長城汽車智能制造研究與實(shí)踐

崔玉朋 余寧 王曉陽

（1.長城汽車股份有限公司 生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)中心，保定 071000；2.河北科技學(xué)院，保定 071000）

主題詞：工業(yè)4.0 智能制造 數(shù)據(jù) 數(shù)字化模型 仿真 網(wǎng)絡(luò)

1 前言

為了提升國家工業(yè)整體水平，各國政府針對工業(yè)整體提升制定了相應(yīng)對策：如德國的“工業(yè)4.0”，美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和，日本的“工業(yè)價(jià)值鏈[1]”和中國的“智能制造”等，國內(nèi)眾多企業(yè)也借助智能制造之勢，開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型，比較成功的如華為、海爾、美的等。全球汽車市場自2018年以來，開始感受到經(jīng)濟(jì)下行的壓力，目前這種情況也并沒有改善。隨著經(jīng)濟(jì)壓力的不斷下行，整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)鏈都在經(jīng)受嚴(yán)峻的考驗(yàn)。汽車市場也步入了下行危機(jī)，國內(nèi)車企面臨巨大挑戰(zhàn)。但綜觀我國汽車工業(yè)的現(xiàn)狀喜憂參半，展望我國汽車工業(yè)的未來風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇并存。故國內(nèi)各車企急需借助智能制造在產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、成本投入實(shí)現(xiàn)突破性創(chuàng)新，提高競爭力。清華大學(xué)劉宗巍[1]提出中國汽車企業(yè)早日完成智能制造轉(zhuǎn)型升級，以支撐中國汽車強(qiáng)國的早日建成。

2 整體思路

智能制造涉及設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造和服務(wù)，其核心在于制造，基于制造需求的改善和創(chuàng)新才有價(jià)值，朱鐸先[2]提出了由智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)和智能裝備組成的智能制造整體架構(gòu)（圖1）；智能只是一種工具，智能必須與生產(chǎn)需求結(jié)合，最終讓有效需求轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。長城汽車現(xiàn)階段從智能設(shè)計(jì)、智能管理、智能裝備3個(gè)維度實(shí)施智能制造（圖2），旨在實(shí)現(xiàn)降本增效，提高產(chǎn)品競爭力。

智能設(shè)計(jì)以平臺化設(shè)計(jì)和數(shù)字化工藝開發(fā)為發(fā)展方向，通過數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、工廠模型建立、數(shù)字化虛擬驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)問題前置，解決設(shè)計(jì)問題，縮短開發(fā)周期，提升設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品可靠性。同時(shí)將生產(chǎn)運(yùn)營數(shù)據(jù)回流至前期設(shè)計(jì)，持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)維度QCT（質(zhì)量、成本、周期）的最佳優(yōu)化。智能生產(chǎn)以信息化和智能化為發(fā)展方向，通過數(shù)據(jù)采集、信息可視化、生產(chǎn)防錯(cuò)等，提升生產(chǎn)效率和品質(zhì)。同時(shí)通過“數(shù)據(jù)+算力+算法[3]”優(yōu)化系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)計(jì)和運(yùn)營迭代優(yōu)化。智能裝備作為生產(chǎn)支撐，通過智能設(shè)備、模塊化工位、柔性化工藝提升生產(chǎn)效率和柔性化，與智能生產(chǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化和精益化生產(chǎn)。

圖1 智能制造整體架構(gòu)[2]

圖2 智能設(shè)計(jì)構(gòu)架

3 智能制造總體布局

3.1 智能設(shè)計(jì)

汽車行業(yè)智能設(shè)計(jì)是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)、工廠規(guī)劃、工廠建設(shè)和生產(chǎn)制造全過程的數(shù)字化研制一體化。從制造角度看關(guān)鍵環(huán)節(jié)在工藝開發(fā)，從智能化角度看關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)。企業(yè)數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、經(jīng)營數(shù)據(jù)等，核心是產(chǎn)品數(shù)據(jù)，包括研發(fā)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)等。企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級與智能化改造，很大程度上取決于如何利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)?；?D數(shù)字化模型和單一數(shù)據(jù)源的系統(tǒng)應(yīng)用模式，通過將企業(yè)的產(chǎn)品和管理方面的數(shù)據(jù)形成企業(yè)真正需求的數(shù)據(jù)，從客戶需求開始，到產(chǎn)品規(guī)劃、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)全過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速協(xié)同。通過這種方式，來提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)一體化能力和數(shù)據(jù)的貫通與一致性，同時(shí)通過現(xiàn)場實(shí)施反饋回的數(shù)據(jù)不斷的優(yōu)化產(chǎn)品及工藝設(shè)計(jì)。

長城汽車采用3D EXPERIENCE、TeamCenter軟件、BIM（Building Information Modeling）[4]技術(shù)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)和工廠規(guī)劃不同維度開展數(shù)字化仿真及驗(yàn)證，并自主將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝開發(fā)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了無縫對接（圖2）。工廠規(guī)劃應(yīng)用BIM技術(shù)與工藝仿真在規(guī)劃過程中將建筑、結(jié)構(gòu)、公用、工藝設(shè)備、物流通過三維模型搭建、虛擬仿真、虛擬驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)問題的提前規(guī)避，同時(shí)應(yīng)用3D試制和數(shù)字孿生(Digital Twin)[5]技術(shù)進(jìn)行虛擬調(diào)試驗(yàn)證，將ET（Engineering Trial）提前并實(shí)現(xiàn)線體設(shè)備的數(shù)字化裝配驗(yàn)證，縮短車型整體開發(fā)周期。

3.2 智能生產(chǎn)

生產(chǎn)是智能制造的核心。智能生產(chǎn)，不僅僅是簡單的無紙化、省人化、信息透明化等，智能生產(chǎn)更應(yīng)該是借助自動化、數(shù)字化、智能化等信息化技術(shù)，以產(chǎn)品質(zhì)量提升為首位，實(shí)現(xiàn)降本增效，提高產(chǎn)品競爭力，而智能生產(chǎn)的提升核心是數(shù)據(jù)的利用。這需要結(jié)合工廠自身現(xiàn)狀，梳理生產(chǎn)業(yè)務(wù)并識別關(guān)鍵指標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，通過網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通，數(shù)據(jù)的清洗和治理，針對生產(chǎn)不同層級人員進(jìn)行多維度可視化展示（如現(xiàn)場或移動端），旨在充分暴露生產(chǎn)過程中的問題。問題暴露后在生產(chǎn)的現(xiàn)場的重點(diǎn)是以邊緣計(jì)算形式進(jìn)行分析、解決問題，通過數(shù)據(jù)的分析對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化閾值管理，實(shí)時(shí)分析過程參數(shù)波動趨勢并進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)結(jié)合云端現(xiàn)有模型或自主搭建AI模型，進(jìn)行訓(xùn)練，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的自動調(diào)節(jié)。從而逐步從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)可視和數(shù)據(jù)協(xié)同，最終達(dá)到通過數(shù)據(jù)智能決策（圖3）。

圖3 智能生產(chǎn)架構(gòu)

長城汽車智能生產(chǎn)借助企業(yè)園區(qū)云平臺，主要從供應(yīng)鏈、設(shè)備、質(zhì)量、成本、人員、園區(qū)6方面開展。供應(yīng)鏈系統(tǒng)通過將各子系統(tǒng)集成應(yīng)用（圖4），實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)計(jì)劃、采購訂單2 min自動生成并發(fā)布，并通過物流管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)報(bào)警、預(yù)警、防錯(cuò)及零部件庫存透明可視。通過搭建設(shè)備BOM，內(nèi)嵌失效庫，構(gòu)建模型，自動采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行報(bào)警及預(yù)防、預(yù)測性維護(hù)，有效降低了非計(jì)劃停機(jī)。在質(zhì)量提升方面，通過智能裝備實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量數(shù)據(jù)電子化、過程質(zhì)量數(shù)據(jù)的自動采集和實(shí)時(shí)傳遞及追溯。通過過程質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化、實(shí)時(shí)分析和作業(yè)指示，實(shí)現(xiàn)智能防錯(cuò)，提升產(chǎn)品裝備品質(zhì)。通過供應(yīng)商—工廠—客戶全業(yè)務(wù)流程的品質(zhì)閉環(huán)控制、分析和追溯，持續(xù)提升產(chǎn)品品質(zhì)。成本管控系統(tǒng)能夠自動采集生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量、能源、安全、物流數(shù)據(jù)，根據(jù)不同層級人員成本需求，融入財(cái)務(wù)算法，通過電子看板、APP等多種方式展示、監(jiān)控和異常提醒，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程成本透明，支撐快速管理決策。在人員管理方面，通過AI視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人員無感考勤，識別線體員工到崗情況并進(jìn)行人員智能作業(yè)安排。園區(qū)智能運(yùn)營中心對標(biāo)華為智慧園區(qū)方案，實(shí)現(xiàn)了安防、人員、車輛、設(shè)施、資產(chǎn)、能耗和環(huán)境綜合管控。

3.3 智能裝備

智能化工廠時(shí)代，降低人工作業(yè)強(qiáng)度、多車型共線生產(chǎn)對裝備的需求越來越高，設(shè)備的自動化、柔性化已成為生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)。設(shè)備傳統(tǒng)維修策略已成為設(shè)備運(yùn)營績效提升的瓶頸，逐漸從傳統(tǒng)的計(jì)劃維護(hù)向預(yù)防性、預(yù)測性維護(hù)轉(zhuǎn)換，史建亮[6]提出的電機(jī)預(yù)防性維護(hù)就是一個(gè)典型的例子（圖5）。在線檢測、移動質(zhì)檢逐步替代了傳統(tǒng)的人工檢驗(yàn)，在效率提升的同時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量有效得以保證。同時(shí)為了構(gòu)建綠色節(jié)能工廠，減少碳排量，設(shè)備精細(xì)化控制節(jié)能降耗也逐漸提上日程。

長城汽車在智能化生產(chǎn)制造方面，工廠的自動化程度達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。以重慶智能工廠為例，設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)已遍布4大工藝車間：通過設(shè)備健康系統(tǒng)進(jìn)行大型電機(jī)的振動檢測和溫度檢測、關(guān)鍵接觸器的次數(shù)檢測、自動下發(fā)的設(shè)備保養(yǎng)等。自動水平持續(xù)提升，以沖壓車間為例：2條大型全自動高速沖壓連續(xù)生產(chǎn)線，具備ADC（Automatic Die Change）一鍵自動換模及ATC（Automatic Tooling Change）一鍵換自動更換端拾器功能，結(jié)合沖壓板料和制件的自動出入庫，實(shí)現(xiàn)了沖壓車間的自動排產(chǎn)。同時(shí)結(jié)合不同沖壓制件所需的拉延力，實(shí)現(xiàn)了沖壓線液壓泵站電機(jī)數(shù)量按制件自動匹配開啟，依據(jù)壓力機(jī)節(jié)拍和沖壓所需拉延深度自動匹配液壓墊電機(jī)開啟數(shù)量，見表1。沖壓線可以實(shí)現(xiàn)一鍵節(jié)能，大大降低了車間生產(chǎn)能耗。其他車間自動化和智能化也達(dá)到了較高水平，焊裝車間主線自動化率達(dá)100%，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器視覺下的自動涂膠，并通過ZDT(Zero Downtime)實(shí)現(xiàn)線體零停機(jī)。涂裝車間實(shí)現(xiàn)涂膠、噴涂的自動化，采用水溶性漆結(jié)合可自然再生原料瓦楞紙板制成的紙盒進(jìn)行漆霧分離，靈活、方便、環(huán)保的涂裝工藝同時(shí)大大降低焚燒爐和吸附轉(zhuǎn)輪處理需求，涂裝工藝過程實(shí)現(xiàn)排放在線檢測，排放指標(biāo)低于當(dāng)?shù)毓?jié)能環(huán)保要求；總裝車間的SPS+AGV自動輸送系統(tǒng)結(jié)合移動質(zhì)檢，自動上線率達(dá)70%，同時(shí)基本實(shí)現(xiàn)了車間無紙化。

圖4 供應(yīng)鏈架構(gòu)

圖5 電機(jī)預(yù)防性維護(hù)步驟[6]

表1 沖壓線部分沖壓件液壓泵站電機(jī)開啟統(tǒng)計(jì)

通過開展一系列的智能化項(xiàng)目如：設(shè)備預(yù)防性維護(hù)、移動質(zhì)檢、在線自動檢測、設(shè)備精細(xì)化控制、節(jié)能環(huán)保應(yīng)用，長城汽車大大降低了設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)和設(shè)備運(yùn)行能耗，提升了人員效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)?；a(chǎn)。

4 結(jié)束語

智能設(shè)計(jì)以平臺化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和數(shù)字化工藝開發(fā)為發(fā)展方向，通過虛擬驗(yàn)證縮短開發(fā)周期、解決設(shè)計(jì)問題，提升設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品可靠性，打造數(shù)字化智能設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)。智能生產(chǎn)以信息化和智能化為發(fā)展方向，通過數(shù)據(jù)+算力+算法，優(yōu)化系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)計(jì)和運(yùn)營迭代優(yōu)化。智能裝備作為生產(chǎn)支撐，提升生產(chǎn)效率和柔性化，與智能管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化和精益化生產(chǎn)。

智能制造，任重道遠(yuǎn)。2019年全國汽車銷量持續(xù)下降，連續(xù)兩年負(fù)增長，汽車智能制造發(fā)展進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期。長城汽車智能制造基于滿足生產(chǎn)需求，持續(xù)創(chuàng)新改進(jìn)，以智能化為核心，信息化為基礎(chǔ)，數(shù)字化為手段，柔性化為方式，并將節(jié)能環(huán)保和精益改善貫穿于整個(gè)過程之中，最終尋求適合自身生產(chǎn)制造過程的QCT最佳，打造智能精益工廠。通過智能制造的實(shí)施，重慶智能化工廠人員減少120名，生產(chǎn)效率提升5%，單車能耗降低3%，品質(zhì)也有較大提升。

在今年新建的日照、泰州等工廠將融入云平臺、5G、人工智能和AR/VR等技術(shù)，同時(shí)深入開展工藝仿真，這將使長城汽車智能制造更上一層。未來長城汽車將在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等各環(huán)節(jié)開展智能制造，全方位提升自身競爭力。