發(fā)動(dòng)機(jī)總裝智能工廠的研究與應(yīng)用

郭建

摘 要：傳統(tǒng)制造走向?qū)崿F(xiàn)智能制造已成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一，有必要通過研究企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要實(shí)踐案例，來幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效、提升整體競(jìng)爭(zhēng)力，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：智能工廠;發(fā)動(dòng)機(jī)總裝

1 背景

工業(yè)4.0時(shí)代的熱潮中，汽車行業(yè)作為制造業(yè)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，擁抱智能化變革，目前各個(gè)汽車企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境中，大力推進(jìn)智能工廠建設(shè)，傳統(tǒng)的汽車制造最終將走向自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的汽車制造。

動(dòng)力總成作為汽車“核心”零部件，直接關(guān)乎到整車的動(dòng)力性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。在汽車行業(yè)智能制造的大環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)實(shí)施智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)已成為發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)有必要通過實(shí)施智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，降本增效，從而提升企業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 企業(yè)生產(chǎn)管理需求

A公司主要從事節(jié)能、環(huán)保、高性能的小排量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)、制造、銷售及服務(wù)等業(yè)務(wù)，致力于提供動(dòng)力總成的系統(tǒng)化解決方案。A公司生產(chǎn)管理重點(diǎn)和難點(diǎn)包括以下五個(gè)方面：

①生產(chǎn)計(jì)劃波動(dòng)較大。一方面汽車銷售淡季和旺季對(duì)產(chǎn)量需求變化波動(dòng)大，另一方面A公司生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)除供自己整車廠使用外，40%左右的發(fā)動(dòng)機(jī)還外銷給其他不同的整車廠，生產(chǎn)計(jì)劃受到外銷廠家影響明顯。

②生產(chǎn)訂單為多品種、小批量。A公司的新品開發(fā)必須適用于不同客戶需求，但正是這種個(gè)性化需求，導(dǎo)致生產(chǎn)訂單呈現(xiàn)出多品種、小批量特點(diǎn)。

③生產(chǎn)工藝復(fù)雜化。公司近幾年大力推進(jìn)節(jié)能環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)，新工藝不斷引入，同時(shí)為滿足客戶需求進(jìn)行的產(chǎn)品個(gè)性化開發(fā)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工藝復(fù)雜化。

④質(zhì)量日趨嚴(yán)格。隨著客戶對(duì)質(zhì)量要求的不斷提升，不僅要求準(zhǔn)確收集質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯，而且能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，推動(dòng)質(zhì)量改進(jìn)與預(yù)防。

⑤異常響應(yīng)速度快。物料、設(shè)備、人員等引起的生產(chǎn)線停線導(dǎo)致嚴(yán)重浪費(fèi)生產(chǎn)資源，因而要求生產(chǎn)中能快速定位異常，解決故障，保證生產(chǎn)線開動(dòng)率。

2.2 智能工廠總體要求

智能工廠是針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程中的“痛點(diǎn)”和“難點(diǎn)”，提出的系統(tǒng)化解決方案。智能制造不是簡(jiǎn)單的技術(shù)突破，也不是簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造，而是通信技術(shù)和制造業(yè)的深度融合與創(chuàng)新集成。智能工廠建設(shè)具有以下五個(gè)方面要求：

①柔性、自動(dòng)化生產(chǎn)

結(jié)合企業(yè)自身的產(chǎn)品和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，持續(xù)提升生產(chǎn)過程、檢驗(yàn)過程和物流過程的自動(dòng)化程度，充分考慮產(chǎn)線的柔性化，以適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn)。

②深度結(jié)合精益生產(chǎn)

充分體現(xiàn)精益生產(chǎn)理念，實(shí)現(xiàn)拉動(dòng)式生產(chǎn)，減少庫房量，消除浪費(fèi)，大力推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化。

③設(shè)備互聯(lián)、生產(chǎn)持續(xù)監(jiān)控

設(shè)備控制系統(tǒng)集成，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)和質(zhì)量信息;應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、條形碼等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的持續(xù)監(jiān)控，確保生產(chǎn)過程的可追溯。

④工業(yè)信息軟件集成

應(yīng)用MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）、WMS（倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)）、PLM（產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)）等工業(yè)信息軟件，實(shí)現(xiàn)信息集成。

⑤綠色環(huán)保

利用能降低產(chǎn)線能源消耗的硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)能源高效利用，在危險(xiǎn)和存在污染的環(huán)境，優(yōu)先使用機(jī)器人代替人工，充分利用廢料進(jìn)行回收和再利用。

2.3 智能工廠實(shí)施路徑

建立智能工廠不是一蹴而就，而是需要整體規(guī)劃、分步驟實(shí)施，主要經(jīng)歷以下兩個(gè)建設(shè)階段。

①首先，建立自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)和自動(dòng)化物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)底層生產(chǎn)設(shè)備和物流設(shè)備互聯(lián)，讓各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和物流環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制。

②其次，建立MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)），打通生產(chǎn)業(yè)務(wù)層與自動(dòng)化層之間的信息壁壘，并通過MES與ERP、PLM、WMS、自動(dòng)化設(shè)備無縫連接、緊密協(xié)作，消除信息孤島，形成精益化、透明化的數(shù)字制造系統(tǒng)。

3 實(shí)施方案

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)智能制造發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)滿足工藝技術(shù)、質(zhì)量、生產(chǎn)管理不斷提升的要求，A公司管理層經(jīng)過認(rèn)真調(diào)研分析和充分評(píng)估后，同意投入大量的人力、物力、財(cái)力，建設(shè)具有先進(jìn)技術(shù)水平的發(fā)動(dòng)機(jī)總裝線，并結(jié)合信息化手段，最終打造為發(fā)動(dòng)機(jī)總裝智能工廠。

根據(jù)智能工廠建設(shè)總體要求和實(shí)施路徑，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總裝智能工廠進(jìn)行分步驟實(shí)施推進(jìn)。

3.1 “柔性化、自動(dòng)化”產(chǎn)線建設(shè)

發(fā)動(dòng)機(jī)總裝線主要?jiǎng)澐譃榱慵逑?、產(chǎn)品組裝、總成測(cè)試、成品包裝四大區(qū)域，包含擰緊、涂膠、試漏、壓裝等為代表的裝配工藝，以及冷試、熱試為代表的測(cè)試工藝。既要保障發(fā)動(dòng)機(jī)制造質(zhì)量一致性，又要求滿足發(fā)動(dòng)機(jī)多品種小批量的生產(chǎn)需要，就要打造成“柔性、混流、自動(dòng)化”發(fā)動(dòng)機(jī)總裝線。

①機(jī)器人廣泛應(yīng)用

目前人工成本越來越貴，而機(jī)器人的價(jià)格卻越來越便宜，機(jī)器人在搬運(yùn)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，機(jī)器人在發(fā)動(dòng)機(jī)總裝線應(yīng)用于搬運(yùn)的場(chǎng)景很多，包括缸體&曲軸上線、缸蓋半總成轉(zhuǎn)線、發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)半總成搬運(yùn)等等。

另一方，機(jī)器人具有充分的柔性，可有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)備的步進(jìn)機(jī)構(gòu)或?qū)C(jī)機(jī)構(gòu)，在發(fā)動(dòng)機(jī)總裝線應(yīng)用場(chǎng)景包括機(jī)器人+擰緊設(shè)備、機(jī)器人+視覺檢測(cè)、機(jī)器人+清洗設(shè)備、機(jī)器人+涂膠設(shè)備、機(jī)器人+冷試設(shè)備、機(jī)器人+壓裝設(shè)備、機(jī)器人+機(jī)號(hào)標(biāo)刻設(shè)備等等。

②設(shè)備模塊化和柔性化

發(fā)動(dòng)機(jī)總裝線由輸送線體、發(fā)動(dòng)機(jī)托盤、各類設(shè)備構(gòu)成。輸送線體將帶有工件的托盤進(jìn)行流轉(zhuǎn)，流經(jīng)各類設(shè)備，完成發(fā)動(dòng)機(jī)全工序過程。生產(chǎn)線通過普遍采用伺服控制系統(tǒng)來完成曲軸回轉(zhuǎn)定位、螺栓擰緊伺服變位、鎖夾壓裝變位、工件移動(dòng)與翻轉(zhuǎn)定位、涂膠與檢測(cè)移位等，實(shí)現(xiàn)定位的高精度與變位的無極化，滿足產(chǎn)品多品種多位置控制的要求。

設(shè)備的模塊化和柔性化，增加了生產(chǎn)線對(duì)未來新機(jī)型的生產(chǎn)儲(chǔ)備能力，盡量減少設(shè)備類固定資產(chǎn)投入，同時(shí)因?yàn)樵O(shè)備改造內(nèi)容減少，可實(shí)現(xiàn)新品的快速投產(chǎn)，搶占市場(chǎng)。

③物流自動(dòng)化和精益化

缸蓋總成采用機(jī)器人自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)裝線，采用桁架機(jī)械手將發(fā)動(dòng)機(jī)從內(nèi)裝線轉(zhuǎn)運(yùn)外裝線，發(fā)動(dòng)機(jī)熱磨合采用RGV進(jìn)行自動(dòng)輸送與對(duì)接，發(fā)動(dòng)機(jī)成品下線采用激光導(dǎo)航AGV進(jìn)行搬運(yùn)。

半數(shù)以上零部件采用激光導(dǎo)航AGV+SPS精益物流方式，SPS是一種物料單輛份向生產(chǎn)線準(zhǔn)時(shí)化配送的方式，SPS精益物流方式可有效應(yīng)對(duì)混流柔性生產(chǎn)，減少線旁物流空間，提升員工作業(yè)效率，有效規(guī)避因物料配送引起的錯(cuò)漏裝。

④質(zhì)量檢測(cè)、防錯(cuò)手段多樣化

發(fā)動(dòng)機(jī)總成質(zhì)量檢測(cè)手段呈現(xiàn)多樣化，利用空氣作為介質(zhì)進(jìn)行常規(guī)氣密性檢測(cè)項(xiàng)目包括缸蓋試漏、冷試前試漏、發(fā)動(dòng)機(jī)總成試漏。但隨著缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的逐步普及，傳統(tǒng)氣密性檢測(cè)精度無法滿足高壓燃油系統(tǒng)密封要求，燃油系統(tǒng)氦檢技術(shù)開始得到推廣應(yīng)用，其檢測(cè)原理為：將惰性氣體氦氣作為示蹤氣體，高壓充入燃油系統(tǒng)管道內(nèi)，利用氦氣質(zhì)譜儀來發(fā)現(xiàn)并量化泄漏。

冷試是一種對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量進(jìn)行綜合測(cè)量的技術(shù)，使用伺服電機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過使用大量高精度傳感器和數(shù)據(jù)處理軟件，從而判定發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量以及零部件質(zhì)量缺陷。其典型測(cè)試項(xiàng)目包括：扭矩測(cè)試、VVT測(cè)試、油壓測(cè)試、點(diǎn)火測(cè)試、進(jìn)氣測(cè)試、排氣測(cè)試、NVH測(cè)試等。

在危險(xiǎn)工作環(huán)境或者人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺，在發(fā)動(dòng)機(jī)總裝線中使用機(jī)器視覺可有效提高生產(chǎn)線防錯(cuò)能力以及檢測(cè)效率。2D 相機(jī)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)流水號(hào)防錯(cuò)、活塞安裝方向、鏈條正時(shí)點(diǎn)檢測(cè)、零件二維碼讀取、發(fā)動(dòng)機(jī)外觀檢測(cè)等。3D相機(jī)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠檢測(cè)，可對(duì)密封膠寬度與軌跡進(jìn)行精確在線測(cè)量，形成三維圖像，有效識(shí)別涂膠質(zhì)量缺陷。

⑤、節(jié)能與環(huán)保

通過100%冷試，大幅減少熱試臺(tái)架投入，如通風(fēng)設(shè)施、燃油供給系統(tǒng)、冷卻液供給系統(tǒng)等，減少能源消耗、降低排放。在生產(chǎn)線照明方面，全部使用環(huán)保節(jié)能燈具，同時(shí)通過監(jiān)控照明燈具的開、關(guān)和亮度，實(shí)現(xiàn)燈光亮度的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)，可有效減少照明用電，延長(zhǎng)燈具壽命。車間物流方面，通過使用AGV和電瓶叉車代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油叉車，有效減少燃油叉車帶來的排放污染和噪聲污染。

3.2 信息化建設(shè)

MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）作為信息化建設(shè)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)訂單計(jì)劃、生產(chǎn)執(zhí)行全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度與管理，并通過與ERP、PLM、WMS、自動(dòng)化設(shè)備無縫連接、緊密協(xié)作，從而實(shí)現(xiàn)涵蓋生產(chǎn)、物流、采購(gòu)、銷售等全生命周期生產(chǎn)管理。

MES系統(tǒng)硬件是需要納入智能工廠的整體信息化架構(gòu)下進(jìn)行。MES系統(tǒng)硬件主要包括：PLC控制器、設(shè)備觸摸屏、現(xiàn)場(chǎng)總線及模塊、RFID、掃描槍及打印機(jī)、手動(dòng)工位觸摸屏、ANDON看板、數(shù)據(jù)服務(wù)器等。

MES軟件包含了信息集成、生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理、物料管理等相互獨(dú)立的功能模塊，同時(shí)這些功能模塊之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，實(shí)現(xiàn)功能包括：

①信息集成：保障上層管理和底層制造的數(shù)據(jù)貫通;②生產(chǎn)調(diào)度：實(shí)現(xiàn)車間作業(yè)計(jì)劃的實(shí)時(shí)跟蹤;③工藝管理：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝文件和數(shù)據(jù)的及時(shí)獲取;④設(shè)備管理：實(shí)時(shí)監(jiān)控裝配線及其設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);⑤物料管理：實(shí)現(xiàn)裝配過程的物料防錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)物料拉動(dòng);⑥質(zhì)量管理：提供準(zhǔn)確、全面的質(zhì)量數(shù)據(jù)和報(bào)表;⑦異常處理：現(xiàn)場(chǎng)ANDON，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)問題的及時(shí)反饋與處理。

4 應(yīng)用與效果

該發(fā)動(dòng)機(jī)總裝工廠建成后，按《重慶市數(shù)字化車間和智能工廠認(rèn)定管理辦法》要求，通過了重慶市經(jīng)信委認(rèn)定程序，成為A公司首個(gè)得到正式認(rèn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)智能工廠。隨著其正式投產(chǎn)，智能制造的效果日益凸顯，體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：1、實(shí)現(xiàn)1.2TGDI、1.5T、1.5TGDI、2.0TGDI多機(jī)型共線生產(chǎn)，自動(dòng)化率38.3%;2、單臺(tái)能源成本降低56%;3、生產(chǎn)效率提升30%;4、二氧化碳排放降低56%;5、產(chǎn)品清潔度提升33%，磕碰傷降低29%。

總之，本文的目的是希望通過研究企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要實(shí)踐案例，從而幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效、提升整體競(jìng)爭(zhēng)力，以期對(duì)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)制造企業(yè)實(shí)施智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)有所借鑒。

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