一種智能化生產線設計方案研究

黎水平，張 青

LI Shui-ping, ZHANG Qing

（武漢理工大學 機電工程學院，武漢 430070）

0 引言

中國是全球制造大國，但近幾年陸續發生的缺工、勞資關系緊張等問題，引發了一波“制造業回流”的熱潮，如美國總統奧巴馬主動提出高階制造業回流政策，包括福特、蘋果、英特爾等已逐步將高階制造業生產線移回美國境內[1]。種種大環境促使制造業急需進行轉變，而智能化生產線可以很好的解決這些問題。

隨著新一輪科技和產業革命的到來，物聯網、云計算、大數據、人工智能等新興技術大量涌現，新產業層出不窮，尤其制造業的數字化、網絡化和智能化趨勢愈發明顯，全球制造業格局發生重大調整，我國也全面推進制造強國戰略。2015年，《中國制造2025》規劃出臺，智能制造成為主攻方向。2016年，《智能制造發展規劃（2016-2020年）》出臺，明確“十三五”期間我國智能制造的發展目標和重點任務。隨著《智能制造工程實施指南（2016-2020年）》、《國家智能制造標準體系建設指南（2015年版）》以及《中國制造2025》“1+X”規劃體系等相關政策的發布和實施，智能制造試點示范專項行動持續推進以及地方政府支持政策的逐步落實，我國企業發展智能制造的內生動力進一步激發，智能工廠、數字化車間加速建設，智能制造新模式不斷涌現[1]。

本文以鋁合金門窗智能化生產線設計分析為例，從產線功能分析、結構設計、物流系統設計及信息系統設計這四個方面，提出一種智能化生產線設計方案，為實現智能化生產線設計的規范化、流程化提供參考。

1 生產線功能分析

1.1 必要性與可行性分析

生產線必要性及可行性分析是設計智能化生產線的基礎，是決策層判斷及審定的依據，對項目是否立項起著決定性的作用。因此，企業在開始投資建設一條智能化生產線之前，必須先進行生產線的必要性與可行性分析[3]。

必要性分析說明建設智能化生產線對企業的發展是必要的。針對企業當前狀況，如生產能力不足、現有的生產條件對工人的技能要求過高、勞動條件太差、勞動強度太高等，對這些情況進行必要性分析；針對企業發展預期，隨著科技水平的進步，企業必須更新生產手段，提高企業的生產能力、提高產品生產質量，實現智能化生產，以滿足未來市場的需求，利于企業未來的發展。

確定了建線的必要性，企業也不一定能實現生產線的建設，或實現的成本太高不合算。因此，還要進行可行性分析，一般從經濟可行性、技術可行性及運行可行性三個方面進行分析，其中技術可行性是從技術層面進行分析，包括加工對象、加工工藝、生產設備、物流路線、總體布局、系統控制、生產管理等其他技術，是可行性分析的關鍵。

隨著建筑節能工作的推進，鋁合金門窗在建筑門窗市場上的使用比例有較大的提高，產能得到大規模擴張，《2018年版鋁合金門窗行業深度調研及市場前景分析報告》對此進行了全面的闡述與論證。但是國內鋁合金門窗制造業在科研、技術及研發費用上的投入與這樣的大規模需求不成正比，大部分鋁合金門窗生產設備的自動化程度較低，需要大量的工人手動操作完成，工人勞動的條件較差、勞動強度較大。因此，根據某企業的實際需求，計劃建設一條鋁合金門窗智能化生產線，這對于鋁合金門窗市場具有重大意義。

1.2 功能要求分析

設計一條智能化生產線，首先要明確該生產線所加工的產品，然后根據產品的加工工藝要求，定義該生產線的功能要求，并確定所需的技術條件，從而進行智能化生產線的設計。

智能化生產線的一般功能要求如下[4]：

1）具有自動加工功能。根據實際需要，提升系統、軟件及伺服驅動配置，實現加工自適應功能。

2）具有自動上料、定位、夾緊、下料功能。

3）具有工件自動轉移功能?？刹捎脵C械手結合主機的坐標運動實現，也可采用智能化工業機器人實現。

4）具有自動監控、檢測和干涉性運動互鎖功能。如夾緊動作是否到位、工件轉移過程的干涉規避等。

5）具有主要尺寸在線測量、自動補償、誤差分析和處理功能。

6）具有加工參數自動優化功能。根據工件狀況、設備狀況、刀具狀況、生產節拍等因素，實現加工參數的自動優化。

7）具有生產計劃自動規劃和優化功能。根據生產總計劃及生產線狀況，自動規劃、選擇相對最優的生產計劃。

8）具有與生產線上下位數據交換和處理功能，通過互聯網及相關智能化軟硬件技術，實現生產線信息化、智能化管理和控制。

9）根據實際生產狀況需要的其他智能化功能。

鋁合金門窗的制造加工是指生產工人利用鋸切設備、端面銑床、仿形銑床、沖床、鉆床等加工設備，進行鋁合金型材的上料、定位、夾緊、轉移、緩存、切割、端銑、鉆沖孔等加工，并完成相應的工裝、檢測與包裝全過程[5]。因此，鋁合金門窗智能化生產線除需具備上述一般功能要求，還需要具備加工過程中鋁屑的自動清潔功能、鋸切噪聲控制等其他功能。

1.3 功能模塊設計

根據智能化生產線的一般功能要求，將其劃分為若干個功能模塊，如圖1所示，其中左邊部分是生產線的基礎和主體，滿足生產線的功能需求；右邊部分是生產線功能的進一步提升，體現生產線的智能化加工。

2 生產線結構設計

2.1 工藝流程分析

圖1 智能化生產線功能模塊設計

根據智能化生產線的功能要求分析，確定加工產品的工藝流程。工藝流程是指在生產過程中，利用生產設備將加工產品按一定的順序進行連續的加工。首先根據產品的加工特點和技術要求，對加工方法及工藝路線進行分析，將完整的工藝流程分成若干個工序，每個功能模塊完成一道工序的加工；然后利用流程改善法ESIA/ESCRI，綜合考慮工序的集中性、合理性、選擇性及成組技術原則，簡化、合并相應工序，減少不必要的操作，最后采用新技術完成工藝流程的智能化、優化改進。

鋁合金門窗是典型的由訂單驅動的產業，屬于多品種、小批量的生產線。隨著個性化生產趨勢的流行，不同系列和結構的鋁合金門窗生產工藝存在部分差別，但總體的工藝流程基本一致，主要包括鋸切、機加工、組裝、包裝等流程。下面以鋁合金平開窗為例，其制作工藝流程如圖2所示。

圖2 鋁合金平開窗制作工藝流程

2.2 工位設計

根據加工產品的工藝流程，結合智能化設備的功能，可以進行智能化生產線的工位設計。通過分析加工產品的材料、加工內容、加工精度要求等，明確加工過程中的加工設備、工序標準、操作要求、工藝參數等內容。

其中，智能化加工設備是基礎與關鍵，對生產過程進行自動感知、智能監測、智能調控和智能維護，實現生產過程的高效、低耗、優質等目標，決定整個智能化生產線運行邏輯與策略的落地和實現。其中，自動感知是智能設備實現智能化的前提，通過嵌入各種類型的傳感器，實時采集加工過程中的各種生產數據，同時監控設備的運行狀態，實現故障預警；智能控制系統分析采集到的數據，實時調控設備的運行參數，實現自適應加工。

根據鋁合金平開窗的工藝流程，可以確定鋁合金門窗智能化生產線工位應包含上料，掃碼，鋸切加工，端銑加工（型材端面銑削榫口），鉆銑加工（排水槽、執手孔、安裝孔等孔槽加工），穿膠條，窗框拼接組裝、窗扇組角，安裝五金件，窗扇裝玻璃，成品包裝，檢驗入庫等工位，表 1列出主要工位的作業內容。對應的設備包括鋸切加工中心，端銑設備，數控鉆銑機床，穿膠條機，數控組角機，自動檢測設備，自動包裝機，柔性輸送系統，RFID掃描系統，視覺識別系統，鋁屑集中輸送系統，安全防護裝置等。

表1 鋁合金平開窗主要加工工位

2.3 布局設計

生產線布局設計主要是依據生產線的功能模塊及工藝流程，綜合考慮物料的運輸、工廠占地面積等因素，使生產線實現的功能較多、使用的設備較少、占地面積較少。合理的布局不僅可以提升場地的利用率，而且能有效地集成生產線的物料流、信息流，促進生產效率的提高。因此，生產線的布局設計非常重要。

根據工位的作業內容，合理地選擇能滿足功能需求的加工設備，然后依據主要工位設備的生產效率及產線的生產節拍要求，計算每種設備所需的數量。生產節拍的計算公式如下：

式中：t為生產節拍，min/件；T為產線每天工作時間，h；N為每日計劃完成產量，件；n為工位所需設備數量，臺；Tn為單臺設備完成工序所需的時間。

按一年252個標準工作日進行計算，生產線采用三班制，每個工作日工作24h，根據企業的生產計劃要求，鋁合金門窗生產線需要滿足N件/天的產能，鋁合金門窗智能化生產線主要工位設備信息如表2所示。

表2 鋁合金門窗智能生產線主要工位設備信息表

確定設備的類型及數量后，通過建模進行布局設計。定義以下符號：m為設備數量；n為零件數量；j為第j臺設備；fjk為物料從設備j到設備k的運輸頻率；Cjk為設備j和設備k間傳送每單位距離的運輸成本；Sj為設備j的長度；Qj為設備j的寬度；S為車間的長度；Q為車間的寬度；dxkj為設備k和設備j在X方向的最小間距；dykj為設備k和設備j在Y方向的最小間距；Xj為設備j的X軸中心坐標；Yj為設備j的Y軸中心坐標；Git為第i個零件在第t個工序的加工設備；令Git=F，Gi(t+1)=T。

設備間的物流運輸頻率用矩陣f表示為：

設備間的距離用矩陣d表示為：

設備間單位距離的物流成本用矩陣c表示為：

使設備布局模型的物流效率最高，則相應的目標函數為：

約束條件為：

通過上述模型可求出每臺設備的位置信息，按照該數據進行生產線的布局設計。

3 物流系統設計

在智能化生產線中，物流系統實現物料的輸送、工序間工件的轉移、中間儲存等過程。資料顯示，在中等批量的車間里，物料在機床上的加工時間僅占生產時間的5%，而95%的時間消耗在物流運輸及等待上。而合理的物流系統可以充分利用場地資源、減少流轉時間、優化物流路徑、提高生產效率，可見物流系統對智能化生產線的設計有很大影響。

物流系統的設計主要是對物料的輸送型式、輸送設備等做出合理安排?？紤]物流系統的規模、輸送柔性、投資等因素，選擇合適的輸送型式，常用的輸送型式有直線型、環型、網型、樹型等，其中應用較多的是環型，其次是直線型。

常見的輸送設備有輸送軌道、皮帶、輸送鏈、關節臂機器人、桁架機械手、堆垛機、物料運輸小車AGV/RGV等。其中AGV的應用較多，主要包括自動小車、車載控制系統、地面控制系統及導航系統。車載控制系統負責自動小車的驅動、導航、裝卸操作、路徑選擇等，目前主要的導航技術包括坐標導引、電磁導引、光學導引、慣性導航及GPS技術等；地面控制系統主要解決車輛管理、交通管理、通信管理等問題，是AGV系統的核心。

圖3 智能化生產線信息系統功能結構圖

在設計物流系統時，還需要考慮以下幾點[6]：

1）運輸方向應與工藝流程一致，盡量減少中間停頓、轉換環節；

2）考慮工廠的占地大小及分布方式，合理布置物料的進出；

3）綜合考慮各工序的加工時間，使物料在各工序的輸送及加工時間趨于均衡；

4）盡量使物料運輸的路程最短，減少輸送時間，不影響物料的加工；

5）物料的輸送應方便機械手的取放，使機械手在取放的過程中能更好的適應物料的姿態，避免避讓輸送設備時造成過多運動。

4 信息系統設計

智能制造的基本特征是實現生產過程和生產設備的數字化、信息化和網絡化，信息系統是智能化生產線的核心組成部分。在信息、數據實時共享的基礎上，構建中心數據庫及各專業數據子集，通過大數據分析，集成產品訂單信息、資源信息、設備信息、生產信息、質量檢測信息等，實現智能化生產過程的控制與管理。

智能化生產線信息系統包括產品生命周期管理系統PLM、企業資源計劃系統ERP、制造執行系統MES、倉儲管理系統WMS、自動化設備及過程控制系統PCS，各個部分的功能如圖3所示。

其中，MES系統是智能化生產線信息系統的核心，通過MES系統與其他系統進行連接，實現信息數據的集成與交互，提供制造數據管理、計劃排產管理、庫存管理、質量管理、現場設備管理、生產過程控制、底層數據集成、上層數據分解等管理模塊。

生產管理系統接收生產任務指令后，通過PLM系統調取制造BOM信息及工藝文件數據，依據BOM信息向ERP系統發送生產排程指令，生成生產計劃；同時，向WMS系統發出物料領取指令，生成領料計劃；MES系統將工藝文件數據、生產計劃下達至生產線中控系統[7]；中控系統根據設備的忙閑狀態及加工能力綜合決定所需的加工設備，進一步分析零件的工藝特征及設備的性能，確定設備的最佳工藝參數；同時根據實際情況向物流、刀具等系統發送相應的指令，實現智能化加工及生產任務均衡分配。

5 計算機仿真分析

搭建生產線前，首先在計算機中利用仿真軟件構建與實際生產一致的生產模型，模擬生產、控制、決策、數據處理等過程。軟件中不僅可以模擬真實生產線的運行效果，當運行出錯時，只需要在軟件中進行修改，避免實際模型設備的浪費，降低開發成本；而且通過計算機仿真，可以發現生產過程中的瓶頸問題，監控生產效率等重要性能指標[8]。因此，完成鋁合金門窗智能化生產線的上述設計后，參照其工藝結構和布局設計，利用EM-Plant軟件進行仿真分析。

根據系統的功能需要建立相應的對象類型庫，依據功能模塊劃分為若干個子模型模塊，參照生產線的工藝流程與設備布局情況，將子模型放入總模型的相應位置上，通過物料輸送子模型進行連接，完成相應屬性和邏輯策略的設置，將訂單數據輸入仿真模型中運行，基本的仿真模型如圖4所示。

圖4 鋁合金門窗智能化生產線基本模型

設置生產線各部分功能參數，使其按生產計劃要求完成每天N件的工作量。通過對仿真模型連續多個工作日的仿真，從模型的資源統計信息圖5中可以看出，該生產線部分功能模塊能保持較高的工作效率，如鋸切、數控鉆銑機加工、穿膠條等工位，而組框工位的等待空閑時間較長，可見該生產線各功能模塊負荷不是特別均衡，但能正常的按要求完成每天的工作量。如果企業的要求較高，可以進一步對該生產線進行優化。

圖5 鋁合金智能化生產線仿真信息

6 結語

隨著科技的快速發展，實現生產線智能化在加工制造業中具有越來越重要的作用。本文提出的一種智能化生產線設計方案，為智能化生產線的設計實現流程化、規范化提供了理論參考，具有非常重要的指導意義。目前，鋁合金門窗智能化生產線的設計工作正在按照此方案穩步推進，為企業的智能化升級制造打下基礎。