磅的料塔，配備卸載能力僅為4000磅的工作臺。那么在工人移走加工完畢的零件之前，這家工廠很可能只能開機兩個半小時。

這種運輸方式在早班或晚班上也許是可行的，但是在無人看管的夜班或者周末作業(yè)的時候肯定是不行的（見圖4）。

時間研究有助于確定需要的卸載平臺的能力。如果一個車間一小時加工1000磅的金屬，一個4000磅卸載能力的工作臺需要四個小時被填滿。再加上另外一個工作臺，那么就能支撐八個小時。如果周末無人化大規(guī)模生產(chǎn)，則需要更多的工作臺。

這樣一個系統(tǒng)可以讓一個車間有效管理在制品，讓生產(chǎn)流程更通暢，同時使得材料利用率最大化。當然它不會放任切割中心切下堆滿地面的零件，但是允許鈑金工在適當?shù)臅r間為后續(xù)工序提供足夠的零件，同時還能保持最大的激光開機時間和最大的材料利用率，最后只留下稀疏的余料骨架。它還能允許一個有效的（通過仔細監(jiān)控和限制）緩沖器來預防不可見的事故。

然而在適當?shù)臅r間里，要保證零件被制造出來并正確地分類擺放在卸載平臺并不容易。這時平衡式的另外一半就要發(fā)揮作用了：大腦。

大腦：軟件

車間里的生產(chǎn)會議會解決一些嚴重而復雜的難題。工作人員可能會列出一個單子，假設上面有24個任務，需要使用六種不同的材料，每個任務包含多個零件，每一個零件還有不同的后續(xù)加工需求。切割完畢之后，有的需要去毛刺，有點需要折彎，有的平板零件只需直接送去噴涂，裝配，或者直接打包。所有的這些零件都必須在兩班之內(nèi)加工完畢。好在生產(chǎn)管理人員多年來駕輕就熟，他們精心地排產(chǎn)，使得每個東西都恰到好處地在正確時間到達正確的工序。

但是這只限于正常狀態(tài)。現(xiàn)在假設一天早上，激光操作員沒有來上班，工廠突然來了緊急的訂單，原先排好的詳細生產(chǎn)計劃全部泡湯。混亂開始了。激光輔材在哪里？適合新訂單原材料的激光鏡頭在哪里？鏡頭的狀況能夠滿足切割這個任務要求嗎？有什么部件需要被替換嗎？滅火工作隨后緊急開展，幾個小時乃至整個班點的切割時間都浪費了。

聽起來很熟悉？

如何和顧客有效溝通信息以及如何準確、快速處理海量的短期訂單，已經(jīng)毫無爭議地成為運作現(xiàn)代化工廠最大的挑戰(zhàn)。如果機器和人都沒有接收到他們需要的信息，即使擁有最大功率的激光機和最有效的原材料處理系統(tǒng)也是無濟于事的。機器的程序需要用最新的零件修改意見進行正確設置，工人也需要知道目前生產(chǎn)計劃的進展情況和機器的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，這樣他們才知道何時安排維護保養(yǎng)。

激光切割機只會按照設定的程序進行切割，它們不會知道這些指令是不是基于最新的圖紙修改意見設定的；它們只會執(zhí)行命令，而不會產(chǎn)生任何質(zhì)疑。

盡管在某種意義上，軟件也不會提出任何質(zhì)疑，至少在排產(chǎn)的算法上不會有什么問題。軟件是根據(jù)交貨期來排列工作的優(yōu)先級來排產(chǎn)的，它和已經(jīng)存在的企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）和物料需求規(guī)劃（MRP）軟件溝通協(xié)調(diào)之后，交叉安排各種生產(chǎn)任務。其目標是減少制造時間，達到或者超過質(zhì)量要求，在到期日之前交貨。

更好地制定計劃，更平穩(wěn)地生產(chǎn)

它的目標還包括減少在生產(chǎn)一線的決策。一旦任務下達到了生產(chǎn)車間，所有的參數(shù)都應該經(jīng)過深思熟慮的結(jié)果，而且有人為之負責任。如果一線工人還要花時間來安排生產(chǎn)任務的話，這是純粹是在浪費生產(chǎn)時間。

一旦任務砸到車間，那就是一場封閉的賽跑了。工人只需要關(guān)注產(chǎn)量和質(zhì)量，一只眼看管零件的邊緣質(zhì)量，另一只眼看管生產(chǎn)任務序列中的下一個任務。當操作工人停下來準備下一個任務的時候，他應該會在生產(chǎn)計劃表里看到一個可能僅僅在幾分鐘前更新的指令。操作人員都必須經(jīng)常抬頭看看下一個任務有無變化，這樣他就能保證正確的原材料被放入正確的機器（或者放入一個獨立的系統(tǒng)里，他可以提前準好材料，以最大可能減少停機時間）。

如果來了一個緊急任務，軟件將檢查MRP和ERP中已有的生產(chǎn)計劃，決定哪些零件需要立即生產(chǎn)，不能耽誤。然后它抽出這些零件的文件夾，消除其中的瑕疵和不完善的地方；排料，然后把這些零件排入隨后的下一個生產(chǎn)計劃表，必要的時候可以打亂非緊迫任務的生產(chǎn)計劃。軟件的所有這些決定都和交貨期、材料利用率以及車間產(chǎn)能相關(guān)，而且所有這些決定都是實時快速完成的。

圖5

這一切都好像所有相關(guān)的人都集中在一線生產(chǎn)決策現(xiàn)場拍板的一樣。事實上，管理者和銷售員可能正在敲訂單。工程師可能正在準備制造圖紙，或者和客戶討論如何把設計轉(zhuǎn)化成可以實現(xiàn)的制造能力等問題。所有這些信息都會影響原材料的需求和生產(chǎn)計劃表，都會影響公司訂貨和現(xiàn)金流，所以財務也列入這個決策鏈里（見圖5）。

ERP、生產(chǎn)管理和排料軟件從某種程度上象一個通訊樞紐和信息中心，車間和遠程人員都可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問，獲取工廠的各種信息。一個管理人員可能打算下達一個訂單，但是他很快發(fā)現(xiàn)有一個銷售人員已經(jīng)完成這個任務－這樣就消除了重復勞動。信息流越是全面和透明，生產(chǎn)制造就會越平穩(wěn)。

 維護的重要性

自動化設備和生產(chǎn)管理軟件之間保持著直接和密切的聯(lián)系，這種聯(lián)系不只是包含零件的生產(chǎn)程序和排料安排。現(xiàn)在一些特定的自動化系統(tǒng)還提供閉環(huán)控制的反饋信息，為工廠的維護管理提供幫助。 

軟件以預防性和預見性兩種方式對工廠的維護提供支持。它可以提醒相關(guān)人員有哪些計劃好的任務、需要在計劃好的維修之前預訂好哪些必需要的零件。這些系統(tǒng)甚至可以直接下單訂購這些零件，它們給管理人員發(fā)一封郵件，后者只需敲擊確認鍵，就可以給零件供應商下達一個采購訂單了。

現(xiàn)代化的系統(tǒng)還可以輔助預見性的維護工作。數(shù)以百計的傳感器放置在自動化切割系統(tǒng)的各個位置，傳回供維修人員參考的實時數(shù)據(jù)。舉例說明，如果一個激光器正處于電流過載狀態(tài)，持續(xù)下來可能導致機器損壞。傳感器能夠探測出異常，在損壞發(fā)生之前提醒操作人員進行處理。

好的維護工作可能保證每一個生產(chǎn)操作更加可靠和具有預見性。它還可以幫助管理人員削減在制品的臨時庫存，進而減少總的庫存－當然今天最重要的是，增加增產(chǎn)負債表中的現(xiàn)金流。

柔性生產(chǎn)

說實話，顧客很可能并不在乎你的生產(chǎn)現(xiàn)場的自動化程度有多高；但是他們在乎能否準時收到合乎質(zhì)量的零件。他們還在乎零件供應商處理不同需求的柔性生產(chǎn)能力有多強。軟件可以讓經(jīng)理們接到顧客的電話后，敲擊幾下電腦鍵盤，就能告訴他們目前的工作進度，如果對方有修改，還可以在投產(chǎn)前最后一分鐘修改生產(chǎn)指令。

在這后信用危機的世界里，長期、穩(wěn)定、大批量供貨的好日子一去不返了。成功的鈑金工廠必須要讓自己能夠快速響應顧客時時變化的需求。現(xiàn)在的自動化系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)成熟，只要集成得當，完全可以幫助鈑金工廠應對上述挑戰(zhàn)。

 圖片上英文術(shù)語說明。

AutomatedOrder Flow自動化訂單流程

ProductionManagement 生產(chǎn)管理人員

Administration管理人員

Sales：銷售人員

Engineering：制造部

ERP：企業(yè)資源規(guī)劃

Nesting& Production Software 排產(chǎn)和生產(chǎn)計劃軟件

Owner：老板

DirectLabor & Equipment：一線工人和生產(chǎn)設備

FinishedGoods：制成品

Ship：運輸

Customer：客戶

Finance/IT:財務/IT

Materials：原材料

 譯者注：本文為《鈑金與制作》雜志翻譯，已經(jīng)出版，電子版首次在譯言網(wǎng)發(fā)布，供專業(yè)人士學習。無法限制您不轉(zhuǎn)載，但是請務必注明作者信息和譯者信息，謝謝支持。更多專業(yè)內(nèi)容請登陸中國鍛壓協(xié)會的中國國際金屬成形展覽會（2011年8月23－26日 上海世博展覽館）官網(wǎng)www.enmanlin.com.cn。