工業4.0 智能制造全生命周期柔性生產線的研發與應用＊

任嬌

（四川城市職業學院，四川 成都610110）

1 研究現狀

目前中國高校在智能制造實驗室的規劃和建設還處于起步階段，且主要集中在東部沿海地區的本科院校，而在以一線管理和技術人才培養為目標的職業院校則還非常少見。2014 年底，同濟大學的中德工程學院和德國某科研機構歷時一年，建成國內首個“工業4.0—智能工廠實驗室”，為了節省數控設備資金的投入，其產線省去了產品實際機加工這一關鍵工位，取而代之的是虛擬的產品加工。杭州電子科技大學隨后也提出打造基于工業4.0 的智能工廠實驗平臺和現代制造業校外實踐基地。浙江機電職業技術學院近期也提出了建設智能制造實訓基地的計劃，重點打造工業機器人實訓室、高端數控設備實訓室等。隨著工業4.0 智能制造的發展，中國普通高校及職業院校將會大力開展相關實訓基地、課程標準、校企合作模式的探索及實踐。以制造強國德國和美國為主在工業4.0 智能制造的人才培養和校企合作已經步入正軌，相關經驗值得借鑒。瑞典SKF 與德國舍弗勒已開始運用智能制造和智能工廠，形成了示范線和標桿工廠；德國的亞琛工業大學與企業密切合作，已經建立先進的工業4.0 實驗室；美國和德國一些大學已經開始規劃工業4.0 的標準。

在國家的智能制造宏觀政策指導下，結合區域智能制造行業發展需求特點，本院已率先建設完成此工業4.0 智能制造全生命周期柔性生產線，以期推動并支持新形勢下人工智能在工業產品設計、工藝、制造、物流、管理、銷售、服務、運維等產品全生命周期、產業鏈各環節的應用。

2 研究內容

工業4.0 智能制造全生命周期柔性生產線的研發與應用項目（簡稱“工業4.0 智能制造產線”）是一條高度集真實零件加工、高層次人才智能制造教學培訓、柔性制造、產品全 生命周期管理等多種人工智能功能于一體的工業4.0 智能制造產線。目前已搭建起智能制造平臺硬/軟件架構，包括立庫系統、五軸加工中心設備、產線及工位裝夾設備、產品全生命周期管理系統（DoD-MES 系統）、基于PLM 的智能制造高層次人才培訓系統（Teamcenter 平臺）、“鄰線”機床聯動輔助系統6 部分。

目前已規劃出產線3 個發展階段：①整體功能架構搭設階段（一期）；②深層次研發及對外經營階段（二期）；③強化科研投入及推廣應用階段（三期）。一期可實現立庫毛坯/產品的智能存儲、樣品的全生命周期信息管理、虛擬仿真系統的試運行等功能；二期在產線一期既有功能及不足基礎之上，聯合西門子等相關企業共同深層次研發挖掘與標準工業4.0 的技術差距、優化產線、提高智能制造程度，同時立足龍泉汽車制造城，面向汽車制造企業開展產品定制化服務及人才培訓，以此驗證深層次技術研發效果；三期對產線應用進行深入挖掘，開發多種實訓應用內容、實訓課程以及對外培訓課程，形成專業的校內實訓和校外培訓體系，為院校、智能制造企業進行技術服務指導與培訓，將產線技術在業內進行深入推廣。

3 研究過程

3.1 產品加工技術路線

本項目主要包含兩部分，即智能制造產線和數字孿生技術。所采取的方法是依據渦輪增壓器實際的生產工藝的關鍵工藝——軸和葉輪。總體思路：遠程下單—產品設計—加工工藝規劃—MES 系統數據下發—軸和葉輪的機床加工—產線工藝規劃—產線工藝仿真—產線虛擬調試—智能產線進行完整工藝演示—MES 系統數據采集與監控的流程。其中核心點在于PLM 部分（即MES 系統、數據管理系統、產品設計和加工軟件、工藝規劃軟件、工藝仿真軟件、虛擬調試硬件）以及和產線部分（包含立體倉庫、各單位共戰、機器人、AGV）的集成，實現虛擬環境和實際生產環境保持一致，即數字孿生。

3.2 虛擬調試技術路線

虛擬調試技術是通過在軟件里面形成一條和實際智能產線完全一樣的模型，在進行了機械結構與電氣信號結合的運動仿真后，通過虛擬仿真調試設備，讓指令通過真實PLC來操控電腦里面的產線模型，在虛擬環境中模擬真實生產。

4 特色創新

4.1 柔性制造

柔性制造可滿足產品個性化定制的需求，考驗的是生產系統對產品變化時的反映能力。針對柔性制造在工業4.0 產線的應用規劃分為兩步來實施。

目前，第一步已實現同類型產品的柔性制造，即不同類型、不同尺寸的渦輪增壓器可在此條新建的產線中加工生產，主要是利用產線中工位的工裝夾具具有柔性特征，且在整條產線的4 個關鍵工位投資100 多萬分別安裝了4 臺工業機器人來進一步適應柔性化的要求，分別是流線系統的上下料單元（1 號六軸機器人）、機加工系統的上下料單元（2 號六軸機器人）、三坐標測量工位（3 號測量機器人）、裝配工位（4號四軸機器人）。

柔性制造的第二步即在工業4.0 產線三期工程引入3D打印技術，此步可實現的功能不僅僅局限于相似產品的制造，更重要在于可實現不同產品的柔性而且快速制造。3D 打印技術的引進可從根本上解決兩方面問題：①擴大柔性制造的產品范圍；②極大地提高產品的加工制造效率。根據目前分析，單從加工效率上就可提高8～9 倍。后續3D 打印技術可與五軸加工中心形成并行制造系統，但后期生產應用以3D打印技術為主，五軸加工中心為輔。

4.2 產品全生命周期管理系統

為解決個性化定制與產品快速交付、生產成本之間不可調和的矛盾等問題，智能制造生產線必須推進數字化建設，將單一數據源貫穿規劃、設計、工程、生產直到產品服務的整個周期，實現從設計端到制造端全面集成。在智能制造系統內就引進了生產制造執行系統——DoD-MES 系統。在DoD-MES 系統中，通過產品上的RFID 標簽可實現產品從出生到最終報廢的全生命周期的信息管理，而且系統企業還可通過DoD-MES 平臺對產品進行實時下單，與傳統制造模式相比，可大大節省產品輔助加工時間。該工業4.0 產線通過在托盤上引入RFID 標簽來記錄產品的全生命周期信息。

4.3 產品虛擬仿真系統

產品虛擬仿真系統主要是利用“數字化雙胞胎”技術，在Teamcenter 平臺上形成一個虛擬工廠，在產品進入實際生產前對產品及制造過程進行驗證，從而確保對產品性能、可制造行、盈利性有充分的把握。虛擬仿真系統應用的創新性如下：①與企業發展技術接軌，培養符合企業需求有競爭力的人才。隨著自動化裝備的智能化程度要求的提高，自動化裝備的在機械、電氣和軟件集成變得更為緊密，多學科的融合使得設計開發工作變得更加具有挑戰性，虛擬調試技術經大量國內外知名企業（包括奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、特斯拉、KUKA、柯瑪、德梅珂等）實踐證明能夠最大限度縮短自動化生產線裝備現場調試時間，節約寶貴時間，協助將新產品提前上市。為迎合企業的智能高端人才需求，讓企業技術人員在虛擬工作站實訓系統中進行虛擬調試，掌握學習先新技術勢在必行。②以數字化雙胞胎技術為基礎，承接虛擬調試（Virtual Commissioning）技術社會化培訓、咨詢、服務外包等對外業務。由企業方派專業技術工程師進行學生技術指導，除帶領師生對生產線智能裝備的虛擬調試工作外，還帶領學生承接企業相關的虛擬調試技術項目服務、技術應用培訓和咨詢等服務。

5 結語

以一體化運作、專業化服務為方向，整合資源、提高效率、加快轉型與提升，著力打造在智能制造領域具有引領作用的工業4.0 智能制造全生命周期柔性生產線應用，以區域的汽車制造企業為基點，逐步輻射全國，服務中國制造企業的升級換代。