構(gòu)建綠色低碳智能制造系統(tǒng)的對(duì)策

劉勝勇

重汽（濟(jì)南）車橋有限公司 山東濟(jì)南 250104

正高級(jí)工程師 劉勝勇

1 序言

智能制造是制造強(qiáng)國建設(shè)的主攻方向，其發(fā)展程度直接關(guān)乎我國制造業(yè)的質(zhì)量水平；綠色低碳是人與自然和諧共生的新境界，其推廣應(yīng)用直接影響CO2排放量。2021年底，工信部聯(lián)規(guī)〔2021〕207號(hào)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》通過一個(gè)融合、三個(gè)能力提升及三化持續(xù)推進(jìn)，給出制造業(yè)五年內(nèi)深入實(shí)施智能制造工程的綱領(lǐng)性要求，如圖1所示。2022年初，根據(jù)工信廳聯(lián)通裝函〔2021〕263號(hào)文公布了我國2021年度110個(gè)智能制造示范工廠和241個(gè)智能制造優(yōu)秀場(chǎng)景，工信廳節(jié)函〔2022〕7號(hào)文公布了我國2021年度673個(gè)綠色工廠。以此引領(lǐng)制造業(yè)區(qū)域性協(xié)調(diào)優(yōu)化發(fā)展，擴(kuò)大綠色低碳智能制造的覆蓋度，快步提升智能制造能力的成熟度。2021年度中國綠色工廠、智能制造示范工廠及優(yōu)秀場(chǎng)景的分布如圖2所示。

圖1 “十四五”智能制造工程實(shí)施的綱領(lǐng)性要求

圖2 2021年度中國綠色工廠、智能制造示范工廠及優(yōu)秀場(chǎng)景的分布

筆者基于智能制造的眾多規(guī)劃要求，借鑒汽車、鋼鐵、航空、機(jī)床、電子、奶業(yè)和醫(yī)藥等領(lǐng)域的智能制造優(yōu)秀場(chǎng)景建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合多年來產(chǎn)線柔性配置、資源動(dòng)態(tài)組織、產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)化、能耗數(shù)據(jù)監(jiān)控、在線監(jiān)測(cè)診斷、智能倉儲(chǔ)物流、工藝動(dòng)態(tài)調(diào)優(yōu)、精準(zhǔn)作業(yè)派工以及人機(jī)協(xié)同作業(yè)等方面的操作心得，給出智能場(chǎng)景、智能車間乃至智能工廠建設(shè)的對(duì)策。

2 七個(gè)場(chǎng)景助力綠色低碳智能制造系統(tǒng)

在創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放及共享的新發(fā)展理念下[1]，制造業(yè)的智能制造需要圍繞“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化”三化目標(biāo)持續(xù)建設(shè)，要從試點(diǎn)示范轉(zhuǎn)向推廣應(yīng)用新階段，契合勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)向中西部轉(zhuǎn)移、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)向中西部和東北地區(qū)轉(zhuǎn)移的國家戰(zhàn)略，大量采用新工藝、新裝備和新手段，廣泛采取節(jié)能環(huán)保新措施，去除工業(yè)固廢減量化痛點(diǎn)，有效控制CO2排放量，打造花園式綠色工廠。

2.1 產(chǎn)線柔性配置場(chǎng)景

在東風(fēng)小康汽車有限公司、天津信泰汽車零部件有限公司、重慶大江動(dòng)力設(shè)備制造有限公司等的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，自動(dòng)化流水生產(chǎn)線是提高生產(chǎn)效率必不可少的常見組織形式。眾多產(chǎn)線不管是單/雙列直線布置，還是L或U型布局形式，現(xiàn)都已替換為山東蒂德精機(jī)、力勁精密、日發(fā)精機(jī)、揚(yáng)州歐普、臺(tái)灣油機(jī)及臺(tái)灣瀧澤等國內(nèi)品牌的數(shù)控車床、加工中心、鏜銑中心、復(fù)合中心，增添了FANUC、ABB、KUKA、CLOOS、銘賽及新松等六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，并在EDNA等數(shù)字化系統(tǒng)和NC-Link互聯(lián)協(xié)議的輔助下[2]，成為涵蓋規(guī)劃、生產(chǎn)、監(jiān)控和服務(wù)四個(gè)階段的集成式數(shù)字化柔性制造典型應(yīng)用場(chǎng)景（見圖3）。

圖3 集成式數(shù)字化柔性制造典型應(yīng)用場(chǎng)景（赫克航空裝備智能制造生產(chǎn)線)

2.2 智能在線檢測(cè)場(chǎng)景

在上海諾雅克電氣有限公司、北京福田戴姆勒汽車有限公司、信陽同合車輪有限公司等的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，類似軸承內(nèi)外圈、滾子和保持架以及汽車輪轂、白車身等零部件會(huì)被視覺機(jī)器人識(shí)別、分類與分揀。2D視覺拍照系統(tǒng)在深度學(xué)習(xí)后，能夠高可靠性地判讀產(chǎn)品缺陷類別和異常，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)色差圖的可視化與報(bào)告[3]。3D視覺測(cè)量系統(tǒng)立足MatrixVision等平臺(tái)，輔以機(jī)器人AI控制后，能夠進(jìn)行在線或臨線的過程測(cè)量控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品100%全曲面和關(guān)鍵特征的微米級(jí)視覺測(cè)量，以及多規(guī)格差異性工件的分類、分揀。藍(lán)光測(cè)量系統(tǒng)立足雙導(dǎo)軌方案和Coreview軟件，配裝智能機(jī)器人和專用測(cè)量支架后，能夠在30min內(nèi)完成汽車白車身全尺寸的非接觸式自動(dòng)測(cè)量（見圖4），生成全車身點(diǎn)云圖，并與CAD數(shù)模理論值進(jìn)行偏差計(jì)算。此外，用戶還可增設(shè)機(jī)器人雙工位夾鉗、線內(nèi)緩沖料臺(tái)、中間姿態(tài)轉(zhuǎn)換臺(tái)、傳感器定位載體和高品質(zhì)藍(lán)光測(cè)量系統(tǒng)等裝置，用以保證整條產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍，并在快速運(yùn)行中獲得高穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果。

圖4 差異性工件分揀與汽車白車身全尺寸藍(lán)光測(cè)量

2.3 能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景

研究表明：工業(yè)生產(chǎn)是第一大碳排放源，在切削液、潤滑油、液壓油及冷媒等介質(zhì)應(yīng)用造成的碳排放中，每年近36%的CO2來自于工業(yè)生產(chǎn)排放。我國明確2030年前CO2排放量達(dá)到峰值103億噸，人均7.2噸；在2060年前，經(jīng)植樹造林、節(jié)能減排等措施實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)——抵消自身產(chǎn)生的CO2排放量。據(jù)此，在智能制造系統(tǒng)中，引入能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)手段、應(yīng)用新一代節(jié)能裝置是制造業(yè)推進(jìn)低碳綠色轉(zhuǎn)型的重要途徑。常見能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)手段見表1。新一代綠色節(jié)能裝置及特點(diǎn)見表2。

表1 常見能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)手段

表2 新一代綠色節(jié)能裝置及特點(diǎn)

2.4 資源動(dòng)態(tài)組織場(chǎng)景

不管是制造業(yè)的工廠，還是其他行業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)，以紅、藍(lán)、綠、黃顏色小人比擬的毛坯件、夾具、圖樣、訂單、刀具、機(jī)床、周轉(zhuǎn)架、成品件、工量具和輔料等各種資源俯拾皆是。伴隨工作任務(wù)的推進(jìn)，涵蓋規(guī)劃、生產(chǎn)、監(jiān)控和服務(wù)四個(gè)階段的眾多資源實(shí)時(shí)處于動(dòng)態(tài)變化中。只有憑借先進(jìn)的管理系

統(tǒng)、架設(shè)低時(shí)延的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，才能使他們?cè)诰G色低碳的智能制造系統(tǒng)中鏈接有效并發(fā)揮效能。

譬如，在MAZAK公司基于Smooth Technology技術(shù)的SPS（Smooth Process Support）智能化工廠管理系統(tǒng)（見圖5）中，Smooth CAM RS可將用戶網(wǎng)絡(luò)提報(bào)的3D CAD圖樣轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)所需的加工程序，并對(duì)程序進(jìn)行分析和優(yōu)化；Smooth Scheduler可提取Smooth軟件程序中的加工工時(shí)，經(jīng)資源推演后，據(jù)每臺(tái)機(jī)床的產(chǎn)能及訂單緊急程度進(jìn)行自動(dòng)排產(chǎn)，并將準(zhǔn)確的生產(chǎn)計(jì)劃、加工程序、工藝和作業(yè)指示等信息下發(fā)給執(zhí)行層的目標(biāo)機(jī)床；Smooth Tool Management會(huì)檢查每臺(tái)機(jī)床的刀庫狀態(tài)，預(yù)先配置生產(chǎn)所用刀具并監(jiān)控刀具壽命；Smooth Monitor對(duì)機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)信息、開動(dòng)狀態(tài)、維護(hù)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和數(shù)據(jù)采集分析，經(jīng)NC-Link協(xié)議軟件反饋給各管理者，向其呈現(xiàn)機(jī)床動(dòng)態(tài)信息和生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行進(jìn)程。

圖5 MAZAK SPS智能化工廠管理系統(tǒng)

2.5 質(zhì)量?jī)?yōu)化追溯場(chǎng)景

眾所周知，質(zhì)量是企業(yè)的生命，員工的飯碗。在機(jī)加工件尺寸波動(dòng)，影響產(chǎn)線效率；月末在制品盤點(diǎn)，在途合格件數(shù)量模糊；生產(chǎn)中不合格半成品流入下道工序，形成無效加工而浪費(fèi)生產(chǎn)資源；柔性生產(chǎn)線完工件無規(guī)律地?cái)嗬m(xù)出現(xiàn)殘次品甚至是廢品，不能經(jīng)由有效質(zhì)量手段快速、準(zhǔn)確捕捉問題癥結(jié)；投入市場(chǎng)的產(chǎn)品存在顧客投訴，因缺乏完整生產(chǎn)過程記錄而無法定位責(zé)任人……因此，綠色低碳的智能制造系統(tǒng)務(wù)必要強(qiáng)化質(zhì)量?jī)?yōu)化追溯場(chǎng)景的建設(shè)：基于一物一碼的二維碼方式，將生產(chǎn)底層的大量離散的人、機(jī)、料、法（工藝）、環(huán)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性收集與關(guān)聯(lián)，在SIGER MTS等追溯管理平臺(tái)（見圖6）上處理中間數(shù)據(jù)——工單報(bào)工、過站管理、檢驗(yàn)管理和返工返修管理等，并在管理前端形成質(zhì)量數(shù)據(jù)分析、8D報(bào)告支持和供應(yīng)渠道對(duì)比，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)過程直觀透明化、產(chǎn)品質(zhì)量全數(shù)字可追溯化的效果。

圖6 SIGER MTS追溯管理平臺(tái)

2.6 監(jiān)測(cè)診斷遠(yuǎn)程運(yùn)維場(chǎng)景

雖然智能制造系統(tǒng)已能夠經(jīng)由隨機(jī)軟件實(shí)時(shí)報(bào)告運(yùn)行工況，按設(shè)計(jì)/經(jīng)驗(yàn)周期給出維護(hù)預(yù)警[4]，但在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，常因單一機(jī)床零件老化磨損、關(guān)鍵設(shè)備部件異常損壞等痛點(diǎn)問題（見圖7），造成柔性制造線乃至智能車間的某一環(huán)節(jié)停滯，影響智能制造系統(tǒng)的效能發(fā)揮。

圖7 智能制造系統(tǒng)常發(fā)痛點(diǎn)問題

一旦瓶頸式裝備出現(xiàn)故障痛點(diǎn)，智能制造運(yùn)維隊(duì)伍就會(huì)發(fā)揮其功能：自主排故時(shí)間短，在線監(jiān)測(cè)癥結(jié)準(zhǔn)，遠(yuǎn)程診斷響應(yīng)快，維修復(fù)轉(zhuǎn)預(yù)案細(xì)，待換零件儲(chǔ)備全，修后機(jī)床精度穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量一致性強(qiáng)。這些既離不開監(jiān)測(cè)診斷遠(yuǎn)程運(yùn)維場(chǎng)景基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)下應(yīng)急維修傳遞流程（見圖8）的全面建設(shè)，又離不開人員調(diào)配、備件協(xié)同、工藝優(yōu)化、質(zhì)量反饋等資源要素基于移動(dòng)端和PC端的協(xié)同交互。

圖8 應(yīng)急維修傳遞流程

2.7 工藝動(dòng)態(tài)調(diào)優(yōu)場(chǎng)景

裝備保工藝，工藝保質(zhì)量。在綠色低碳智能制造系統(tǒng)的工藝動(dòng)態(tài)調(diào)優(yōu)場(chǎng)景中，既需要基于工藝路徑完成產(chǎn)品工序追溯與防錯(cuò)，又需要基于物料BOM完成裝配追溯與防錯(cuò)；既需要分析優(yōu)化工藝流程（如恒輪HELLER4 Performance），實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步傳輸至以太網(wǎng)并經(jīng)外部云平臺(tái)進(jìn)行評(píng)估展示，又需要主動(dòng)檢測(cè)機(jī)床主軸振動(dòng)（如Smooth Ai Spindle），經(jīng)人工智能技術(shù)優(yōu)化切削參數(shù)；既需要監(jiān)視機(jī)床溫度變化（如Ai Thermal Shield），又需要經(jīng)人工智能學(xué)習(xí)算法補(bǔ)償熱位移；既需要具備機(jī)器人快速連接功能（如FANUC CNC-QSSR），又需要兼有動(dòng)態(tài)碰撞監(jiān)測(cè)DCM功能（如海德漢TNC640），預(yù)警碰撞事故的發(fā)生可能。此外，用戶需更多采用干切技術(shù)（如重慶滾齒機(jī)YH3120CNC、南京二機(jī)插齒機(jī)YD5126CNC、寶雞虢西倒角機(jī)GYK9335、宜昌長(zhǎng)機(jī)刮齒機(jī)YK8115等），實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的綠色減材加工，通過去掉切削液相關(guān)裝置與減少CO2排放量，做到降本增效和節(jié)能減排。

3 結(jié)束語

《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》制定了2025年70%的規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，建成500個(gè)以上引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的智能制造示范工廠的目標(biāo)。新的發(fā)展理念，新的環(huán)保要求，新的市場(chǎng)格局，新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，必將產(chǎn)生新的供求關(guān)系。包括機(jī)床工具在內(nèi)的全部企業(yè)唯有快速轉(zhuǎn)型升級(jí)：以工藝、裝備為核心，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依托制造單元、車間、工廠及供應(yīng)鏈等載體，構(gòu)建虛實(shí)融合、知識(shí)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、安全高效、綠色低碳的智能制造系統(tǒng)，方可夯實(shí)企業(yè)發(fā)展壯大的基石，創(chuàng)造更多滿足市場(chǎng)剛需的具有三化特點(diǎn)的產(chǎn)品。