工業4.0智能工廠工藝規劃設計

姜巍

摘 要：目前世界正處在德國“工業4.0”、美國“先進制造業國家戰略計劃”、日本“科技工業聯盟”、英國“工業2050戰略”、中國的“中國制造2025”的大時代，在“一帶一路”政策的推動下，在“精益生產”和“兩化融合”運動的引導和帶動下，工業4.0智能化生產是大勢所趨，也正在一步步開展。

關鍵詞：工業4.0；智能工廠；工藝設計

中圖分類號：F424 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）23-0059-01

“工業4.0”由德國政府在2013年4月的漢諾威工業博覽會上正式推出，是德國針對制造業發展進程的不同階段給出的定義。在2013年德國聯邦教育研究部發布的《工業4.0戰略計劃實施建議》中，對不同的工業發展階段進行了定義：工業2.0是電氣化，電力驅動的機械使生產制造的規模化得到空前發展；工業3.0是自動化，電子和信息技術的大量應用，使得生產環節的自動化水平不斷提升；工業4.0是智能化，其特征是以智能工廠為核心，建立起一整套規模化、定制化的產品設計、生產及服務模式，真正實現工業由制造向“智造”的轉型升級。

1 典型智能工廠簡介

沃爾沃大慶工廠，100%采用了電動扳手，這一驅動方式的變化帶來了巨大的智能化潛力，不僅僅使得緊固效率和精度更高、緊固質量監測更精準外，該工廠出產的每一輛產品的每一個螺栓緊固數據都會獨立建檔保存，10年內可追溯出現的任何問題。再比如焊接生產線上，216臺ABB機器人的引用讓焊接自動化率超過70%，S90長軸距豪華轎車有5789個焊點，其中有4000多個焊點是由機器人自動完成焊接的。為了實現這樣的焊接水準，沃爾沃采用了自適應焊接系統，每次焊接前，設備會檢測板材的電阻情況，根據得到的板材數據自動進行調整焊接參數，保證每一個焊點都能達到一致的焊接效果，同時每個焊點也同樣可追朔出現的任何問題。不過以上具體的生產工藝，都是建立在大慶工廠的信息化系統基礎上的，工廠內大批量的智能設備要實現互通互聯，最關鍵的一點就是信息化系統與設備間的完美配合，即在面積有限的廠房內，數以萬計的生產制造設備，要通過復雜的有線、無線網絡的無縫連接。

梅賽德斯奔馳，在生產中的創新型自動化解決方案如下：使用協作機器人團隊C級后軸的新型建造和裝配概念，基于目前的技術水平，梅賽德斯奔馳與Fa.Kuka機器人公司在“裝配21”研發項目中共同開發了新型、整體的裝配概念。一方面，要為目前的人工、耗時的裝配車間找到符合現有機械化水平的解決方案。另一方面，要尋求更輕便的工件運輸解決方案，以替代目前多個傳送部件組成的固定裝配傳輸帶。目前完整的后輪由45個協同的KUKA機器人（也就是相互聯網的共同工作系統）裝配完成。直到工序最后，軸承才會放置到由12個人工工作臺組成的連續運轉轉車臺上，以完成具有各種變化的配件產品。在中性的轉車臺上，所有工序得以匯總，這保證的裝備無需改變裝配節奏或工作內容即可應對數量要求變化的高度靈活性。一個機器人組合包括至多六個機器人，體現了極高的協作效益。

2 軌道交通企業特點

軌道交通產品整車組裝工序的工序和部件制造工序都是比較多的，相對于汽車制造最終組裝約70道工序400多個部件來說，都呈現了數量級的增長，工序和部件的增多勢必帶來工位、節拍、物流和信息化的高度復雜化。另外作為組裝平臺的車體，基本尺寸基本在18-30米，重量達15-30噸，如此的龐然大物如果實現頻繁移動，在設備、空間和安全上均對成本和管理提出了過高的挑戰。

3 智能生產線工藝規劃設計

在工廠的生產全流程相關業務中，工藝工作處于基礎與先導地位。工藝決定了產品的生產流程，從而影響了工廠的布局、運行方式和生產組織方式，這些因素共同決定了產品的生產效率和質量。智能制造生產線的設計基礎是進線零件的加工工藝設計，工藝設計應先行開展，并要經過充分討論。

智能化生產線的開展步驟通常是：（1）工藝規劃、車間布局等頂層總體設計；（2）智能化設備的選型，物流、倉儲、機器人選型，硬件建設；（3）系統控制接口、物聯網建設，運行控制軟件設計開發；（4）系統集成、聯調。

可以看出，智能制造的加工工藝技術是智能制造生產線頂層總體設計的基礎，是智能制造生產線設計首先要開展的，它決定了生產線中最重要也是投資最大的硬件，即加工設備的選型，也是智能制造生產線調度、運行控制的決策依據，是決定智能制造生產線的節拍、工藝流程、產品質量的關鍵技術（王文理，康永峰，2016）。如果說設備是工廠的肌肉骨骼，傳感器和網絡是工廠的血管神經，那么工藝則是工廠的靈魂。

智能化生產線建設過程中工藝工作應著重從以下五個方面進行：（1）優化現有工藝工作流程，實行工藝標準化，推廣工藝精益化，研究工藝穩健化。無論是傳統生產方式還是工業4.0環境下的智能工廠，都需要有精益穩定的制造工藝，這也是解決效率和質量問題的根本途徑。所謂智能工廠的“智能”是技術人員將一系列的判斷因素、思考邏輯，根據具體的業務流程進行提煉而形成的，還無法與人類的智慧相提并論。因此，其對制造工藝的要求比傳統的生產方式要高很多，不完善的工藝在目前的狀況下只會導致我們的生產效率低下、產品質量不穩定，但在工業4.0環境下，不穩定的工藝規程則會出現預測外錯誤，使智能工endprint