智能制造的悖论

智能驱动器和控制平台为企业提供了一种方法，在降低价格的同时改善制造，使它们能够以更低的成本交付更多产品。

在SPS意大利2018年主题"自动化的挑战:效率和灵活性，将于第二天，即5月23日星期三举行。

今天的消费者想要更多，功能，更好的质量，更好的质量，以及更多的商品的定制层。由半导体行业学校教育，他们预计每代产品都要较小，更快，更长，比以往更可靠。最重要的是，无论提升多么伟大，他们都希望这些产品比以前的代在一起便宜。这种情况向制造商带来了重大挑战。它们如何为客户的期望提供绩效和价格，同时仍持盈利？它们如何为更少提供更多？它似乎是一个悖论，一个没有解决方案的问题。实际上，自动化行业提供了将此看似悖论转换为具有明确解决方案智能制造的问题的技术，具有当今智能，高效，高度功能的伺服和运动组件。

智能制造，更好的制造
为了满足客户的需求，全球各地的制造商正在将他们的生产车间从过时的工厂改造成尖端的、高效的工厂。他们正在应用智能自动化、大数据、在线状态监测等技术。这些智能技术正在改变制造业的面貌。

向智能技术的转变不仅是有机工业化的结果，更重要的是，是工业运动和各种资金充足的政府举措的直接结果。从德国的工业4.0，到“中国制造2025”和“印度制造”，似乎每个国家都在试图在第四次工业革命中抢占一席之地。例如，韩国的智能工厂计划要求在全国建立多达2万个智能工厂。

这些举措的最终目标是通过升级制造业来加速经济增长。例如，中国制定了由9个主要战略组成的长期规划，其中智能技术、智能生产、绿色技术是绝对重要的。

制造业需要改进
为了满足客户的需求，工业需要在四个关键领域改进制造:灵活性、效率、质量和技术。

灵活性：
专门生产线全天候生产一种产品的日子已经一去不复返了。今天的消费者期待选择，他们的需求和欲望不断变化。作为回应，组织的目标是使用相同的生产线来构建产品的混合，通常是少量的。这种方法是为客户服务的，但由于缺乏规模经济效应，小批量生产增加了生产成本。为了解决这个问题，制造业基础设施必须变得更加灵活。转换应该是快速和容易的。设备应该支持在飞行中进行修改。这些功能使制造商能够满足客户的需求，同时最小化仓库货架上的库存数量。

质量:
质量改进是制造业革命的重要组成部分。机器不应该只是生产更多的部件，它应该生产更好、更可靠的部件。机器需要更好的表现，也最大限度地提高产量和现场可靠性。提高产品质量从制造更高质量的机器开始。关键策略包括改进组件、改进构建和改进流程。

效率:
如果产品成本超过他们愿意支付的价格，提供客户的选择和质量毫无意义。对于资产所有者以吸引业务的价格提供产品，同时仍在转动利润，生产这些物品的设备需要以尽可能高的效率运行。组织希望使用更快，更少的停机时间来运行的设备。机器需要简单地设置和操作，以便更多时间花费产品而不是执行维护或设置下一个生产周期。更快的操作同样会将时间减少到市场，使物品在工厂中的时间更少，并且在客户手中的更多时间。

技术:
当今市场所要求的先进产品需要同样先进的制造技术。从智能手机到机器人吸尘器再到电动汽车，可靠地生产这些组件需要对技术的技术投资。问题是如何在不增加制造成本的情况下应用这种技术。

该技术的存在是为了实现这些目标，并为制造业增加价值。不幸的是，当我们的目标是用更少的钱生产出更好的产品时，增加价值往往会增加价格。因此，在使用智能设备打破客户悖论，制造商发现自己面临着一个新的悖论:如何在降低总成本的同时改善制造。再一次，这种情况需要找到以更少的钱获得更多的方法。这就是制造悖论。

幸运的是，制造业的悖论也可以被打破。通过战略性地应用智能运动技术，制造商可以在不需要全面(且昂贵)硬件升级的情况下提高设备的性能。关键是使用智能分布式运动控制系统来实现变化。

智能运动控制可以在不改变机械结构或整体设计的情况下，在给定状态下增加机器输出。智能控制可以通过提供更多的吞吐量、质量、简单性等来帮助解决制造悖论，同时通过更小的占地面积、更低的功耗、更低的停机时间、更好的上市时间等优势来降低成本(参见图2)。

案例研究
为了说明以上几点，让我们看一个案例研究。一家总部位于中国的大型智能手机制造商希望提高产量，以满足不断增长的市场需求。他们开始采用三管齐下的方法应用智能控制和伺服技术:智能控制、精益运动控制和智能安全。通过利用这些智能制造技术，他们能够实现上述改进，但没有重大变化和大量投资。

通过使用智能控制的力学获得更多信息
生产线使用Scara机器人进行任务，如挑选，检查和机械部件测试。相信，机器人能力已经最大化了，客户正在考虑更换机器人并添加其他设备。相反，他们决定保留现有的力学，并通过改变控制和伺服驱动器来升级它们。

为了提高生产效率和产量，必须解决机器人现有的机械结构问题。采用多维增益调度、基于位置的植物识别等控制算法，针对不同的位置和负载对机器人现有的力学性能进行优化。根据不同的位置、速度和负载场景自动触发增益和高阶滤波器的变化。这使得机器人在高速和低速以及不同反馈频率下都能达到平滑和稳定的运行。

进一步应用驱动级控制算法来抑制高速运行引起的振动。最后，Elmo的多轴控制器实现了额外的改进，通过引入多轴过渡和混合运动，增加了运动平滑度并减少了运动轮廓时间。

回想一下，在这种情况下，客户最初认为他们已经从生产线上获得了最大的生产力。事实远非如此。通过应用智能驱动和控制技术，制造商能够减少SCARA运动轮廓时间，并将机器吞吐量提高50%(见图3)，而无需购买任何新的机器人或机器。

节省与精益运动控制
在生产车间，房地产是一种有价值的资源。为了减少占地面积，工程团队将原来的伺服驱动器换成了四合一高效、高功率密度的伺服驱动器解决方案。新的集成解决方案比之前的方案占用的空间更少，同时减少了布线、电缆承载和故障点(见图4)。
还选择了驱动器的高效电力转换操作，近99％。这种变化不仅减少了功耗，而且还通过风扇或冷却系统进行了有效温度控制的需求，因为驱动器不会显着加热。结果是功耗的显着下降，以及减少尺寸，复杂性，安装时间，可听噪声和故障点。

该客户通过在分布式控制架构中使用Nano智能驱动器，在不同的应用程序中实现了额外的节约。这种方法使得驱动器可以安装在机器内部深处，靠近电机，而不是放置在一个中央电气柜中。分布式架构消除了机柜所需的成本和空间，并进一步减少了布线。

实现更多智能安全
多年来，安全系统由离散传感器、物理屏障和继电器组成，旨在在违反指定条件时切断电源。这些类型的系统通常是有效的，但它们也笨重、昂贵，并容易发生故障。功能安全提供了一个强大的替代方案，不仅可以保护操作人员，还可以提高生产率。

功能安全，依赖于伺服驱动器的关键安全功能，为机械变得更高效、灵活、精简和自动化提供了潜力。通过使用运动控制软件替换安全硬件(见图5)，该技术使原始设备制造商能够简化机器设计。安全额定驱动器监测电流、速度和位置反馈，以分析运动功能。它们通常具有内置冗余功能，以防止共模式故障。

安全额定驱动器具有内置的安全功能，如安全扭矩关闭(STO)。在STO中，驱动器在保持通电的情况下从电机中移除电源。这使得系统在因故障而关闭后能够更快地重新启动，提高了正常运行时间和整体设备效率(OEE)。

其他样本安全功能可在今天的智能驱动器，虽然没有在本应用程序中使用，包括安全有限速度(SLS)和安全方向(SDI)。SLS允许用户设置轴的最大速度，而SDI限制运动方向。SLS和SDI可用于加快制造步骤和维护。例如，在清洗过程中，一对滚轮相互转向，可能会夹住并伤害操作人员的手指。在传统的安全措施下，在换班结束时擦拭辊筒需要在操作者进入外壳时关闭对辊筒的电源。清洁将成为一个耗时的清洁和慢跑过程。通过调用SLS和SDI，驱动器可以在清洗过程中限制滚子的运动，使其只能远离彼此旋转。因此，清洗作业可以连续、高速进行，对作业人员没有风险。

在上述案例研究中，四合一解决方案还具有通过EtherCAT现场总线(FSoE)传递所有安全信息的独特能力。由于所有驱动器都封装在一个包中，每个驱动器的唯一连接是与电机和反馈。有了这种安全架构，机器变得高度简化，降低了成本、组件、电缆和整体复杂性。制造商不仅能够提高产量，而且能够在过程中压缩整机设计。

结论
提高生产线的性能并不总是需要全面的硬件升级。智能伺服驱动器可以打破智能制造的悖论，并提供运动和安全相关的改进，以降低整体拥有成本。这些运动控制系统以更低的成本提供更多的服务，减少了明显的客户和制造矛盾，解决了简单的问题，智能控制和驱动有直接的解决方案。

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