汽車零部件加工工廠智能化搭建

張世君

青島寰宇乾堃航天特種設(shè)備有限公司 山東青島 266510

大批量的汽車零部件機(jī)加工，目前最高水平是：全流程機(jī)器人代替人，全自動(dòng)化數(shù)控加工，具備全流程全機(jī)器人、全自動(dòng)化、全網(wǎng)絡(luò)化及全信息化。部分免維護(hù)科技導(dǎo)入，單元MES執(zhí)行系統(tǒng)導(dǎo)入。實(shí)現(xiàn)智能化制造、管理、運(yùn)營。

智能化制造及企業(yè)運(yùn)營智能化密切相關(guān)，在企業(yè)運(yùn)營中占有主導(dǎo)地位，特別是汽車零部件制造工廠尤其明顯（見圖1），先進(jìn)科技及時(shí)的應(yīng)用包括先進(jìn)數(shù)控機(jī)床、先進(jìn)數(shù)控刀具、先進(jìn)機(jī)器人、傳感器應(yīng)用、先進(jìn)高速網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)AGV周轉(zhuǎn)車、先進(jìn)AI視覺系統(tǒng)，以及先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通硬件、先進(jìn)在線檢測(cè)設(shè)備（包括激光2D測(cè)量/3D測(cè)量等），還有先進(jìn)清洗單元、先進(jìn)包裝單元和先進(jìn)RDIO管理具體見表1。

表1 智能化企業(yè)運(yùn)營管理特點(diǎn)

圖1 智能化工廠特點(diǎn)

工業(yè)軟件系統(tǒng)包括CIMS系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、PLM系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)及SCM系統(tǒng)等。

工業(yè)自動(dòng)化制造單元的建立

1）產(chǎn)品從客戶那里獲取產(chǎn)品相關(guān)信息包括圖樣、批量，年用量；工程技術(shù)人員對(duì)圖樣進(jìn)行審圖，加工技術(shù)要求，產(chǎn)品批量及年用量進(jìn)行分析，制定工藝制造加工方案。包括毛坯的來源梳理，加工工藝流程，后處理工藝流程，包裝工藝流程，進(jìn)行分析。對(duì)加工全流程工藝進(jìn)行工時(shí)節(jié)拍的計(jì)算，運(yùn)用本工時(shí)對(duì)瓶頸工序的設(shè)備數(shù)量核算，包括工裝夾具，包括全流程的檢測(cè)工裝進(jìn)行梳理，核算項(xiàng)目投入。大批量年用量時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)加工單元的規(guī)劃，進(jìn)行整體項(xiàng)目投資的規(guī)劃。輸入的是產(chǎn)品圖樣（包括3D圖樣）及批量、年用量。導(dǎo)出的是單件報(bào)價(jià)及自動(dòng)化制造單元整體投資預(yù)算及回報(bào)周期、回報(bào)率。

2）自動(dòng)化單元主要技術(shù)是工藝方案制定，定位基準(zhǔn)選擇，加工節(jié)拍核算，先進(jìn)刀具選取，自動(dòng)化夾具方案制定，單元流水線的協(xié)同流程，節(jié)拍搭配與設(shè)備產(chǎn)能的均衡。

3）自動(dòng)化制造單元技術(shù)要素較為復(fù)雜，從毛坯開始控制方案，到毛坯上料，一直到包裝出庫，制造過程一個(gè)流，全過程自動(dòng)化流轉(zhuǎn)、自動(dòng)化加工、自動(dòng)化制造。需要對(duì)全要素進(jìn)行梳理評(píng)審，使用先進(jìn)的CAD/CAE/CAM/CAPP進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)模擬、受力分析、CAM制造預(yù)演，節(jié)拍準(zhǔn)確預(yù)算，加工模擬、仿真。最后經(jīng)過內(nèi)部技術(shù)與外部（打包方案）進(jìn)行對(duì)比梳理評(píng)審，做出合理的匹配單元整體方案（見表2）。

表2 工業(yè)自動(dòng)化制造單元技術(shù)要素

工藝流程及自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床的技術(shù)概要

1）工藝流程是自動(dòng)加工單元的核心，需要考量的因素有：毛坯因素、機(jī)床因素、工裝夾具因素、裝夾變形因素、機(jī)床相關(guān)因素、機(jī)器人因素、測(cè)量設(shè)備因素、協(xié)同環(huán)節(jié)素、清洗環(huán)節(jié)、標(biāo)識(shí)環(huán)節(jié)、去毛刺環(huán)節(jié)、終檢環(huán)節(jié)及包裝環(huán)節(jié)等。數(shù)控加工相關(guān)要素概要分，如表3所示。

表3 數(shù)控加工相關(guān)要素概要分析

2）由此決定著設(shè)備種類的選取，考量設(shè)備的規(guī)格細(xì)節(jié)，需要對(duì)設(shè)備全規(guī)格及參數(shù)進(jìn)行考量，自動(dòng)門、液壓站、自動(dòng)坐標(biāo)系建立及自動(dòng)對(duì)刀系統(tǒng)等。包括網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)卡及接口。刀具庫數(shù)量，工位多少，工作臺(tái)是否雙工作臺(tái)。需要一一核實(shí)考量。

3）毛坯考量的主要是毛坯質(zhì)量的穩(wěn)定性、尺寸的穩(wěn)定性和物理性能穩(wěn)定性，無砂眼無氣孔，無破損，無磕碰，假如毛坯穩(wěn)定性差，有必要進(jìn)行粗基準(zhǔn)的加工。做到穩(wěn)定，假設(shè)毛坯氣孔的影響穩(wěn)定性，有必要進(jìn)行無損探傷，篩選毛坯。保證毛坯質(zhì)量穩(wěn)定性。在硬度方面需要考量硬度的穩(wěn)定性，必要時(shí)進(jìn)行熱處理就時(shí)效處理，這時(shí)在報(bào)價(jià)時(shí)需要要考量的因素。

4）刀具選擇是效率最匹配的關(guān)鍵，加工工時(shí)均衡對(duì)刀具技術(shù)要求較高，必要時(shí)定置非標(biāo)刀具，節(jié)約瓶頸工序工時(shí)，降低對(duì)設(shè)備的數(shù)量需求，刀具切削參數(shù)核算時(shí)盡量按照80%核算，這樣為以后工序均衡奠定基礎(chǔ)。刀具技術(shù)及刀具管理是自動(dòng)化加工關(guān)鍵要素。

5）夾具的考量需要運(yùn)用自動(dòng)化夾具，液壓夾具及氣動(dòng)夾具，要保證夾具在失效時(shí)的預(yù)警及報(bào)警，夾具快速定位，定位精度；基板及定位元件、裝夾機(jī)構(gòu)等的壽命，必要時(shí)嚴(yán)格按照熱處理，材料進(jìn)行制造。對(duì)工裝進(jìn)行定期檢測(cè)維護(hù)。

設(shè)備選型及自動(dòng)化方案制定

設(shè)備選型必要時(shí)可以將自動(dòng)化方案需求進(jìn)行供應(yīng)鏈咨詢方案，進(jìn)行多家方案對(duì)比，結(jié)合目前方案進(jìn)行技術(shù)評(píng)審，找出關(guān)鍵控制點(diǎn)，性價(jià)比與高端方案進(jìn)行對(duì)比，考慮產(chǎn)品工程變更的預(yù)期，考慮項(xiàng)目完畢后設(shè)備單元線的再利用及升級(jí)（見表4）。數(shù)控加工單元分為：國內(nèi)標(biāo)機(jī)及非標(biāo)設(shè)備自動(dòng)單元，合資企業(yè)機(jī)床非標(biāo)設(shè)備自動(dòng)單元，日本企業(yè)機(jī)床設(shè)備自動(dòng)化單元，德國（歐美）企業(yè)機(jī)床非標(biāo)設(shè)備自動(dòng)單元，這幾個(gè)技術(shù)等級(jí)及類別，這里德國受德國工業(yè)1.0的推動(dòng)，單元科技含量高，價(jià)格基本是合資企業(yè)的2倍，是國內(nèi)企業(yè)的3-4倍。國內(nèi)的較為起步晚，日本德國自動(dòng)化機(jī)器人單元已經(jīng)幾十年經(jīng)驗(yàn)，值得信賴。高端及附加值高的汽車零部件可以選擇德國供應(yīng)商，整體上價(jià)位與先進(jìn)性是成正比。

表4 數(shù)控機(jī)床選取相關(guān)要素概要

建立5G高速云網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備互聯(lián)互通

1）工業(yè)自動(dòng)化制造單元完成后，進(jìn)行全面的工業(yè)5G云網(wǎng)建設(shè)（見表5）。

表5 工業(yè)設(shè)備和工位智能化聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)方案要點(diǎn)

2）全面的設(shè)備互聯(lián)互通。

3）數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)一般通過網(wǎng)卡聯(lián)網(wǎng)，將PMC數(shù)據(jù)接口與DNC系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

4）非數(shù)控設(shè)備一般采取PLC可編程程序控制器自定制自開發(fā)的系統(tǒng)與DNC系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

5）選型DNC系統(tǒng)時(shí)需要具有多種端口的通信協(xié)議，包括RS232、RS422、TCP/IP、FTP、LPT、和PLC等在內(nèi)的其他通信協(xié)議。

6）能夠提供多樣性的聯(lián)網(wǎng)方案（Flex、Flex/1、Flex/N、Flex/W）。

7）遠(yuǎn)程請(qǐng)求功能支持RFID芯片、條形碼和二維碼。

8）與企業(yè)第三方信息化管理系統(tǒng)及工具軟件MRPII/ERP/PDM/CAPP/MOM /CAD/CAM等集成，并且支持Access、SQL Sever和Oracle三大開放式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

9）具有獨(dú)有的后臺(tái)運(yùn)行技術(shù)和Server Safe? 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。

10）需要提供工業(yè)級(jí)品牌并且通用性極強(qiáng)的高性能硬件設(shè)備，能足夠保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

大數(shù)據(jù)在智能化工廠的作用及分析

1）通過DNC系統(tǒng)或MES系統(tǒng)對(duì)互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集后對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢及分析，促進(jìn)單元運(yùn)行及企業(yè)運(yùn)營的順暢及智能化。

大數(shù)據(jù)包括全單元及線設(shè)備管理全流程數(shù)據(jù)，全單元及線生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，單元產(chǎn)品質(zhì)量管理數(shù)據(jù)，單元異常及預(yù)警、報(bào)警大數(shù)據(jù)，單元線全產(chǎn)品檢測(cè)大數(shù)據(jù)，全單元刀具、切削液、及消耗品大數(shù)據(jù)，全單元產(chǎn)品工藝節(jié)拍大數(shù)據(jù)等。大數(shù)據(jù)采集促進(jìn)智能化考核、決策見表6。

表6 大數(shù)據(jù)采集促進(jìn)智能化考核、決策

2）運(yùn)用采集查詢分析大數(shù)據(jù)，促進(jìn)整個(gè)單元及企業(yè)智能化管理的數(shù)據(jù)管理，促進(jìn)企業(yè)管理要素。大數(shù)據(jù)可視化調(diào)度室如圖2所示。

圖2 大數(shù)據(jù)可視化調(diào)度室

Q ：質(zhì)量管理，單元制造全流程管理

C：成本管理， 對(duì)在線成本要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并大數(shù)據(jù)分析

D：交期管理，對(duì)加工產(chǎn)品進(jìn)行在線統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

S：安全管理，設(shè)備安全、產(chǎn)品安全數(shù)據(jù)分析，預(yù)警、預(yù)防、備案，追求零阻滯

M：士氣管理，主要通過實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并考核，做到激勵(lì)有效，考核有據(jù)。

MES系統(tǒng)導(dǎo)入促進(jìn)可執(zhí)行制造系統(tǒng)的智能化。

1）工業(yè)高速云網(wǎng)通過互聯(lián)互通以后，具備MES系統(tǒng)的載體及抓手，導(dǎo)入制造可執(zhí)行系統(tǒng)，進(jìn)行全面的生產(chǎn)運(yùn)營管理，如圖3所示。

圖3 智能化協(xié)同制造的總體架構(gòu)

2）MES是自動(dòng)化制造單元的集成，也可以將MES納入到自動(dòng)化制造單元運(yùn)用。把單元運(yùn)行數(shù)據(jù)集成到MES系統(tǒng)里面，可以全面的對(duì)不同產(chǎn)品的自動(dòng)化單元運(yùn)行情況進(jìn)行匯總，做到PDCA的閉環(huán)管理。

3）生產(chǎn)調(diào)度中心運(yùn)用MES控制中心，進(jìn)行全面的調(diào)度，決策，包括毛坯到成品的監(jiān)督監(jiān)控，隨時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到個(gè)人APP，做到云管理。

智能制造的若干關(guān)鍵技術(shù)分析

1）網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化智能制造關(guān)鍵技術(shù)分析圖，分析依據(jù)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)信息，如圖4所示。

圖4 工業(yè)高速云網(wǎng)管理

2）智能化制造抓手盤點(diǎn)及技術(shù)分析見表7。

表7 智能化制造抓手盤點(diǎn)及技術(shù)分析概要

智能自動(dòng)化單元與制造技術(shù)分析如圖5所示。

圖5 智能能化制造及管理

3）對(duì)先進(jìn)管理系統(tǒng)在智能化管理系中的作用及分析，認(rèn)識(shí)全面運(yùn)營管理中系統(tǒng)化管理，系統(tǒng)協(xié)同之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)協(xié)同

4）智慧倉儲(chǔ)系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)條碼管理、RFID的管理系統(tǒng)，可以將全部產(chǎn)品物流串聯(lián)起來，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集，如圖7所示。

圖7 智慧智能化工廠模型架構(gòu)

圖8 立體智能化倉儲(chǔ)及RFID倉儲(chǔ)、流轉(zhuǎn)管理

圖9 智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)分解

圖像識(shí)別系統(tǒng)及AI視覺系統(tǒng)在汽車零部件制造的作用

通過高科技的圖像識(shí)別系統(tǒng)及A I視覺系統(tǒng)在汽車制造領(lǐng)域已經(jīng)大面積推廣，具有智能防錯(cuò)糾錯(cuò)，提高判別能力，提高在制品的良品率起到具足輕重的作用。

其中，AI視覺視覺系統(tǒng)已經(jīng)全面在自動(dòng)化生產(chǎn)單元使用，自動(dòng)焊接單元、自動(dòng)鈑金沖壓單元，自動(dòng)數(shù)控加工單元等。作用梳理如下：有無檢測(cè)（數(shù)量/缺貨）；外觀檢查（異物/瑕疵/缺陷）；尺寸測(cè)量；控制工作設(shè)備的位置（機(jī)械手視覺）等，定位定準(zhǔn)；讀取檢測(cè)刻印在金屬上的QR碼（二維碼），字符檢測(cè)/OCR；辨別變色、色差與瑕疵、失真，3D檢測(cè)（體積/高度）；校正的工時(shí),工業(yè)用機(jī)械手和視覺系統(tǒng)/視覺系統(tǒng)系統(tǒng)的連接,機(jī)械手視覺；支持散裝揀選的三維機(jī)械手視覺系統(tǒng)；不過目前視覺系統(tǒng)還價(jià)格較高，并且都是德國日本產(chǎn)品，國產(chǎn)化及大面積推廣的價(jià)格尚需時(shí)日。技術(shù)已經(jīng)較為成熟。

2.汽車零部件加工先進(jìn)自動(dòng)化單元標(biāo)桿及案例

先進(jìn)CIMS設(shè)計(jì)的自動(dòng)化流水線單元，特斯拉差速器殼體自動(dòng)化生產(chǎn)單元如圖10所示。

圖10 特斯拉差速器殼體自動(dòng)化MAZAK生產(chǎn)單元片

結(jié)語

通過工業(yè)自動(dòng)化汽車零部件加工單元的建立，具有自動(dòng)化生產(chǎn)單元，集成幾個(gè)單元，具備工業(yè)自動(dòng)化的企業(yè)。

1）通過全設(shè)備工業(yè)聯(lián)網(wǎng)、全部PC互聯(lián)互通，建立高速工業(yè)云網(wǎng)絡(luò)管理，采集運(yùn)企業(yè)運(yùn)營大數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，數(shù)據(jù)采集科學(xué)分析，對(duì)企業(yè)運(yùn)行進(jìn)行決策、優(yōu)化、預(yù)防、創(chuàng)新等全運(yùn)營的流程的智能管理。汽車零部件制造企業(yè)盈利能力在15%～20%，整體車企在45%以上。

2）結(jié)合CIMS/PLM/ERP/MES/DNC/WMS/SCM等先進(jìn)系統(tǒng)的導(dǎo)入及運(yùn)行，完成智能化公司建設(shè)。

3）隨著高科技日新月異，不斷將最新科技運(yùn)用到工廠建設(shè)中來，提質(zhì)增效降本，提升國際競爭力。