電機(jī)智能制造發(fā)展現(xiàn)狀及推進(jìn)策略

于 偉， 黃先鋒， 劉建華

(1.上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063；2.江蘇大中電機(jī)股份有限公司，江蘇 靖江 214523)

0 引 言

電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)動力元件。中國自1952年J、JO系列電機(jī)的研發(fā)始，至今研發(fā)了Y、YX2、Y2、Y2-E、Y3、YX3、YE2、YE3、YE4等系列電機(jī)[1]，效率等級逐漸提高。GB 18613—2020標(biāo)準(zhǔn)將于2021年6月實(shí)施，預(yù)計(jì)YE2電機(jī)將從標(biāo)準(zhǔn)上淘汰，YE3/YE4能效電機(jī)將是電機(jī)行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品。

在電機(jī)性能和人力成本逐漸提高、傳統(tǒng)制造模式和設(shè)計(jì)的降耗提效幾乎已至極限的背景下，推進(jìn)電機(jī)智能制造、開發(fā)適合電機(jī)智能制造的新工藝是目前提高電機(jī)產(chǎn)品性能和效率的重要途徑。

國內(nèi)對電機(jī)智能制造的研究多集中在具體工序智能制造的實(shí)現(xiàn)，如趙勇[2]進(jìn)行了電機(jī)軸智能制造加工工藝研究，趙輝[3]開展了端蓋自動生產(chǎn)線研究。部分研究還集中在智能制造改進(jìn)趨勢和宏觀方向的改進(jìn)策略，例如楊吉明[4]對民營電機(jī)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的困難及政策方向進(jìn)行了分析。少有涉及輔助電機(jī)企業(yè)智能制造推進(jìn)的內(nèi)容。

本文在介紹電機(jī)制造現(xiàn)狀、智能制造推進(jìn)誤區(qū)等的基礎(chǔ)上，以江蘇大中電機(jī)股份有限公司(簡稱“江蘇大中”)的“超高效節(jié)能電機(jī)智能制造新模式應(yīng)用項(xiàng)目”(簡稱“江蘇大中項(xiàng)目”)為例，分析智能制造的推進(jìn)情況、步驟和要點(diǎn)，闡述電機(jī)智能制造優(yōu)勢，進(jìn)而為電機(jī)企業(yè)進(jìn)行智能制造整體規(guī)劃提供參考。

1 電機(jī)智能制造現(xiàn)狀

1.1 電機(jī)制造現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1.1 電機(jī)制造現(xiàn)狀

隨著電機(jī)性能和效率的提高，電機(jī)制造工藝要求逐步提高[5]。部分電機(jī)企業(yè)開始引入先進(jìn)制造設(shè)備與工藝，但覆蓋面較窄。電機(jī)行業(yè)普遍處在傳統(tǒng)制造與先進(jìn)制造并存的階段，仍屬于勞動密集型加工模式。圖1為目前電機(jī)制造企業(yè)各車間現(xiàn)狀示例，存在問題如下。

圖1 未實(shí)現(xiàn)智能制造的電機(jī)制造企業(yè)車間現(xiàn)狀

(1)電加工車間：以手工操作為主，效率低，質(zhì)量一致性難以保證[6-7]。

(2)沖剪車間：鐵心生產(chǎn)從落料至理片均采用手工操作，工藝落后，存在極大安全隱患。

(3)金加工車間：具有批量加工、轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)[8]，存在物流路線長、周轉(zhuǎn)次數(shù)多、工序倒流等缺點(diǎn)。

(4)總裝車間：物料集中配送，造成人力、物力、時間等的極大浪費(fèi)；同時安裝過程缺少專用設(shè)備，效率低，質(zhì)量一致性差[9]。

1.1.2 電機(jī)制造發(fā)展趨勢

電機(jī)市場競爭愈加激烈，多數(shù)電機(jī)廠根據(jù)自身市場定位，逐漸轉(zhuǎn)向多品種、小批量、個別規(guī)格大批量的發(fā)展模式。傳統(tǒng)的“人?！敝圃炷Ｊ揭巡荒軡M足電機(jī)質(zhì)量、產(chǎn)量、市場等需求。

推進(jìn)智能制造可在實(shí)現(xiàn)電機(jī)生產(chǎn)高質(zhì)量化、高效率化的基礎(chǔ)上，兼顧多規(guī)格、小批量的柔性化生產(chǎn)模式，幫助企業(yè)適應(yīng)市場環(huán)境，滿足生產(chǎn)需求。因此由傳統(tǒng)制造模式向智能制造轉(zhuǎn)變是電機(jī)制造發(fā)展的必然趨勢。

1.2 電機(jī)智能制造推進(jìn)情況及誤區(qū)

1.2.1 電機(jī)智能制造推進(jìn)情況

隨著中國智能制造利好政策的出臺，越來越多的企業(yè)投身到智能制造領(lǐng)域中來[10]。但是除汽車等個別行業(yè)智能制造推進(jìn)全而廣，其余行業(yè)特別是中小制造企業(yè)仍處于工業(yè)2.0(電氣化)的后期階段[11]。工業(yè)3.0(信息化)普及度較低，工業(yè)4.0(智能化)處于概念及示范階段，并未實(shí)際應(yīng)用，且推進(jìn)過程存在諸多問題[12]。

電機(jī)行業(yè)智能制造起步較晚，最早起始于2016年。隨后電機(jī)行業(yè)頭部企業(yè)逐步開始智能制造規(guī)劃，但為數(shù)眾多的中小電機(jī)企業(yè)僅進(jìn)行高端設(shè)備的購置，旨在提升單點(diǎn)自動化程度，信息化、智能化均未涉及。行業(yè)智能制造整體推進(jìn)效率低下，收效甚微。

1.2.2 電機(jī)智能制造推進(jìn)誤區(qū)

企業(yè)進(jìn)行智能制造改進(jìn)時，往往易陷入以下4個誤區(qū)。

(1)由零推整。由于產(chǎn)能、人工等問題不得不進(jìn)行自動化提升，是電機(jī)行業(yè)普遍存在的現(xiàn)象。但因改造信心、資金等因素，只進(jìn)行局部改動，推進(jìn)內(nèi)容零散、周期長，沒有統(tǒng)一系統(tǒng)規(guī)劃，導(dǎo)致改進(jìn)后的加工單元效果不理想，發(fā)揮不出智能單元應(yīng)有能力。

(2)經(jīng)驗(yàn)主義。部分企業(yè)通過走訪設(shè)備廠商、智能制造相關(guān)案例企業(yè)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)開展相關(guān)工作。拘泥于智能設(shè)備，卻沒有把握智能制造核心——精益生產(chǎn)，導(dǎo)致智能制造推進(jìn)困難。

(3)借鑒主義。復(fù)制智能制造標(biāo)桿企業(yè)設(shè)備配置，以設(shè)備為主線進(jìn)行智能制造改進(jìn)，脫離了企業(yè)現(xiàn)狀，導(dǎo)致智能設(shè)備性能無法發(fā)揮，甚至被棄用，造成浪費(fèi)。

(4)傳統(tǒng)制造思維慣性。難以跳脫出傳統(tǒng)制造模式，拘泥于常規(guī)、常見的形式，無法適應(yīng)智能制造及逐步提升的電機(jī)制造要求。

2 電機(jī)智能制造推進(jìn)策略

2.1 智能制造核心理念

智能制造包含智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，而實(shí)現(xiàn)智能制造的前提是精益生產(chǎn)[13-14]。在進(jìn)行智能制造改造時應(yīng)綜合考慮整體規(guī)劃、智能物流、設(shè)備協(xié)同等，并結(jié)合智能制造新工藝、信息化等，協(xié)調(diào)工廠各組成部分(如生產(chǎn)車間、倉庫等)的相互關(guān)系，解決廠區(qū)痛點(diǎn)，擺脫傳統(tǒng)制造現(xiàn)狀，提高制造質(zhì)量、管理水平、效率等。

2.2 智能制造推進(jìn)內(nèi)容及策略

目前國內(nèi)已有多家大型電機(jī)企業(yè)率先完成智能制造升級，如江蘇大中、臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司、山東華力電機(jī)集團(tuán)股份有限公司和蘭州電機(jī)股份有限公司等。根據(jù)相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)對智能制造項(xiàng)目推進(jìn)原則、流程、內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

電機(jī)智能制造推進(jìn)原則如下。

(1)工廠整體規(guī)劃、車間布局、物流規(guī)劃原則：滿足生產(chǎn)要求；打破各車間、各工序的生產(chǎn)孤島；物流線路短捷順直；設(shè)備布置形式合理；實(shí)行定置管理，確保工作環(huán)境整潔、安全；生產(chǎn)區(qū)域和儲存區(qū)域合理配置，充分有效地利用空間。

(2)智能制造新工藝設(shè)計(jì)原則：著眼于高效、高性能化，開發(fā)新的智能制造工藝方案，滿足高效電機(jī)的生產(chǎn)需求。

(3)產(chǎn)線設(shè)計(jì)原則：具有柔性加工功能，滿足多規(guī)格小批量、少規(guī)格大批量等產(chǎn)品加工結(jié)構(gòu)，減少換型等待時間；實(shí)現(xiàn)少人化生產(chǎn)；在制品運(yùn)動路線最短。

(4)設(shè)備開發(fā)原則：根據(jù)智能制造工藝要求，開發(fā)專用設(shè)備。

(5)信息化設(shè)計(jì)原則：關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時采集、反饋，與報警系統(tǒng)組成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)及時糾錯功能；數(shù)據(jù)采集分類化處理。

電機(jī)智能制造推進(jìn)流程如圖2所示。信息化系統(tǒng)實(shí)施流程如圖3所示。

圖2 電機(jī)智能制造推進(jìn)流程

圖3 信息化系統(tǒng)實(shí)施流程

電機(jī)智能制造推進(jìn)的主要內(nèi)容如圖4所示。

圖4 電機(jī)智能制造推進(jìn)內(nèi)容

智能制造項(xiàng)目建成后，各企業(yè)均實(shí)現(xiàn)不同程度的提升。某電機(jī)公司驗(yàn)收資料顯示指標(biāo)平均提升情況如表1所示。

表1 智能制造成果(平均值) %

3 案例分析

以江蘇大中項(xiàng)目為例，具體分析電機(jī)智能制造推進(jìn)策略。江蘇大中主要產(chǎn)品包括H80～H355的電機(jī)，具有規(guī)格多、部分批量大的特點(diǎn)。制造模式屬于傳統(tǒng)勞動密集型，信息化普及度低，效率低下，質(zhì)量不一。

江蘇大中在2016年開始進(jìn)行智能制造整體規(guī)劃，并于2019年5月18日正式建成電機(jī)數(shù)字化制造工廠。

3.1 智能制造建設(shè)情況

江蘇大中智能制造從沖壓、金加工、電加工、總裝和信息化等部分進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。推進(jìn)內(nèi)容簡述如下。

(1)智能制造整體規(guī)劃。江蘇大中智能制造整體規(guī)劃中綜合考慮：內(nèi)外部物流距離短、交叉少、連續(xù)性強(qiáng)；各車間配合緊密，前后工序連貫性強(qiáng)，擺脫制造、信息孤島。江蘇大中智能制造整體布局如圖5所示。

圖5 江蘇大中智能制造整體布局及物流流向

(2)工藝、產(chǎn)線及關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)。對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出智能制造新工藝，滿足電機(jī)高性能高精度精益生產(chǎn)要求。金加工和電加工產(chǎn)線設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 產(chǎn)線設(shè)計(jì)

在進(jìn)行金加工、電加工、總裝、沖壓產(chǎn)線設(shè)計(jì)時，以高風(fēng)險區(qū)無人化、整體加工少人化、數(shù)據(jù)采集處理實(shí)時化等為目標(biāo)，綜合考慮安全、便利、模仿人手等因素，聯(lián)合下游企業(yè)開發(fā)了滾漆設(shè)備、自動嵌線設(shè)備、沖壓機(jī)機(jī)械手和臥式壓機(jī)等電機(jī)行業(yè)專用設(shè)備。其中臥式入殼壓裝設(shè)備及工裝[15-16]如圖7所示。

圖7 臥式入殼壓裝機(jī)

(3)信息化建設(shè)。信息化建設(shè)包括綜合管理可視化系統(tǒng)、產(chǎn)品生命周期管理(PLM)系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、倉庫管理系統(tǒng)(WMS)等。打造以MES為核心，貫通PLM系統(tǒng)、WMS等系統(tǒng)和工具的精益生產(chǎn)管理平臺，提高電機(jī)生產(chǎn)管理水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)控自動化設(shè)備間的互聯(lián)互通。

3.2 取得成果

江蘇大中在解決人員老齡化、效率低、工藝落后等問題的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn)、工藝習(xí)慣、產(chǎn)能分布等，開展智能制造整體規(guī)劃。建成前后各指標(biāo)對比如表2所示。

表2 項(xiàng)目實(shí)施前后指標(biāo)及提升情況

現(xiàn)場環(huán)境和操作模式得到不同程度的改善?，F(xiàn)場環(huán)境如圖8所示。

智能制造帶來的優(yōu)勢如下。

(1)企業(yè)管理：數(shù)字化系統(tǒng)使“毛坯進(jìn)廠—制造—發(fā)貨”過程數(shù)據(jù)化、透明化，提高管理運(yùn)營和生產(chǎn)效率。現(xiàn)場5S管理，提升企業(yè)形象。

(2)持續(xù)改善：對設(shè)備加工數(shù)據(jù)、故障次數(shù)等進(jìn)行分析，現(xiàn)場工程師根據(jù)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)改善，提升生產(chǎn)流暢度。

(3)專用、自動化設(shè)備：操作人員少，加工效率高，質(zhì)量一致性好，降低人工成本。

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)電機(jī)企業(yè)在進(jìn)行智能制造改造時，應(yīng)充分結(jié)合現(xiàn)場工藝、操作習(xí)慣、產(chǎn)品特點(diǎn)等實(shí)際情況，規(guī)避推進(jìn)誤區(qū)，明確推進(jìn)目標(biāo)，制定符合自身需求的智能制造方案，進(jìn)而整體規(guī)劃、分步實(shí)施、重點(diǎn)突破。

智能制造推進(jìn)步驟及策略可概括為：(1)自身情況評估，把握制造瓶頸問題；(2)整體規(guī)劃，避免生產(chǎn)和管理孤島；(3)智能制造工藝設(shè)計(jì)，滿足電機(jī)性能要求；(4)智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)，提升自動化水平，考慮人因；(5)專用設(shè)備開發(fā)，滿足個性化要求；(6)車間具體布局，物流短捷順直；(7)針對管理痛點(diǎn)，引入信息管理系統(tǒng)。