工業(yè)4.0 下的現(xiàn)代鑄造工廠

陳建華

（迪砂（常州）機(jī)械有限公司，上海 200051）

1 工業(yè)4.0 下現(xiàn)代鑄造工廠的建立

隨著全球制造業(yè)的飛速發(fā)展，作為制造業(yè)的重要基礎(chǔ)和主要產(chǎn)業(yè)之一的鑄造業(yè)也得到了全面提升。本文就現(xiàn)代鑄造工廠的規(guī)劃設(shè)計(jì)和智能化應(yīng)用，闡述如何建立一個(gè)具有適應(yīng)性、高資源效率等方面的智慧工廠，重點(diǎn)論述的是濕型砂機(jī)械化造型工藝的內(nèi)容。

工業(yè)4.0 旨在利用物聯(lián)信息系統(tǒng)將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息等數(shù)據(jù)化、智能化，最后達(dá)到快速、有效、個(gè)性化的產(chǎn)品供應(yīng)。所以，一個(gè)現(xiàn)代化的鑄造工廠，當(dāng)以具備順暢物流生產(chǎn)鏈、生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)化和工藝過(guò)程智慧化為建設(shè)基礎(chǔ)。

一個(gè)鑄造工廠的建設(shè)，應(yīng)該在符合環(huán)保要求的前提下，用盡可能低的成本生產(chǎn)出更多的近終形鑄件。本文不重點(diǎn)論述鑄造工廠設(shè)計(jì)中生產(chǎn)能力匹配的設(shè)備選型及生產(chǎn)節(jié)拍的穩(wěn)定等基本問(wèn)題，在這里著重講述的是，工業(yè)4.0 下鑄造工廠順暢的物流生產(chǎn)鏈與生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)化的有機(jī)融合。

鑄造工廠生產(chǎn)的鑄件產(chǎn)品，大致可分兩大類，一是純鑄件（也包含部分機(jī)加工完成后）的單一品，二是組裝成部件的半成品。對(duì)于鑄件的生產(chǎn)任務(wù)單，大致分為訂單式和庫(kù)存式，即根據(jù)市場(chǎng)訂單或庫(kù)存數(shù)量來(lái)完成鑄件的生產(chǎn)。

1.1 訂單式生產(chǎn)

訂單式生產(chǎn)，大多采用流水式物流生產(chǎn)鏈。這種性質(zhì)的鑄造工廠，生產(chǎn)任務(wù)的下達(dá)，基本取決于下游工廠的訂單，很少直接面對(duì)一級(jí)市場(chǎng)。所以工廠采用的是近零庫(kù)存生產(chǎn)模式，即根據(jù)訂單完成生產(chǎn)任務(wù)。舉個(gè)例子，當(dāng)一個(gè)任務(wù)單是生產(chǎn)10000件產(chǎn)品，那么鑄造工廠就可以根據(jù)本產(chǎn)品的通用良品率，給車間下達(dá)具體的生產(chǎn)任務(wù)。但當(dāng)鑄造車間在完成生產(chǎn)任務(wù)單時(shí)，如果出現(xiàn)由于某個(gè)單型因造型或澆注出現(xiàn)問(wèn)題影響到產(chǎn)能數(shù)時(shí)，生產(chǎn)線就可以通過(guò)人工干預(yù)自動(dòng)補(bǔ)加型數(shù)，以補(bǔ)足因生產(chǎn)缺陷造成的量缺，使生產(chǎn)任務(wù)完成。這是現(xiàn)代工廠數(shù)據(jù)化和智慧化的一個(gè)初步應(yīng)用。

1.2 庫(kù)存式生產(chǎn)

庫(kù)存式生產(chǎn)，大多采用倉(cāng)儲(chǔ)式物流生產(chǎn)鏈。如果鑄造工廠的產(chǎn)品，是相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的通用產(chǎn)品，比如各類管（附）件，工廠就可根據(jù)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量，下達(dá)全（季）年生產(chǎn)任務(wù)單，整個(gè)工廠的生產(chǎn)任務(wù)單則由中央立體倉(cāng)庫(kù)來(lái)完成。中央立體庫(kù)記錄工廠所有的產(chǎn)品信息，可根據(jù)庫(kù)存狀態(tài)自動(dòng)協(xié)調(diào)產(chǎn)品各工序的工作內(nèi)容，各生產(chǎn)工序與中央庫(kù)之間由穿梭臺(tái)車（RGV 或AGV）完成產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)。

無(wú)論采用何種生產(chǎn)方式，鑄造工廠的生產(chǎn)，應(yīng)滿足順暢的物流生產(chǎn)鏈與生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)化的有機(jī)融合?，F(xiàn)代鑄造工廠的建立和生產(chǎn)，應(yīng)盡量減少物流彎路和人工參與，實(shí)現(xiàn)鑄件不落地、產(chǎn)品信息單件化，最終實(shí)現(xiàn)智能化鑄造生產(chǎn)。

2 鑄造工廠的數(shù)據(jù)化和智能化

一個(gè)鑄造工廠鑄件的生產(chǎn)管理和產(chǎn)品管控，在工業(yè)4.0 下應(yīng)逐步建立數(shù)據(jù)化和智能化生產(chǎn)。

鑄造生產(chǎn)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，期間有物理、化學(xué)等的變化過(guò)程，參與作用的因素有很多。傳統(tǒng)的鑄造工藝生產(chǎn)，參與過(guò)程的工藝參數(shù)是一個(gè)相對(duì)寬泛的區(qū)間，同時(shí)與參與生產(chǎn)和管理人員的經(jīng)驗(yàn)作用也很大，所以我們的鑄造生產(chǎn)相對(duì)來(lái)講不是特別穩(wěn)定。畢竟人的大腦關(guān)注的生產(chǎn)要素是有限的，還有因參與管理和生產(chǎn)的人員的不同造成個(gè)性差異化，所以在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中由于某些因素的變化引起的產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)，我們未必在第一時(shí)間內(nèi)能精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)和糾偏。這時(shí)候就需要AI 智能系統(tǒng)去做大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集、顯示、分析，從而在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)啟自我學(xué)習(xí)的功能，從而發(fā)現(xiàn)和糾偏發(fā)生改變的數(shù)據(jù)，而達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的目的。

圖1 數(shù)據(jù)的收集

圖2 數(shù)據(jù)的顯示

2.1 數(shù)據(jù)的收集

對(duì)于濕型砂機(jī)械化造型鑄造工藝來(lái)說(shuō)，全方位收集五個(gè)生產(chǎn)工部（熔化，造型，砂處理，清理和制芯）的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。比如，砂處理工部，從開(kāi)箱落砂開(kāi)始：鑄件的開(kāi)箱溫度，舊砂完成落砂后的溫度、濕度等。把這些數(shù)據(jù)收集起來(lái)，并按一定的標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)然，一些數(shù)據(jù)的收集不能實(shí)時(shí)和自動(dòng)收集，如舊砂中的含泥量等，我們可以按一定的時(shí)間節(jié)拍人工收集并錄入這些數(shù)據(jù)。但更多的數(shù)據(jù)我們會(huì)通過(guò)安裝傳感器或者通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換的方式取得?？傊玛P(guān)鑄造生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)我們先收集起來(lái)。數(shù)據(jù)收集的前期需要一個(gè)過(guò)程，在數(shù)據(jù)收集3～6 個(gè)月后，會(huì)逐漸形成數(shù)據(jù)庫(kù)，然后慢慢發(fā)揮它的作用。

所有收集的數(shù)據(jù)日積月累會(huì)形成一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，參數(shù)數(shù)據(jù)間還要進(jìn)行比較、計(jì)算等數(shù)學(xué)運(yùn)算，一般我們會(huì)把數(shù)據(jù)上傳至云端，在云空間進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算。

2.2 數(shù)據(jù)的顯示

在云空間的數(shù)據(jù)是可以隨時(shí)訪問(wèn)的，但并不是所有的人都有權(quán)限訪問(wèn)所有數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)所有者可以根據(jù)使用群體類別設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限?；诰W(wǎng)頁(yè)的儀表板可實(shí)時(shí)顯示可視化數(shù)據(jù)，并可自動(dòng)生成報(bào)告。訪問(wèn)者可在有權(quán)訪問(wèn)的權(quán)限內(nèi)閱讀實(shí)時(shí)的和歷史的真實(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也會(huì)在各種數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，自動(dòng)繪制成表格、曲線等呈現(xiàn)形式，讓龐大數(shù)據(jù)直觀有效地顯示給訪問(wèn)者，讓訪問(wèn)者了解各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)未來(lái)可能狀況給出研判。數(shù)據(jù)系統(tǒng)可支持各種便攜式通訊端口，使用者可便捷地隨時(shí)了解和掌握鑄造工廠的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。

強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐，為我們的鑄造生產(chǎn)提供了有力的保障。首先人工智能識(shí)別的過(guò)程數(shù)據(jù)會(huì)和產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)之間建立起聯(lián)系，在云空間還有更加范圍寬泛和細(xì)微精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)基庫(kù)。

2.3 數(shù)據(jù)的分析

云空間數(shù)據(jù)不是簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)和顯示，它還具有分析和自我學(xué)習(xí)的功能。規(guī)?；蔫T造是以產(chǎn)品質(zhì)量為基礎(chǔ)，鑄件的良品率為最終目的的生產(chǎn)模式，只有這樣，產(chǎn)品才具有更低的制造成本和更高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。具有分析和自我學(xué)習(xí)能力的數(shù)據(jù)化AI 智能系統(tǒng)，會(huì)讓收集的數(shù)據(jù)發(fā)揮效力，他能統(tǒng)籌所有的參數(shù)數(shù)據(jù)，處理無(wú)限復(fù)雜的邏輯關(guān)系，精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)時(shí)采集的參數(shù)數(shù)據(jù)的變化及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并提出優(yōu)化整體工藝的意見(jiàn)。

這種參數(shù)數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化的原理，依據(jù)的理論基礎(chǔ)依然是我們運(yùn)用了很多年且是相對(duì)成功的鑄件形成理論，AI 數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)的參與，是對(duì)這些存儲(chǔ)起來(lái)的影響鑄造生產(chǎn)的參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較和優(yōu)化，能夠充分發(fā)揮其強(qiáng)大的分析和運(yùn)算能力。而數(shù)據(jù)基庫(kù)也是一種動(dòng)態(tài)的存在，我們生產(chǎn)中實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)也會(huì)不斷地加入其中，不斷豐富和完善數(shù)據(jù)基庫(kù)，使我們獲得的數(shù)據(jù)支持更加強(qiáng)大。

圖3 數(shù)據(jù)的分析

如圖4 示意，初工藝參數(shù)為游離在圓圈外的小點(diǎn)。

圖4 初始狀態(tài)

運(yùn)用AI 數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)，讓游離點(diǎn)逐漸優(yōu)化進(jìn)入圓圈中，如圖5 所示。

圖5 智能控制

2.4 智能控制

AI 數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)的最終目的是智能控制，從而實(shí)現(xiàn)黑燈工廠?；趶?qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)會(huì)對(duì)鑄造生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題列出最相關(guān)的所有參數(shù)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析、修正直至回歸到圓圈中。在使用的設(shè)備不具備自動(dòng)調(diào)節(jié)糾偏功能時(shí)，需要我們?nèi)斯ぽo助糾偏，如果機(jī)械設(shè)備具備糾偏功能，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)完成糾偏。舉一個(gè)例子，在混制濕型砂過(guò)程中，會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)型砂的緊實(shí)率和濕壓強(qiáng)度，一旦出現(xiàn)型砂緊實(shí)率合格但濕壓強(qiáng)度偏低，系統(tǒng)會(huì)綜合舊砂含泥量，有效粘土和死粘土的占比，砂系統(tǒng)近期補(bǔ)加新砂比例，砂型強(qiáng)度和透氣性等與之相關(guān)的參數(shù)，做出自動(dòng)糾偏調(diào)節(jié)：系統(tǒng)會(huì)下達(dá)指令調(diào)節(jié)除塵系統(tǒng)電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門，加大風(fēng)量去除更多的死灰；開(kāi)動(dòng)新砂添加系統(tǒng)補(bǔ)加新砂；調(diào)節(jié)型砂混制中粘土的配比補(bǔ)加等，讓出現(xiàn)的偏差參數(shù)趨向正常值。諸如此類鑄造生產(chǎn)中出現(xiàn)的影響鑄件質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的變化，都可以通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)糾偏。

3 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了工業(yè)4.0 下的現(xiàn)代鑄造工廠生產(chǎn)中數(shù)據(jù)化智能系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用，旨在讓鑄造生產(chǎn)的數(shù)據(jù)變?yōu)閮r(jià)值，為現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)發(fā)展提供一個(gè)思路。