工業(yè)4.0 智能制造全生命周期柔性生產(chǎn)線的研發(fā)與應(yīng)用＊

任嬌

（四川城市職業(yè)學(xué)院，四川 成都610110）

1 研究現(xiàn)狀

目前中國(guó)高校在智能制造實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃和建設(shè)還處于起步階段，且主要集中在東部沿海地區(qū)的本科院校，而在以一線管理和技術(shù)人才培養(yǎng)為目標(biāo)的職業(yè)院校則還非常少見。2014 年底，同濟(jì)大學(xué)的中德工程學(xué)院和德國(guó)某科研機(jī)構(gòu)歷時(shí)一年，建成國(guó)內(nèi)首個(gè)“工業(yè)4.0—智能工廠實(shí)驗(yàn)室”，為了節(jié)省數(shù)控設(shè)備資金的投入，其產(chǎn)線省去了產(chǎn)品實(shí)際機(jī)加工這一關(guān)鍵工位，取而代之的是虛擬的產(chǎn)品加工。杭州電子科技大學(xué)隨后也提出打造基于工業(yè)4.0 的智能工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和現(xiàn)代制造業(yè)校外實(shí)踐基地。浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院近期也提出了建設(shè)智能制造實(shí)訓(xùn)基地的計(jì)劃，重點(diǎn)打造工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室、高端數(shù)控設(shè)備實(shí)訓(xùn)室等。隨著工業(yè)4.0 智能制造的發(fā)展，中國(guó)普通高校及職業(yè)院校將會(huì)大力開展相關(guān)實(shí)訓(xùn)基地、課程標(biāo)準(zhǔn)、校企合作模式的探索及實(shí)踐。以制造強(qiáng)國(guó)德國(guó)和美國(guó)為主在工業(yè)4.0 智能制造的人才培養(yǎng)和校企合作已經(jīng)步入正軌，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。瑞典SKF 與德國(guó)舍弗勒已開始運(yùn)用智能制造和智能工廠，形成了示范線和標(biāo)桿工廠；德國(guó)的亞琛工業(yè)大學(xué)與企業(yè)密切合作，已經(jīng)建立先進(jìn)的工業(yè)4.0 實(shí)驗(yàn)室；美國(guó)和德國(guó)一些大學(xué)已經(jīng)開始規(guī)劃工業(yè)4.0 的標(biāo)準(zhǔn)。

在國(guó)家的智能制造宏觀政策指導(dǎo)下，結(jié)合區(qū)域智能制造行業(yè)發(fā)展需求特點(diǎn)，本院已率先建設(shè)完成此工業(yè)4.0 智能制造全生命周期柔性生產(chǎn)線，以期推動(dòng)并支持新形勢(shì)下人工智能在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造、物流、管理、銷售、服務(wù)、運(yùn)維等產(chǎn)品全生命周期、產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的應(yīng)用。

2 研究?jī)?nèi)容

工業(yè)4.0 智能制造全生命周期柔性生產(chǎn)線的研發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱“工業(yè)4.0 智能制造產(chǎn)線”）是一條高度集真實(shí)零件加工、高層次人才智能制造教學(xué)培訓(xùn)、柔性制造、產(chǎn)品全 生命周期管理等多種人工智能功能于一體的工業(yè)4.0 智能制造產(chǎn)線。目前已搭建起智能制造平臺(tái)硬/軟件架構(gòu)，包括立庫(kù)系統(tǒng)、五軸加工中心設(shè)備、產(chǎn)線及工位裝夾設(shè)備、產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)（DoD-MES 系統(tǒng)）、基于PLM 的智能制造高層次人才培訓(xùn)系統(tǒng)（Teamcenter 平臺(tái)）、“鄰線”機(jī)床聯(lián)動(dòng)輔助系統(tǒng)6 部分。

目前已規(guī)劃出產(chǎn)線3 個(gè)發(fā)展階段：①整體功能架構(gòu)搭設(shè)階段（一期）；②深層次研發(fā)及對(duì)外經(jīng)營(yíng)階段（二期）；③強(qiáng)化科研投入及推廣應(yīng)用階段（三期）。一期可實(shí)現(xiàn)立庫(kù)毛坯/產(chǎn)品的智能存儲(chǔ)、樣品的全生命周期信息管理、虛擬仿真系統(tǒng)的試運(yùn)行等功能；二期在產(chǎn)線一期既有功能及不足基礎(chǔ)之上，聯(lián)合西門子等相關(guān)企業(yè)共同深層次研發(fā)挖掘與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)4.0 的技術(shù)差距、優(yōu)化產(chǎn)線、提高智能制造程度，同時(shí)立足龍泉汽車制造城，面向汽車制造企業(yè)開展產(chǎn)品定制化服務(wù)及人才培訓(xùn)，以此驗(yàn)證深層次技術(shù)研發(fā)效果；三期對(duì)產(chǎn)線應(yīng)用進(jìn)行深入挖掘，開發(fā)多種實(shí)訓(xùn)應(yīng)用內(nèi)容、實(shí)訓(xùn)課程以及對(duì)外培訓(xùn)課程，形成專業(yè)的校內(nèi)實(shí)訓(xùn)和校外培訓(xùn)體系，為院校、智能制造企業(yè)進(jìn)行技術(shù)服務(wù)指導(dǎo)與培訓(xùn)，將產(chǎn)線技術(shù)在業(yè)內(nèi)進(jìn)行深入推廣。

3 研究過程

3.1 產(chǎn)品加工技術(shù)路線

本項(xiàng)目主要包含兩部分，即智能制造產(chǎn)線和數(shù)字孿生技術(shù)。所采取的方法是依據(jù)渦輪增壓器實(shí)際的生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵工藝——軸和葉輪?？傮w思路：遠(yuǎn)程下單—產(chǎn)品設(shè)計(jì)—加工工藝規(guī)劃—MES 系統(tǒng)數(shù)據(jù)下發(fā)—軸和葉輪的機(jī)床加工—產(chǎn)線工藝規(guī)劃—產(chǎn)線工藝仿真—產(chǎn)線虛擬調(diào)試—智能產(chǎn)線進(jìn)行完整工藝演示—MES 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的流程。其中核心點(diǎn)在于PLM 部分（即MES 系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工軟件、工藝規(guī)劃軟件、工藝仿真軟件、虛擬調(diào)試硬件）以及和產(chǎn)線部分（包含立體倉(cāng)庫(kù)、各單位共戰(zhàn)、機(jī)器人、AGV）的集成，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境和實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境保持一致，即數(shù)字孿生。

3.2 虛擬調(diào)試技術(shù)路線

虛擬調(diào)試技術(shù)是通過在軟件里面形成一條和實(shí)際智能產(chǎn)線完全一樣的模型，在進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣信號(hào)結(jié)合的運(yùn)動(dòng)仿真后，通過虛擬仿真調(diào)試設(shè)備，讓指令通過真實(shí)PLC來操控電腦里面的產(chǎn)線模型，在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)生產(chǎn)。

4 特色創(chuàng)新

4.1 柔性制造

柔性制造可滿足產(chǎn)品個(gè)性化定制的需求，考驗(yàn)的是生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品變化時(shí)的反映能力。針對(duì)柔性制造在工業(yè)4.0 產(chǎn)線的應(yīng)用規(guī)劃分為兩步來實(shí)施。

目前，第一步已實(shí)現(xiàn)同類型產(chǎn)品的柔性制造，即不同類型、不同尺寸的渦輪增壓器可在此條新建的產(chǎn)線中加工生產(chǎn)，主要是利用產(chǎn)線中工位的工裝夾具具有柔性特征，且在整條產(chǎn)線的4 個(gè)關(guān)鍵工位投資100 多萬(wàn)分別安裝了4 臺(tái)工業(yè)機(jī)器人來進(jìn)一步適應(yīng)柔性化的要求，分別是流線系統(tǒng)的上下料單元（1 號(hào)六軸機(jī)器人）、機(jī)加工系統(tǒng)的上下料單元（2 號(hào)六軸機(jī)器人）、三坐標(biāo)測(cè)量工位（3 號(hào)測(cè)量機(jī)器人）、裝配工位（4號(hào)四軸機(jī)器人）。

柔性制造的第二步即在工業(yè)4.0 產(chǎn)線三期工程引入3D打印技術(shù)，此步可實(shí)現(xiàn)的功能不僅僅局限于相似產(chǎn)品的制造，更重要在于可實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的柔性而且快速制造。3D 打印技術(shù)的引進(jìn)可從根本上解決兩方面問題：①擴(kuò)大柔性制造的產(chǎn)品范圍；②極大地提高產(chǎn)品的加工制造效率。根據(jù)目前分析，單從加工效率上就可提高8～9 倍。后續(xù)3D 打印技術(shù)可與五軸加工中心形成并行制造系統(tǒng)，但后期生產(chǎn)應(yīng)用以3D打印技術(shù)為主，五軸加工中心為輔。

4.2 產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)

為解決個(gè)性化定制與產(chǎn)品快速交付、生產(chǎn)成本之間不可調(diào)和的矛盾等問題，智能制造生產(chǎn)線必須推進(jìn)數(shù)字化建設(shè)，將單一數(shù)據(jù)源貫穿規(guī)劃、設(shè)計(jì)、工程、生產(chǎn)直到產(chǎn)品服務(wù)的整個(gè)周期，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)端到制造端全面集成。在智能制造系統(tǒng)內(nèi)就引進(jìn)了生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)——DoD-MES 系統(tǒng)。在DoD-MES 系統(tǒng)中，通過產(chǎn)品上的RFID 標(biāo)簽可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從出生到最終報(bào)廢的全生命周期的信息管理，而且系統(tǒng)企業(yè)還可通過DoD-MES 平臺(tái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)下單，與傳統(tǒng)制造模式相比，可大大節(jié)省產(chǎn)品輔助加工時(shí)間。該工業(yè)4.0 產(chǎn)線通過在托盤上引入RFID 標(biāo)簽來記錄產(chǎn)品的全生命周期信息。

4.3 產(chǎn)品虛擬仿真系統(tǒng)

產(chǎn)品虛擬仿真系統(tǒng)主要是利用“數(shù)字化雙胞胎”技術(shù)，在Teamcenter 平臺(tái)上形成一個(gè)虛擬工廠，在產(chǎn)品進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)前對(duì)產(chǎn)品及制造過程進(jìn)行驗(yàn)證，從而確保對(duì)產(chǎn)品性能、可制造行、盈利性有充分的把握。虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用的創(chuàng)新性如下：①與企業(yè)發(fā)展技術(shù)接軌，培養(yǎng)符合企業(yè)需求有競(jìng)爭(zhēng)力的人才。隨著自動(dòng)化裝備的智能化程度要求的提高，自動(dòng)化裝備的在機(jī)械、電氣和軟件集成變得更為緊密，多學(xué)科的融合使得設(shè)計(jì)開發(fā)工作變得更加具有挑戰(zhàn)性，虛擬調(diào)試技術(shù)經(jīng)大量國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)（包括奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、特斯拉、KUKA、柯瑪、德梅珂等）實(shí)踐證明能夠最大限度縮短自動(dòng)化生產(chǎn)線裝備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，節(jié)約寶貴時(shí)間，協(xié)助將新產(chǎn)品提前上市。為迎合企業(yè)的智能高端人才需求，讓企業(yè)技術(shù)人員在虛擬工作站實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬調(diào)試，掌握學(xué)習(xí)先新技術(shù)勢(shì)在必行。②以數(shù)字化雙胞胎技術(shù)為基礎(chǔ)，承接虛擬調(diào)試（Virtual Commissioning）技術(shù)社會(huì)化培訓(xùn)、咨詢、服務(wù)外包等對(duì)外業(yè)務(wù)。由企業(yè)方派專業(yè)技術(shù)工程師進(jìn)行學(xué)生技術(shù)指導(dǎo)，除帶領(lǐng)師生對(duì)生產(chǎn)線智能裝備的虛擬調(diào)試工作外，還帶領(lǐng)學(xué)生承接企業(yè)相關(guān)的虛擬調(diào)試技術(shù)項(xiàng)目服務(wù)、技術(shù)應(yīng)用培訓(xùn)和咨詢等服務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

以一體化運(yùn)作、專業(yè)化服務(wù)為方向，整合資源、提高效率、加快轉(zhuǎn)型與提升，著力打造在智能制造領(lǐng)域具有引領(lǐng)作用的工業(yè)4.0 智能制造全生命周期柔性生產(chǎn)線應(yīng)用，以區(qū)域的汽車制造企業(yè)為基點(diǎn)，逐步輻射全國(guó)，服務(wù)中國(guó)制造企業(yè)的升級(jí)換代。