工藝在智能制造生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制中的重要作用

王文理，康永峰

（1.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所數(shù)字化與柔性裝配技術(shù)研究室，北京 100024；2.復(fù)雜構(gòu)件數(shù)控加工工藝及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3.數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

德國(guó)“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”的核心都是智能制造，推進(jìn)智能制造生產(chǎn)體系建設(shè)是在全球化經(jīng)濟(jì)模態(tài)下提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的最重要的手段之一[1]，預(yù)示著人類(lèi)工業(yè)文明的發(fā)展又到了一個(gè)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，世界各國(guó)都計(jì)劃在這一領(lǐng)域中取得發(fā)展的先機(jī)。由于單獨(dú)使用的機(jī)床，具有夾具設(shè)置、刀具準(zhǔn)備、程序?qū)?、零件裝夾、測(cè)量找正、等待毛坯等種種設(shè)置環(huán)節(jié)，導(dǎo)致獨(dú)立機(jī)床的年運(yùn)作時(shí)間平均僅約2000h/年。而智能制造生產(chǎn)線(xiàn)由于預(yù)先設(shè)置，所以幾乎消除了機(jī)床的多個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)置等待時(shí)間，且受人的因素影響小，理論上可實(shí)現(xiàn)6000～8760h/年的運(yùn)行，全局設(shè)備效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE= 可用率×表現(xiàn)性×質(zhì)量指數(shù)）可以達(dá)到85%，效率可提高2.5倍。工信部對(duì)智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目的最基本的要求是人員減少30%，效率提高20%，不良率降低10%[2]。所以智能制造是解決產(chǎn)能不足及效率低下的良方，也是制造業(yè)技術(shù)升級(jí)提高競(jìng)爭(zhēng)力的大方向[3]。

為解決我國(guó)制造業(yè)大而不強(qiáng)的現(xiàn)狀，在工信部、各集團(tuán)公司及各級(jí)政府的支持下，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)都在籌劃建設(shè)智能制造生產(chǎn)線(xiàn)。智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的開(kāi)展步驟通常是：

（1）工藝規(guī)劃、車(chē)間布局等頂層總體設(shè)計(jì)；（2）智能化設(shè)備的選型，物流、倉(cāng)儲(chǔ)、機(jī)器人選型，硬件建設(shè)；（3）系統(tǒng)控制接口、物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，運(yùn)行控制軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；（4）系統(tǒng)集成、聯(lián)調(diào)。

可以看出，智能制造的加工工藝技術(shù)是智能制造生產(chǎn)線(xiàn)頂層總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是智能制造生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)首先要開(kāi)展的，它決定了生產(chǎn)線(xiàn)中最重要也是投資最大的硬件，即加工設(shè)備的選型，也是智能制造生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)度、運(yùn)行控制的決策依據(jù)，是決定智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的節(jié)拍、工藝流程、產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。本文將對(duì)智能制造生產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)產(chǎn)品的加工工藝技術(shù)進(jìn)行分析探討。

工藝是智能制造生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

1 智能制造生產(chǎn)線(xiàn)加工對(duì)象的選擇

建設(shè)智能制造生產(chǎn)線(xiàn)首先要確定加工對(duì)象。企業(yè)通常會(huì)選擇最急迫、急需大幅提高產(chǎn)能的拳頭產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品是否適合進(jìn)線(xiàn)，首先就要考查其加工工藝。

智能制造是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化制造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，智能制造的典型特征是“狀態(tài)感知—實(shí)時(shí)分析—自主決策—精準(zhǔn)執(zhí)行”，大量采用高精度快換夾具，機(jī)械手自動(dòng)裝卸零件，立體倉(cāng)庫(kù)，自動(dòng)物料運(yùn)輸系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)自動(dòng)運(yùn)行。所以，智能制造生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)產(chǎn)品的加工工藝必須能夠適應(yīng)無(wú)人自動(dòng)化生產(chǎn)。

目前，我國(guó)制造業(yè)技術(shù)水平基本處于“工業(yè)2.0”到“工業(yè)3.0之間”[4]，大量采用普通機(jī)床加工，自動(dòng)化數(shù)控設(shè)備率很低，關(guān)鍵工序才采用數(shù)控加工，且存在大量的非自動(dòng)化加工工序（如鉗工鉆孔、研磨、去毛刺、清洗、檢驗(yàn)及熱表處理等）。毛坯粗糙無(wú)基準(zhǔn)，很多工序需要依靠操作技能，工序十分復(fù)雜冗長(zhǎng)，這樣的工藝顯然不適于智能生產(chǎn)線(xiàn)。對(duì)于進(jìn)線(xiàn)產(chǎn)品的選擇，其加工工藝應(yīng)該達(dá)到以下基本條件：

（1）各類(lèi)基礎(chǔ)工藝應(yīng)成熟，加工質(zhì)量穩(wěn)定；（2）能夠?qū)⑵淦胀庸すば蚋臑閿?shù)控加工；（3）能夠采用自動(dòng)裝夾，能精確定位；（4）人工干預(yù)及手工工序盡可能少，這些工序能在線(xiàn)外安排。

各類(lèi)基礎(chǔ)工藝必須得到解決，過(guò)程穩(wěn)定，質(zhì)量一致，是智能制造自動(dòng)化加工成功的關(guān)鍵，也是保證無(wú)人加工順利進(jìn)行的基本條件。例如，某液壓閥體零件上有很多長(zhǎng)徑比大于10的深孔加工，現(xiàn)仍沒(méi)有成熟穩(wěn)定的工藝能保證深孔加工精度，仍無(wú)法解決深孔鉆排屑、刀具剛性差、斷刀、刀具補(bǔ)償、精度保證等基礎(chǔ)工藝問(wèn)題，只能邊測(cè)邊干，即使使用數(shù)控設(shè)備，也需要加工過(guò)程中不斷調(diào)整切削參數(shù)，不斷補(bǔ)償。普通數(shù)控設(shè)備在細(xì)小的鉆頭已經(jīng)崩斷的情況下，也無(wú)法監(jiān)測(cè)到，所以無(wú)法立即停止加工。有些航空結(jié)構(gòu)件，在加工過(guò)程中，需要及時(shí)測(cè)量及補(bǔ)償，或者加工過(guò)程中需要修正基準(zhǔn)。面對(duì)這種基礎(chǔ)工藝還不成熟的產(chǎn)品，雖然急需提高產(chǎn)能，但現(xiàn)階段也不宜選擇此類(lèi)零件進(jìn)線(xiàn)。

如果產(chǎn)品的某些工藝無(wú)法達(dá)到自動(dòng)化加工的要求，也可以考慮線(xiàn)內(nèi)只進(jìn)行若干主要工序，將無(wú)法進(jìn)線(xiàn)的工藝安排在線(xiàn)外進(jìn)行。例如，將無(wú)法精確定位的以毛坯為模鍛件的進(jìn)線(xiàn)零件的粗加工設(shè)在線(xiàn)外，進(jìn)線(xiàn)前要加工出基準(zhǔn)，此基準(zhǔn)要能夠較方便用于專(zhuān)用夾具的定位及裝夾，精度要足夠高。有些熱表處理等特種工藝，不屬于機(jī)加，可安排在線(xiàn)外進(jìn)線(xiàn)。

建線(xiàn)的企業(yè)總是傾向選擇其拳頭產(chǎn)品的關(guān)鍵件作為進(jìn)線(xiàn)零件，若這些零件的材料、結(jié)構(gòu)、加工工藝差異很大，會(huì)造成生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備種類(lèi)繁多，裝夾復(fù)雜，建線(xiàn)難度會(huì)劇增，且生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行控制復(fù)雜，整體效率將難以令人滿(mǎn)意。系列化的零件，零件類(lèi)型盡量相似，加工方法盡量一致，這樣加工設(shè)備的種類(lèi)就少，若某臺(tái)設(shè)備出故障，能將此臺(tái)設(shè)備的工作調(diào)度到其他類(lèi)似設(shè)備上進(jìn)行，不會(huì)導(dǎo)致整條線(xiàn)停頓。在智能制造發(fā)展的初級(jí)階段，設(shè)備種類(lèi)要少是普遍的原則。

2 工藝為智能制造生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的加工設(shè)備類(lèi)型及數(shù)量、裝夾方式、刀庫(kù)容量、托盤(pán)緩沖站數(shù)量、上下料方式等這些主要的硬件及運(yùn)行方式，設(shè)備及物流等硬件的布局設(shè)計(jì)，運(yùn)行控制軟件的開(kāi)發(fā)，這些關(guān)鍵軟硬件的設(shè)計(jì)，都與工藝設(shè)計(jì)有著直接的關(guān)系。

工序的內(nèi)容直接決定了所需的設(shè)備類(lèi)型。例如，某機(jī)匣智能制造生產(chǎn)線(xiàn)，某工序設(shè)計(jì)為銑車(chē)復(fù)合加工，就應(yīng)選擇銑車(chē)復(fù)合加工中心。若設(shè)計(jì)為銑、車(chē)單獨(dú)加工，就應(yīng)該選擇銑削加工中心與數(shù)控立車(chē)。根據(jù)零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)，此設(shè)備的加工工時(shí)，可以計(jì)算出所需設(shè)備的數(shù)量。例如：某設(shè)備每月最大可利用時(shí)間為26880min，智能生產(chǎn)線(xiàn)月產(chǎn)能500件，該工序每件加工工時(shí)80min，所以此設(shè)備所需數(shù)量：500×80/26880≈1.5臺(tái)，線(xiàn)內(nèi)此設(shè)備數(shù)量應(yīng)選2臺(tái)。

工藝規(guī)程所規(guī)定的切削參數(shù)（如銑削速度、每齒進(jìn)給、刀具壽命等），決定了刀具的類(lèi)型、數(shù)量，從而決定了換刀的頻率、刀庫(kù)的容量，以及是否需要中央刀庫(kù)。通常刀庫(kù)要容納至少24h的刀具需求。切削參數(shù)與加工時(shí)間密切相關(guān)，從而影響了生產(chǎn)線(xiàn)的節(jié)拍。生產(chǎn)線(xiàn)的節(jié)拍決定了托盤(pán)及托盤(pán)緩沖站的數(shù)量、上下料機(jī)器人或堆垛機(jī)的數(shù)量、立體倉(cāng)庫(kù)的容量、裝卸站的數(shù)量。

智能制造生產(chǎn)線(xiàn)在設(shè)計(jì)前必須要編制科學(xué)的工藝規(guī)程，結(jié)合產(chǎn)品的量綱，在設(shè)計(jì)之初科學(xué)計(jì)算出每個(gè)工序所需的時(shí)間，確切掌握生產(chǎn)線(xiàn)的節(jié)拍，然后才能使用專(zhuān)用的軟件進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行仿真，評(píng)估線(xiàn)內(nèi)設(shè)備、機(jī)器人、托盤(pán)、緩沖站、裝卸站、倉(cāng)儲(chǔ)的利用率。例如，某智能制造生產(chǎn)線(xiàn)，經(jīng)過(guò)仿真評(píng)估（見(jiàn)圖 1、2），得出的結(jié)論是兩個(gè)裝卸站的利用率均不足15%。這時(shí)候，就需要重新考慮是否需要?jiǎng)h掉那個(gè)作為備份的裝卸站。

工藝是智能制造生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行控制的基礎(chǔ)

智能制造生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行控制軟件的主要功能如圖3所示，其核心功能是系統(tǒng)的任務(wù)和生產(chǎn)管理、生產(chǎn)過(guò)程控制。任務(wù)管理軟件根據(jù)當(dāng)日的訂單或任務(wù)，依據(jù)人、機(jī)、料、法、環(huán)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以工藝流程為基礎(chǔ)，將各工序分解為一步步作業(yè)指令，生成當(dāng)日的最佳排產(chǎn)的加工作業(yè)計(jì)劃。

圖1 智能制造生產(chǎn)線(xiàn)仿真評(píng)估流程Fig.1 Simulating and evaluating flow of smart machining line

圖2 某智能制造生產(chǎn)線(xiàn)仿真評(píng)估結(jié)果Fig.2 Simulating and evaluating result of one smart machining line

生產(chǎn)過(guò)程控制軟件依據(jù)排產(chǎn)結(jié)果，有序組織生產(chǎn)過(guò)程，驅(qū)動(dòng)物流系統(tǒng)和刀具系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料和刀具的配送，從而達(dá)到全面提升制造能力的目標(biāo)。通常，首先是將毛坯在裝卸站安裝夾緊在專(zhuān)用夾具上；然后被物流系統(tǒng)運(yùn)送到指定機(jī)床上加工；然后轉(zhuǎn)移到下一設(shè)備加工，如果設(shè)備忙，則暫時(shí)存放在某緩沖站；完成所有工序的加工后被運(yùn)輸?shù)窖b卸站卸下，入庫(kù)。作業(yè)計(jì)劃需要依據(jù)工藝規(guī)程確定需要調(diào)用哪個(gè)夾具去裝夾零件，托盤(pán)送往哪臺(tái)設(shè)備，激活哪條數(shù)控程序，調(diào)用哪把刀具。

生產(chǎn)管理對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的資源進(jìn)行組織和管理，為生產(chǎn)線(xiàn)的正常運(yùn)行提供資源數(shù)據(jù)。主要包括毛坯管理、工件管理、刀具管理、數(shù)控程序管理和夾具管理。這些管理的依據(jù)主要是排產(chǎn)計(jì)劃，決定了資源的需求，與生產(chǎn)線(xiàn)加工工藝設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。

所以，智能制造生產(chǎn)線(xiàn)工藝設(shè)計(jì)的科學(xué)與否，將對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的排產(chǎn)、高效運(yùn)行控制有極大的影響。工藝的設(shè)計(jì)要注重增加設(shè)備調(diào)度的靈活性，資源的管理便利性，這樣才便于充分發(fā)揮生產(chǎn)線(xiàn)的效率（見(jiàn)圖4）。例如，盡量均衡地使用所有的設(shè)備，不要把較多的工作量集中在某一臺(tái)設(shè)備上，而使其他設(shè)備等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的工藝設(shè)計(jì)

工廠現(xiàn)有工藝路線(xiàn)是基于現(xiàn)有的設(shè)備，工序十分分散，還有大量的手工工序，嚴(yán)重依賴(lài)操作者的技能。這種工序過(guò)于復(fù)雜的現(xiàn)象不適于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的加工。智能制造線(xiàn)內(nèi)的加工工藝必須重新編制，對(duì)現(xiàn)有工序進(jìn)行大幅度整合，充分利用智能制造線(xiàn)的自動(dòng)化設(shè)備優(yōu)勢(shì)，采取工序集中原則，大幅減少工序，減少裝夾次數(shù)，利用設(shè)備的功能優(yōu)勢(shì)保證加工的一致性及加工質(zhì)量，減少對(duì)操作技能的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)零件在線(xiàn)內(nèi)的高效加工與流轉(zhuǎn)。

智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是進(jìn)線(xiàn)零件的加工工藝設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)先行開(kāi)展，并要經(jīng)過(guò)充分討論。工藝將起到如下作用：

（1）設(shè)計(jì)了零件的加工工藝流程，零件在線(xiàn)內(nèi)各設(shè)備之間的流轉(zhuǎn)順序；（2）工序種類(lèi)直接影響生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)備種類(lèi)，設(shè)備是最大的投資；（3）設(shè)計(jì)了各工序的加工內(nèi)容，工序的加工時(shí)間決定了設(shè)備的需求數(shù)量；（4）切削參數(shù)決定了加工的質(zhì)量及節(jié)拍、刀庫(kù)容量、托盤(pán)緩沖站數(shù)量。

例如，某液壓關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高，現(xiàn)工藝路線(xiàn)工序十分復(fù)雜，有大量的非數(shù)控加工及非機(jī)加手工工序穿插其中。這種復(fù)雜工序的傳統(tǒng)工藝顯然不適合智能制造，必須使制造工藝模式有大的變革，需要大幅度工藝優(yōu)化甚至推倒重來(lái)，向具有“基于CPS系統(tǒng)支持、智能生產(chǎn)調(diào)度、大量采用自動(dòng)化智能設(shè)備、大量采用高精度快換工裝、自動(dòng)裝夾、自動(dòng)物流配送、工序集中的智能加工”方式轉(zhuǎn)換。智能制造工藝與傳統(tǒng)工藝的差別在于極大減少對(duì)人工技能的依賴(lài)，發(fā)揮高檔設(shè)備優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)的智能制造工藝，將原來(lái)40多道工序壓縮為10道，把毛坯粗加工、熱表處理及特種檢驗(yàn)都放在線(xiàn)外，這樣就較適合智能制造的工藝了。

圖3 智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的主要運(yùn)行控制功能Fig.3 Main running and control function of smart machining line

圖4 智能制造生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制與工藝的關(guān)系Fig.4 Relationship between smart machining line’s process technology and its running and control

智能制造工藝必須考慮自動(dòng)化運(yùn)行所帶來(lái)的新問(wèn)題及特殊性，主要是對(duì)加工過(guò)程中的異常情況能夠及時(shí)判斷并處理[5-6]。例如，刀具的壽命管理，因?yàn)闊o(wú)人加工，所以刀具必須在崩刃或斷裂前進(jìn)行自動(dòng)更換，或者在加工過(guò)程中監(jiān)測(cè)到刀具異常后立即處理。這在工藝規(guī)程中主要是嚴(yán)格控制切削參數(shù)，控制數(shù)控程序的加工時(shí)間，規(guī)定刀具的使用壽命并進(jìn)行管理，對(duì)所涉及到的數(shù)控程序名稱(chēng)、刀具類(lèi)型、刀具規(guī)格、切削參數(shù)、加工時(shí)間、設(shè)備選擇、裝夾方案等都務(wù)必詳細(xì)準(zhǔn)確。

智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的投資巨大，通常可達(dá)數(shù)千萬(wàn)甚至過(guò)億，設(shè)備的利用率及投資回報(bào)率不能不考慮。例如，某些零件的某些工序加工量很小，造成某些設(shè)備利用率很低，工藝設(shè)計(jì)需要平衡此事；再如，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工線(xiàn)，絕大部分是銑工序，車(chē)削的工作量很小，因此選擇銑車(chē)復(fù)合加工中心，以銑為主，兼顧車(chē)削。若選擇數(shù)控立車(chē)，此設(shè)備利用率將很低。

智能制造的終極目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)“批量定制”的市場(chǎng)需求，因此，智能制造工藝的設(shè)計(jì)也要考慮到批量定制的加工需求，要考慮到產(chǎn)品的系列化及兼容問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)制造業(yè)正在實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，在新一輪工業(yè)革命的大背景下，智能制造是主攻方向。在發(fā)展智能制造的過(guò)程中，必須重視基礎(chǔ)工藝技術(shù)和數(shù)字化制造技術(shù)的研發(fā)及成熟度，科學(xué)合理的工藝技術(shù)是智能制造生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制的基礎(chǔ)。所以，以我國(guó)制造業(yè)的現(xiàn)狀，發(fā)展智能制造，應(yīng)首先重視研發(fā)工藝技術(shù)，將智能制造的思路貫徹到工藝設(shè)計(jì)中，參考“工業(yè)4.0”的思想，以成熟的柔性制造系統(tǒng)（FMS）的設(shè)計(jì)思路為基礎(chǔ)，以大幅提高效率為目標(biāo)，設(shè)計(jì)工藝。工藝成熟后，研發(fā)具有一定智能排產(chǎn)、智能調(diào)度、自動(dòng)化物流倉(cāng)儲(chǔ)，數(shù)據(jù)采集及故障診斷的智能制造單元，積累工藝經(jīng)驗(yàn)后，進(jìn)而將智能制造提升到一種更加柔性化、智能化以及集成化的高度，逐步實(shí)現(xiàn)智能制造單元—智能車(chē)間—智能制造生產(chǎn)線(xiàn)—智能工廠的演進(jìn)。

[1]中國(guó)智能制造網(wǎng). 工業(yè)4.0，產(chǎn)業(yè)下的企業(yè)信息化之路[EB/OL]. 2015[2016-01-08]. http://www.gkzhan.com/news/Detail/81173.html.China Intelligent Manufacturing Network.Industry 4.0, the road of enterprise information under the industry[EB/OL]. 2015[2016-01-08].http://www.gkzhan.com/news/Detail/81173.html.

[2]中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng). 瞄準(zhǔn)智能制造方向 2016年中國(guó)制造大有可為[EB/OL].2015[2016-01-08]. http://www.jc35.com/news/Detail/45834.html.China Machine Tool Business Network.Aiming intelligent manufacturing,chinese manufacturing will be promising in 2016[EB/OL].2015[2016-01-08]. http://www.jc35.com/news/Detail/45834.html.

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