涂裝智能數(shù)字化工廠方案的研制

廉迎戰(zhàn) 王偉 向德志 田宏鑫 羅聲權(quán) 曾加亮

摘要：數(shù)字化工廠作為將制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)和新一代信息技術(shù)融合的技術(shù)，給制造業(yè)帶來新的模式、技術(shù)、理念和應(yīng)用，展現(xiàn)出未來制造業(yè)發(fā)展和制造技術(shù)發(fā)展的新前景。隨著裝備涂裝對效率和穩(wěn)定性要求的不斷提高，涂裝智能化的重要性日益增加。通過對涂裝智能數(shù)字化工廠方案進(jìn)行研究，通過對涂裝智能數(shù)字化工廠總體設(shè)計，分析數(shù)字化工廠各組成部分，為涂裝智能數(shù)字化工廠提供一種可以提高涂料利用率和實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的可行性方案，實(shí)現(xiàn)涂裝產(chǎn)品的智能制造，有效提高企業(yè)的設(shè)計、研發(fā)和生產(chǎn)等方面的能力。

關(guān)鍵詞：涂裝;智能數(shù)字工廠;自動生產(chǎn)線

中圖分類號：TB49文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0157-04

Development of Intelligent Digital Factory for Painting

Lian Yingzhan1，Wang Wei2，Xiang Dezhi3，Tian Hongxin1，Luo Shengquan1，Zeng Jialiang4

（1. Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;2. AVIC Xi′an Aircraft Industry （Group） Co.， Ltd.， Xi′an 710089， China;3. Guangzhou Jiajie Machinery Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 510730， China;4. Guangzhou Yuansheng Automation Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract： Asa technology thatintegratesmanufacturing technology withdigital technology，intelligent technology，andnew-generation information technology， the digital factory brings new models， technologies， concepts and applications to the manufacturing industry， showing newprospects for thedevelopmentof manufacturingandmanufacturing technologyin the future. With thecontinuousimprovementof equipment coating requirements for efficiency and stability， the importance of intelligent coating is increasing. The coating intelligent digital factory scheme was researched， the various components of the digital factory were analyzed through the overall design of the coating intelligent digital factory， and a feasibility for the coating intelligent digital factory was provided to increase the utilization rate of coatings and realize energy conservation and environmental protection. The program realizes the intelligent manufacturing of coating products and effectively improves the company′s design， R&D， and production capabilities.

Key words： painting; smart digital factory; automatic production line

0 引言

在工信部發(fā)布的《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》中指出，智能制造是先進(jìn)制造技術(shù)、新一代信息技術(shù)和新一代人工智能等新技術(shù)深度融合形成的新型生產(chǎn)方式和制造技術(shù)。它將產(chǎn)品全生命周期價值鏈中的數(shù)字化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化作為主要內(nèi)容，將企業(yè)內(nèi)部縱向管控集成和企業(yè)外部網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同集作為次要內(nèi)容，將各生產(chǎn)系統(tǒng)及其對應(yīng)的各層級數(shù)字孿生映射融合作為基礎(chǔ)，即通過 MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)、ERP 資源計劃系統(tǒng)、 WMS倉儲系統(tǒng)以及智能化自動化等設(shè)備的互聯(lián)互通、高效協(xié)同建立起具有能夠動態(tài)感知、實(shí)時分析數(shù)據(jù)、自主進(jìn)行決策和精準(zhǔn)執(zhí)行功能的智能化工廠，進(jìn)行 CPS信息物理融合的智能生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗、高效、綠色、安全的制造和服務(wù)[1-4]。

在裝備生產(chǎn)過程主要工藝包括沖壓、焊接、裝配和涂裝。智能涂裝作為自動化作業(yè)技術(shù)通過在涂裝車間采用自動智能噴涂，可以提升效率、穩(wěn)定質(zhì)量，消除污染工位作業(yè)、提高涂料利用率和實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的價值。采用智能機(jī)器人對裝備實(shí)現(xiàn)外噴和內(nèi)噴涂料，在節(jié)約涂料、減少風(fēng)量和減少污染的同時可實(shí)現(xiàn)循環(huán)風(fēng)80%以上的應(yīng)用，使噴漆室排風(fēng)量大幅減少的同時穩(wěn)定施工參數(shù)，使得新建先進(jìn)涂裝線得以實(shí)現(xiàn)所有噴漆（包含水性漆）廢氣的全部凈化處理，該解決方案比人工噴涂解決策略的整體能耗和排放降低了60%以上。

通過面向裝備涂裝過程，利用機(jī)器人、人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)，構(gòu)建涂裝智能數(shù)字化工廠，是傳統(tǒng)制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)及新一代信息技術(shù)的融合。利用智能制造技術(shù)設(shè)計涂裝智能數(shù)字化工廠，實(shí)現(xiàn)裝備涂裝生產(chǎn)過程的標(biāo)準(zhǔn)化和自動化，提高設(shè)備的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的[5-6]。

1 總體方案設(shè)計

采用先進(jìn)、成熟、實(shí)用的開發(fā)技術(shù)，保證智能化系統(tǒng)具有極高的安全性、可靠性和容錯性。系統(tǒng)采用?？旎烷_放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)系統(tǒng)靈活組網(wǎng)、擴(kuò)展和系統(tǒng)升級的需要。同時通過系統(tǒng)集成將對不同廠家不同類型的產(chǎn)品有機(jī)的聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)資源、信息共享，提高設(shè)備的利用率，降低能耗節(jié)約能源?！巴垦b智能數(shù)字化工廠設(shè)計制造平臺”典型系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

采用成熟的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，如虛擬技術(shù)、智能化技術(shù)，滿足企業(yè)環(huán)境的產(chǎn)品全生命周期管理等，搭建涂裝智能數(shù)字化工廠制造平臺，實(shí)現(xiàn)涂裝產(chǎn)品的智能制造，有效提高企業(yè)的設(shè)計和研發(fā)、生產(chǎn)、檢測等方面的能力。

智能涂裝過程包括設(shè)計過程的智能化、涂裝過程的自動化、涂裝工藝的優(yōu)化、生產(chǎn)管理的信息化和維護(hù)服務(wù)的敏捷化、遠(yuǎn)程化等。本方案利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建一個網(wǎng)絡(luò) CPS （涂裝智能信息物理融合平臺），使得 CPS讓涂裝物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能，從而實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)涂裝生產(chǎn)過程的融合，將網(wǎng)絡(luò)空間的高級運(yùn)算能力有效運(yùn)用于涂裝生產(chǎn)過程之中，從而將在生產(chǎn)制造過程中與設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)通過傳感器采集并進(jìn)行集成和分析，形成可自律操作的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

2 數(shù)字工廠組成

涂裝智能數(shù)字化工廠制造平臺實(shí)現(xiàn)3個方面的集成。一是生產(chǎn)設(shè)備的橫向集成，包括：（1） 智能設(shè)備內(nèi)部自動化系統(tǒng)（機(jī)器人、控制器、傳感器、伺服和傳動、人機(jī)界面和智能移動終端等）的網(wǎng)絡(luò)化;（2）生產(chǎn)線上設(shè)備與設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng);（3）生產(chǎn)線和生產(chǎn)線之間、車間和車間之間、工廠和工廠之間的聯(lián)網(wǎng)，這是實(shí)現(xiàn)智能制造的物理基礎(chǔ)[7]。二是信息的縱向集成，是指主要設(shè)備互操作性和關(guān)鍵信息一致性的問題得到解決，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和軟件平臺對設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的管理，數(shù)據(jù)和信息可以自上而下的方式和自下而上的方式有效流動，從而為下一步的大數(shù)據(jù)分析和高級智能決策奠定內(nèi)容基礎(chǔ)[8-9]。三是企業(yè)價值鏈和產(chǎn)品生命周期集成，首先把設(shè)備產(chǎn)品的概念設(shè)計、創(chuàng)新研發(fā)、生產(chǎn)制造、安裝調(diào)試、運(yùn)維升級、報廢拆解直至進(jìn)入再循環(huán)的整個生命周期集成起來;其次將制造企業(yè)的需求分析、訂單獲取、物料供應(yīng)、倉儲運(yùn)輸直至售后服務(wù)的整個循環(huán)集成起來。

推動涂裝產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造能力的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和自動化，終端產(chǎn)品制造實(shí)現(xiàn)精益制造和敏捷制造，實(shí)現(xiàn)企業(yè)由資源驅(qū)動型向信息驅(qū)動型轉(zhuǎn)變[10]。

涂裝智能數(shù)字化工廠系統(tǒng)采取層次化、模塊化、冗余性等設(shè)計方式。涂裝智能數(shù)字化工廠制造平臺包括如下子系統(tǒng)：（1） 涂裝智能化制造系統(tǒng)軟件;（2）涂裝自動生產(chǎn)線;（3）配套技術(shù)設(shè)備和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊終端。

3 涂裝智能化制造系統(tǒng)軟件

融合 PLM （產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理平臺）的智能化設(shè)計制造平臺的搭建，完善涂裝企業(yè)數(shù)字化設(shè)計能力，利用涂裝產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和制造過程的標(biāo)準(zhǔn)化和自動化，解決涂裝產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計制造與 ERP 等其它企業(yè)信息系統(tǒng)的整合應(yīng)用[11]。

基于涂裝現(xiàn)場業(yè)務(wù)支持，實(shí)現(xiàn)涂裝過程數(shù)字化、可視化的監(jiān)控的軟件需求方案如圖2所示。

該方案構(gòu)建具有如下優(yōu)點(diǎn)：建立起支撐多公司、多組織、多工廠的數(shù)字化模型，滿足以后的擴(kuò)展和應(yīng)用;實(shí)現(xiàn)管理端到現(xiàn)場端縱向貫通，從計劃調(diào)度管理到現(xiàn)場設(shè)備層的互聯(lián)互通;生產(chǎn)過程的實(shí)時數(shù)據(jù)、生產(chǎn)實(shí)績，可以實(shí)現(xiàn)自動采集、轉(zhuǎn)換，并結(jié)合生產(chǎn)線實(shí)體布局，可以進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控和展示;設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)可實(shí)時采集，支持設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)及提醒預(yù)示。

4 自動化生產(chǎn)線

自動化生產(chǎn)線主要包括蒙皮和壁板吊掛生產(chǎn)線工藝流程、滑撬平鋪?zhàn)詣訃娖嵘a(chǎn)線工藝流程和金屬手動噴漆生產(chǎn)線工藝流程3種工藝類型[12-13]。

（1） 蒙皮和壁板吊掛生產(chǎn)線

蒙皮和壁板吊掛生產(chǎn)線主要包括鋼結(jié)構(gòu)平臺、遮蔽及除塵室、噴漆室（自動噴漆室/手補(bǔ)噴漆室）、流平室、油漆烘干室、強(qiáng)冷室、送風(fēng)空調(diào)（噴房循環(huán)空調(diào)）、送風(fēng)空調(diào)（除塵新風(fēng)空調(diào)/手噴房新風(fēng)空調(diào)/強(qiáng)冷新風(fēng)空調(diào)）、調(diào)漆室、潔凈間及風(fēng)淋室、積放輸送系統(tǒng)（蒙皮對噴線/收到噴漆線）11個部件構(gòu)成。蒙皮和壁板吊掛生產(chǎn)線布局如圖3所示。

（2） 滑撬平鋪?zhàn)詣訃娖嵘a(chǎn)線

滑撬平鋪?zhàn)詣由a(chǎn)線主要包括鋼結(jié)構(gòu)平臺、預(yù)熱區(qū)、除塵區(qū)、噴漆室及人工翻面室（自動噴漆室/手補(bǔ)噴漆室）、流平室、油漆烘干室、強(qiáng)冷室、送風(fēng)空調(diào)（噴房循環(huán)空調(diào)）、送風(fēng)空調(diào)（除塵新風(fēng)空調(diào)/手噴房新風(fēng)空調(diào)/強(qiáng)冷新風(fēng)空調(diào)）、調(diào)漆室、潔凈間及風(fēng)淋室、滑撬輸送系統(tǒng)12個部件構(gòu)成?；似戒?zhàn)詣由a(chǎn)線布局如圖4所示。

（3） 金屬手動噴漆生產(chǎn)線

金屬手動噴漆生產(chǎn)線主要包括除塵室、噴漆室、流平室、油漆烘干室、強(qiáng)冷室、送風(fēng)空調(diào)（除塵新風(fēng)空調(diào)/手噴房新風(fēng)空調(diào)）、潔凈間7個部件構(gòu)成。金屬手動噴漆生產(chǎn)線布局圖如圖5所示。

5 結(jié)束語

涂裝智能數(shù)字化工廠制造平臺具有以下特點(diǎn)。

（1） 具有“一核心”：該方案的核心就是智能工廠“大數(shù)據(jù)”為核心。

基于各個模塊開放的軟、硬件接口，獲取智能工廠實(shí)時“大數(shù)據(jù)”，采取共用“數(shù)據(jù)倉庫”的方式，建立智能工廠“大數(shù)據(jù)”集成平臺，為“四化”的實(shí)現(xiàn)提供支撐[14]。

（2） 具有“四化”：裝備自動化、工藝數(shù)字化、過程可視化、決策智能化。

①裝備自動化：涂裝生產(chǎn)線的設(shè)備都是采用智能控制器、智能傳感器、工業(yè)機(jī)器人、自動輸送線、AGV小車等裝備，所有裝備都具有智能控制、自動控制的能力，并且具有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的接口，為設(shè)備互聯(lián)提供基礎(chǔ)條件[15]。

②工藝數(shù)字化：設(shè)計過程采用數(shù)字化工具和技術(shù)平臺，通過無紙化傳遞，提高設(shè)計效率。同時，通過三維技術(shù)識別干涉，減少設(shè)計過程中存在的質(zhì)量問題。

③過程可視化：涂裝生產(chǎn)過程都利用可視化的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，操作人員可以方便觀察現(xiàn)場方式的一切情況。

④決策智能化：構(gòu)建企業(yè)生產(chǎn)過程大數(shù)據(jù)分析能力，使“數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)化為“洞察”，再由洞察產(chǎn)生行動，不僅要從技術(shù)上提升洞察分析能力，也要從組織、管控、能力角度同步提升，真正實(shí)現(xiàn)“感知—洞察—評估—響應(yīng)”閉環(huán)的順利運(yùn)作與循環(huán)提升。

通過在涂裝車間采用自動智能噴涂，可以提升效率、穩(wěn)定質(zhì)量，消除污染工位作業(yè)、提高涂料利用率和實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的價值。

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第一作者簡介：廉迎戰(zhàn)（1963-），男，碩士，副教授，研究領(lǐng)域為控制科學(xué)與工程，已發(fā)表論文23篇。

（編輯：刁少華）