現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

鈑金生產自動化并不僅僅是為了獲得高速的生產效率。生產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 在這個生產組織圖里，手推車等候在卸載平臺邊，協助零件物流通暢，減少在制品的積壓。

一個生產經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一線。顧客打電話質問為什么貨箱里的零件還是按照作廢的圖紙生產的。 

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，客戶們對現金流失以及大量庫存膽戰心驚，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就能到貨。只有這樣，他們才能應對市場變化，趕在正式生產前，及時修改零件的設計、訂單批量或者其他變量。

鈑金工廠的經理們已經求助自動化的技術來克服這些問題。在限期交貨的鈑金生產中，初始切割環節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，一旦出現故障，后面的環節都得停機待產。所以毫無疑問，鈑金廠的老板總是優先購置輔助上下料的裝置，讓生產更加流暢，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控制的軟件，則全部精力放在優化處理客戶信息上。

如果客戶收到的是沒有按照其最終要求生產的零件，快如閃電的自動化生產對他而言是沒有任何意義的。現在，一個鈑金工廠要交叉排產大量的小批量訂單，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構成了傳統的自動化的心臟。人們看一眼他們的運轉情況，就知道它的好處。但是集成一個自動化系統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，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。在無人作業的時候，激光系統必須要集成安全系統。如果一個系統被編程來加工不同材質的材料，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。而專門為無人作業設計的機器就會有實時監控系統來避免類似事故發生。

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，結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以千磅的原材料庫存（見圖2）。這些料塔可以幫助庫存經理處理原材料。在任何時間，自動化系統控制器都能清楚地顯示材料存放在哪里，對于經常處理的材料，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，生產經理精確地知道所需的材料存放在哪里，因而可以下達生產指令馬上投產。原材料被搬入裝/卸載平臺，這樣不同生產任務的轉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，而模塊化系統可以讓激光自動化的商業投資更加靈活。一家工廠可能只投資單塔－激光系統，但是他們知道遲早會追加更多的激光切割機來拓展產能。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必須為未來的投資留下擴容空間，以處理大批量不同材質、不同厚度的原材料。

類似的料塔可以縮短不同產品生產轉換的時間，但是它們本身并不會改善一線工人的勞動強度。不管切割系統是多么有效和靈活，如果后續的環節跟不上，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、適量的在制品轉移到后續工序，不導致停產，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的后續工序，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，讓不同工序生產節拍協調一致并不容易。如果一個板材切割好之后，還有很多連續不同的后續加工程序，生產流程將變得更加有挑戰性。

安排生產流程是一項協調的藝術。把不同的生產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。切割自動化一個經常被忽略的領域：戰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，系統控制員能夠精確地知道零部件在哪里，也能在在后續工序需要的時候方便地調用。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建一個通暢的傳輸系統。卸載平臺的能力要和自動化系統其他要素的步調協調起來（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模生產，則需要更多的工作臺。

這樣一個系統可以讓一個車間有效管理在制品，讓生產流程更通暢，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的時間為后續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（通過仔細監控和限制）緩沖器來預防不可見的事故。

然而在適當的時間里，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揮作用了：大腦。

大腦：軟件

車間里的生產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加工完畢。好在生產管理人員多年來駕輕就熟，他們精心地排產，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。現在假設一天早上，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，已經毫無爭議地成為運作現代化工廠最大的挑戰。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計劃的進展情況和機器的運轉數據，這樣他們才知道何時安排維護保養。

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；它們只會執行命令，而不會產生任何質疑。

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

更好地制定計劃，更平穩地生產

它的目標還包括減少在生產一線的決策。一旦任務下達到了生產車間，所有的參數都應該經過深思熟慮的結果，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任務的話，這是純粹是在浪費生產時間。

一旦任務砸到車間，那就是一場封閉的賽跑了。工人只需要關注產量和質量，一只眼看管零件的邊緣質量，另一只眼看管生產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中已有的生產計劃，決定哪些零件需要立即生產，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計劃表，必要的時候可以打亂非緊迫任務的生產計劃。軟件的所有這些決定都和交貨期、材料利用率以及車間產能相關，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的人都集中在一線生產決策現場拍板的一樣。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化成可以實現的制造能力等問題。所有這些信息都會影響原材料的需求和生產計劃表，都會影響公司訂貨和現金流，所以財務也列入這個決策鏈里（見圖5）。

ERP、生產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網訪問，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，但是他很快發現有一個銷售人員已經完成這個任務－這樣就消除了重復勞動。信息流越是全面和透明，生產制造就會越平穩。

 維護的重要性

自動化設備和生產管理軟件之間保持著直接和密切的聯系，這種聯系不只是包含零件的生產程序和排料安排。現在一些特定的自動化系統還提供閉環控制的反饋信息，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。這些系統甚至可以直接下單訂購這些零件，它們給管理人員發一封郵件，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。

現代化的系統還可以輔助預見性的維護工作。數以百計的傳感器放置在自動化切割系統的各個位置，傳回供維修人員參考的實時數據。舉例說明，如果一個激光器正處于電流過載狀態，持續下來可能導致機器損壞。傳感器能夠探測出異常，在損壞發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，增加增產負債表中的現金流。

柔性生產

說實話，顧客很可能并不在乎你的生產現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能力有多強。軟件可以讓經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，還可以在投產前最后一分鐘修改生產指令。

在這后信用危機的世界里，長期、穩定、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。現在的自動化系統的技術已經成熟，只要集成得當，完全可以幫助鈑金工廠應對上述挑戰。

 圖片上英文術語說明。

AutomatedOrder Flow自動化訂單流程

ProductionManagement 生產管理人員

Administration管理人員

Sales：銷售人員

Engineering：制造部

ERP：企業資源規劃

Nesting& Production Software 排產和生產計劃軟件

Owner：老板

DirectLabor & Equipment：一線工人和生產設備

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，已經出版，電子版首次在譯言網發布，供專業人士學習。無法限制您不轉載，但是請務必注明作者信息和譯者信息，謝謝支持。更多專業內容請登陸中國鍛壓協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www.enmanlin.com.cn。