工業(yè)40下智能制造的思考

1、工業(yè)4.0下智能制造的思考【論文摘要】智能化制造是我國制造業(yè)發(fā)展的趨勢。工程機械行業(yè)是為國家基 礎(chǔ)建設(shè)提供技術(shù)裝備的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，同時也是裝備制造業(yè)中最重要的 子行業(yè)，屬于國家重點鼓勵發(fā)展的領(lǐng)域之一，其制造技術(shù)的發(fā)展能夠 充分帶動裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)進步，是國家綜合實力的集中體 現(xiàn)。同時，工程機械面對市場經(jīng)濟、參與全球競爭，先進的制造技術(shù) 已成為企業(yè)的核心競爭力。在全球科技革命的大背景下，德國提出的工業(yè)4.0正在成為引領(lǐng) 工業(yè)化發(fā)展的新趨勢，“工業(yè)4.0”是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工 業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法，與中國政府大力提倡的新型工業(yè)化不 謀而合。裝備制造業(yè)是國家的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，而神九又是

2、裝備制造業(yè)的龍頭企 業(yè)，做大做強中國制造業(yè)是神九肩負(fù)的歷史使命。運用信息技術(shù)對制 造業(yè)進行升級，建立先進的制造和管理系統(tǒng)，通過智能化的設(shè)備參與 高端市場競爭，則是神九贏得市場競爭的不二法門。關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0信息技術(shù)智能制造一、問題界定工程機械行業(yè)是一個多品種、中批量、按訂單生產(chǎn)的離散型的技 術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，它的生產(chǎn)兼具大規(guī)模流水線制造與個性化定制的特 點。每種產(chǎn)品都有一定的銷量，但又不是很大；有些產(chǎn)品需要特別定 制，但模塊化的程度又不高。在汽車行業(yè)中，一個工廠一年達(dá)到10 萬臺的生產(chǎn)量只需要生產(chǎn)兩三個型號，而在工程機械行業(yè)，可能需要 生產(chǎn)幾十甚至上百種型號的產(chǎn)品。這樣一來，從物料管理、生產(chǎn)安排

3、、 物流倉儲，對管理能力的要求非常高，管理難度成幾何級上升。另外， 汽車行業(yè)已經(jīng)形成了非常完善的產(chǎn)業(yè)鏈體系，工廠只需要將精力集中 到設(shè)計和組裝這一塊，零部件交由下游企業(yè)來負(fù)責(zé)。但在工程機械行 業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈的分工還沒完全形成，企業(yè)不僅要生產(chǎn)整機，還要管理零 部件研發(fā)制造，監(jiān)督、引導(dǎo)合作的外協(xié)廠商。由此，工程機械生產(chǎn)制 造的管理難度大是天生的，不管是縱向還是橫向難度都很大。中國是制造大國，如今國內(nèi)外形勢變化，加上勞動力成本上升， 中國工程機械行業(yè)轉(zhuǎn)型升級迫在眉睫。在工業(yè)4.0狀態(tài)下的工程機械 龍頭企業(yè)的神九，如何應(yīng)用智能化制造技術(shù)提升企業(yè)競爭力已成為當(dāng) 務(wù)之急。二、現(xiàn)狀分析據(jù)今日工程機械雜志等權(quán)威機

4、構(gòu)對國內(nèi)工程機械行業(yè)智能化 制造水平的全面調(diào)研和評估，國內(nèi)工程機械行業(yè)中超過25%的企業(yè)處 于智能化制造的未起步建設(shè)階段，43%的企業(yè)處于智能化制造的單項 覆蓋階段，22%的企業(yè)處于智能化制造的集成提升初期階段或過渡階段，只有不足10%的企業(yè)處于智能化制造技術(shù)較全面突破性應(yīng)用階段。國內(nèi)工程機械行業(yè)智能化制造技術(shù)應(yīng)用存在以下兩大主要問題：制造裝備自動化程度不高。西方發(fā)達(dá)國家都沿襲機械化、 電氣化、自動化的歷程。而中國是趕超型工業(yè)，工業(yè)自動化平均水平 嚴(yán)重偏低。制造過程信息化水平不高。許多企業(yè)的信息化系統(tǒng)效果發(fā) 揮不出來，沒能有效集成提升將制造執(zhí)行系統(tǒng)（EMS）與經(jīng)營管理系 統(tǒng)（ERP）整合，智能

5、化缺少基礎(chǔ)?！笆濉币?guī)劃對工程機械行業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求，柔性 化生產(chǎn)、自動化、數(shù)字化等為基礎(chǔ)的智能化制造將成為行業(yè)的新標(biāo)準(zhǔn)。 據(jù)工程機械周刊預(yù)計，2015年我國工程機械行業(yè)固定資產(chǎn)投資 達(dá)1000億元，其中智能化制造方面的投入將高達(dá)300億元。（見圖1）囹卸扼國_|_程機栩仃業(yè)固在費產(chǎn)變莞卷面對工程機械行業(yè)整體增速放緩，作為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)的神九集團 銳意創(chuàng)新，著眼于構(gòu)建一個領(lǐng)先于全球工程機械行業(yè)的流程信息體 系，以支持神九集團在新行業(yè)環(huán)境下的轉(zhuǎn)型升級，提升在國際市場中 的競爭優(yōu)勢，并驅(qū)動未來的商業(yè)創(chuàng)新。在工業(yè)4.0概念提出來之前，神九一直把智能化制造作為神九制 造領(lǐng)域的一個核心競爭力。本

6、著樸素的智能化制造的概念，神九集團 已經(jīng)打造智能機械行業(yè)第一個智能化工廠的樣板。這個工廠是從ERP 到設(shè)備端的控制以及一體倉庫和自動化的物流，包括物流的跟蹤及虛 擬化裝配等，都已經(jīng)集成在一起。但如何更加全面的將智能化落到實 處，同時形成行業(yè)示范效應(yīng)，是一個需要思考的問題。三、目標(biāo)收益針對工程機械這個典型行業(yè)在面對國內(nèi)市場國際化競爭的殘酷 局面和新技術(shù)、新工藝的挑戰(zhàn)中求得生存和發(fā)展，在工業(yè)4.0環(huán)境下， 通過智能化制造可以解決企業(yè)面臨的TQCS難題，即以最快的上市速 度（T），最好的質(zhì)量（Q），最低的成本（C），最優(yōu)的服務(wù)（S），來滿 足不同顧客的需求。智能化制造將帶來以下三個方面的收益：智能化

7、制造能提高經(jīng)濟效益。一是生產(chǎn)效率得到提升，主要產(chǎn)品生產(chǎn)周期將大大縮短；二是產(chǎn) 品質(zhì)量得到提升。由于智能化系統(tǒng)的高進度與穩(wěn)定性，避免了人工操 作的隨意性，將極大提高產(chǎn)品質(zhì)量；三是可以使生產(chǎn)成本降低。由于 生產(chǎn)過程各類參數(shù)穩(wěn)定可控，各類生產(chǎn)材料的用量可實現(xiàn)定額精準(zhǔn)， 有效降低了生產(chǎn)成本。同時大量機器人替代人工，有效降低了運行的 人工成本。綜合效益-環(huán)境與職業(yè)健康保護。大量采用智能化設(shè)備尤其是機器人設(shè)備具有相當(dāng)大的環(huán)境效益， 員工的職業(yè)健康保護將有極大改善。切割與焊接全部帶有除塵設(shè)備， 生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境大為改善。噴涂工序?qū)崿F(xiàn)無人化操作，避免職業(yè)傷害。綜合效益行業(yè)示范效應(yīng)。神九集團智能化制造的推廣應(yīng)用，不

8、僅將帶動神九集團自身工 藝技術(shù)裝備和制造能力的提升，也進一步引領(lǐng)工程機械行業(yè)制造技術(shù) 的發(fā)展方向，具有明顯的輻射和示范作用，將極大提升中國工程機械 產(chǎn)品的國際化競爭能力。四、解決方案下面將從以下三個方面闡述神九集團在智能化制造方面的一些 思路：生產(chǎn)準(zhǔn)備的智能化-虛擬排產(chǎn)；生產(chǎn)過程的智能化-自動無 人化生產(chǎn)；生產(chǎn)管理的智能化-信息化平臺。生產(chǎn)準(zhǔn)備的智能化生產(chǎn)仿真進行虛擬生產(chǎn)。全面運用計算機生產(chǎn)仿真技術(shù)對生產(chǎn)計劃進行全生產(chǎn)過程的虛 擬制造，并根據(jù)生產(chǎn)仿真運行的結(jié)果對生產(chǎn)計劃進行相應(yīng)調(diào)整，確保 整個生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)的均衡和高效，以實現(xiàn)最低的生產(chǎn)成本和最高 的生產(chǎn)效率。數(shù)字化設(shè)計進行投產(chǎn)準(zhǔn)備。利用工件

9、3D模型等相關(guān)信息和表面三維特征等信息數(shù)據(jù)，通過 軌跡規(guī)劃仿真、離線編程技術(shù)，可自動輸出機器人直接用來焊接作業(yè) 的程序文件，縮短投產(chǎn)準(zhǔn)備期，同時提高設(shè)備有效利用率和減少編程 工作量(圖2)。囹2仿真軌跡規(guī)劃及高編蝙程生產(chǎn)過程的智能化自動化、無人化生產(chǎn)過程：整個制造的過程從切割成型焊接-噴涂-物流配送全面實現(xiàn)。1）切割加工過程自動化。精細(xì)等離子切割工業(yè)機器人，具有運動精度高、重復(fù)定位精度高， 動態(tài)過程自動檢測，具有離線編程、路徑規(guī)劃、系統(tǒng)仿真功能；并帶 有切割工藝數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)與生產(chǎn)過程信息、質(zhì)量信息和數(shù)字化車間 管理系統(tǒng)無縫連接功能（圖3）。2)自動套排料及切割機聯(lián)網(wǎng)管理。其中包括：實現(xiàn)導(dǎo)入生

10、產(chǎn) 訂單，動態(tài)自動排料，對程序?qū)崿F(xiàn)規(guī)范化編制，規(guī)范化存儲，規(guī)范化 管理；采集設(shè)備利用狀態(tài)信息，設(shè)備生產(chǎn)活動時間。提供遠(yuǎn)程監(jiān)測手 段；統(tǒng)計、分析、測評數(shù)控設(shè)備利用效率，自動計算，生產(chǎn)報告等（圖 4）。圖4聯(lián)網(wǎng)管理4）焊接過程數(shù)字化設(shè)計-形成自動化生產(chǎn)線。自動生產(chǎn)線有計 算機控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)運倉庫、物流系統(tǒng)、自動上下料系統(tǒng)、多臺機器人 焊接系統(tǒng)等組成；實現(xiàn)焊接生產(chǎn)線的自動化。5）柔性激光切割生產(chǎn)線。柔性激光切割線由計算機CAD/CAM 編程系統(tǒng)、立體倉庫、物流系統(tǒng)、自動上下料系統(tǒng)、多臺平面激光切 割機系統(tǒng)、成品分揀系統(tǒng)組成；其中，生產(chǎn)線自動化實現(xiàn)了從上料、 切割、到分揀成品全過程的無人化自動操作；切割

11、程序自動化實現(xiàn)了 切割程序網(wǎng)絡(luò)傳輸自動化，訂單自動分配、自動報工；切割精準(zhǔn)化可 使激光切割機定位精準(zhǔn)度高，重復(fù)定位精度高，實現(xiàn)了覆蓋件精準(zhǔn)高 速切割（圖5）。圖5噴涂線機器人噴漆系統(tǒng)。14自由度噴涂系統(tǒng)機器人具有運 動精度及重復(fù)定位精度高的特點，與涂裝線、積放鏈輸送系統(tǒng)協(xié)同控 制實現(xiàn)噴涂過程的無人化。具有離線編程、路徑規(guī)劃、系統(tǒng)仿真等功 能；并具有涂裝工藝數(shù)據(jù)庫和設(shè)備智能接口，可實現(xiàn)生產(chǎn)管理的智能 化(圖6)。圖6物料自運管理系統(tǒng)。其中包括：使用物料識別系統(tǒng)，實現(xiàn) 了采購物料的全自動入庫管理及出庫管理；物料信息自動掃描；數(shù)據(jù) 信息自動上傳MES系統(tǒng)；物料出庫后自動移庫。8)自能化物流配送系統(tǒng)由

12、集成WCS系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)、多臺AGV小車、積放式物料托盤滾筒輸送線、物料自動掃描系統(tǒng)組成；AGV智能物流配送系統(tǒng)從軌道貨盤自動掃描，由信息系統(tǒng)對物料進行 排隊，按照生產(chǎn)節(jié)拍對裝配線配送點進行物料的五人定點準(zhǔn)確配送， 全面替代人工配送（圖7）。9）智能化在線檢測系統(tǒng)。在線監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用彌補了對 整機性能無法把握的局面，根據(jù)數(shù)據(jù)變化自動判斷潛在系統(tǒng)故障，代 替了以經(jīng)驗判斷問題的方法；通過MES數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，可定期收集液壓、 制動、動力、傳動等各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進行系統(tǒng)分析。10）多臺加工中心組成LPP生產(chǎn)線，實現(xiàn)無人化生產(chǎn)。生產(chǎn)線 由數(shù)控加工中心+多工作臺站+自動輸送車+多套工藝裝備等單元組 成。

13、具有計算機加工控制系統(tǒng)、大容量自動換刀系統(tǒng)、刀具自動檢測、 零件自動找正功能，有效的支撐和保證了自動化數(shù)控生產(chǎn)，實現(xiàn)了 24小時無人化生產(chǎn)。生產(chǎn)線的柔性化可以滿足多產(chǎn)品多品種、小批 量的生產(chǎn)。適應(yīng)新產(chǎn)品試制并能迅速擴大新產(chǎn)品生產(chǎn)，同時對老產(chǎn)品 加工的保持有繼承和兼容能力（圖8）。生產(chǎn)管理的智能化。1）制造信息技術(shù)平臺。技術(shù)平臺是智能化制造基礎(chǔ)，有硬件與軟件共同支撐，需通過不斷改進提升效果（圖9）。物理房執(zhí)行層計劃房決策房網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線自動化設(shè)備 一：業(yè)機器人數(shù)據(jù)存儲設(shè)備管理制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集能耗管理計劃與產(chǎn)能分析物料需求計劃供應(yīng)與物潦管理產(chǎn)梢需求匚面客戶關(guān)系管理企業(yè)強源計劃商務(wù)智能數(shù)據(jù)挖掘與分析預(yù)算管理2）信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)。智能化制造關(guān)鍵是打通物理層與計劃層的數(shù)據(jù)鏈，并建立基于業(yè)務(wù)邏輯的控制與作業(yè)調(diào)度體系（圖10）。3）生產(chǎn)管理向供應(yīng)商推進。現(xiàn)代競爭從傳統(tǒng)的產(chǎn)品競爭轉(zhuǎn)向 營運體系的競爭，綜合表現(xiàn)為創(chuàng)新能力、成本控制、綜合服務(wù)能力、 市場保障等；將供應(yīng)商納入制造信息系統(tǒng)管理，是提升制造能力的必 要手段（圖11）。五、結(jié)論在工業(yè)4.0新環(huán)境下，面