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備有限公司 山東青島 266510

大批量的汽車零部件機加工，目前最高水平是：全流程機器人代替人，全自動化數控加工，具備全流程全機器人、全自動化、全網絡化及全信息化。部分免維護科技導入，單元MES執行系統導入。實現智能化制造、管理、運營。

智能化制造及企業運營智能化密切相關，在企業運營中占有主導地位，特別是汽車零部件制造工廠尤其明顯（見圖1），先進科技及時的應用包括先進數控機床、先進數控刀具、先進機器人、傳感器應用、先進高速網絡、先進AGV周轉車、先進AI視覺系統，以及先進物聯網互聯互通硬件、先進在線檢測設備（包括激光2D測量/3D測量等），還有先進清洗單元、先進包裝單元和先進RDIO管理具體見表1。

表1 智能化企業運營管理特點

圖1 智能化工廠特點

工業軟件系統包括CIMS系統、ERP系統、PLM系統、MES系統、WMS系統及SCM系統等。

工業自動化制造單元的建立

1）產品從客戶那里獲取產品相關信息包括圖樣、批量，年用量；工程技術人員對圖樣進行審圖，加工技術要求，產品批量及年用量進行分析，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，進行分析。對加工全流程工藝進行工時節拍的計算，運用本工時對瓶頸工序的設備數量核算，包括工裝夾具，包括全流程的檢測工裝進行梳理，核算項目投入。大批量年用量時，進行自動加工單元的規劃，進行整體項目投資的規劃。輸入的是產品圖樣（包括3D圖樣）及批量、年用量。導出的是單件報價及自動化制造單元整體投資預算及回報周期、回報率。

2）自動化單元主要技術是工藝方案制定，定位基準選擇，加工節拍核算，先進刀具選取，自動化夾具方案制定，單元流水線的協同流程，節拍搭配與設備產能的均衡。

3）自動化制造單元技術要素較為復雜，從毛坯開始控制方案，到毛坯上料，一直到包裝出庫，制造過程一個流，全過程自動化流轉、自動化加工、自動化制造。需要對全要素進行梳理評審，使用先進的CAD/CAE/CAM/CAPP進行產品設計、運動模擬、受力分析、CAM制造預演，節拍準確預算，加工模擬、仿真。最后經過內部技術與外部（打包方案）進行對比梳理評審，做出合理的匹配單元整體方案（見表2）。

表2 工業自動化制造單元技術要素

工藝流程及自動化數控機床的技術概要

1）工藝流程是自動加工單元的核心，需要考量的因素有：毛坯因素、機床因素、工裝夾具因素、裝夾變形因素、機床相關因素、機器人因素、測量設備因素、協同環節素、清洗環節、標識環節、去毛刺環節、終檢環節及包裝環節等。數控加工相關要素概要分，如表3所示。

表3 數控加工相關要素概要分析

2）由此決定著設備種類的選取，考量設備的規格細節，需要對設備全規格及參數進行考量，自動門、液壓站、自動坐標系建立及自動對刀系統等。包括網絡連接的網卡及接口。刀具庫數量，工位多少，工作臺是否雙工作臺。需要一一核實考量。

3）毛坯考量的主要是毛坯質量的穩定性、尺寸的穩定性和物理性能穩定性，無砂眼無氣孔，無破損，無磕碰，假如毛坯穩定性差，有必要進行粗基準的加工。做到穩定，假設毛坯氣孔的影響穩定性，有必要進行無損探傷，篩選毛坯。保證毛坯質量穩定性。在硬度方面需要考量硬度的穩定性，必要時進行熱處理就時效處理，這時在報價時需要要考量的因素。

4）刀具選擇是效率最匹配的關鍵，加工工時均衡對刀具技術要求較高，必要時定置非標刀具，節約瓶頸工序工時，降低對設備的數量需求，刀具切削參數核算時盡量按照80%核算，這樣為以后工序均衡奠定基礎。刀具技術及刀具管理是自動化加工關鍵要素。

5）夾具的考量需要運用自動化夾具，液壓夾具及氣動夾具，要保證夾具在失效時的預警及報警，夾具快速定位，定位精度；基板及定位元件、裝夾機構等的壽命，必要時嚴格按照熱處理，材料進行制造。對工裝進行定期檢測維護。

設備選型及自動化方案制定

設備選型必要時可以將自動化方案需求進行供應鏈咨詢方案，進行多家方案對比，結合目前方案進行技術評審，找出關鍵控制點，性價比與高端方案進行對比，考慮產品工程變更的預期，考慮項目完畢后設備單元線的再利用及升級（見表4）。數控加工單元分為：國內標機及非標設備自動單元，合資企業機床非標設備自動單元，日本企業機床設備自動化單元，德國（歐美）企業機床非標設備自動單元，這幾個技術等級及類別，這里德國受德國工業1.0的推動，單元科技含量高，價格基本是合資企業的2倍，是國內企業的3-4倍。國內的較為起步晚，日本德國自動化機器人單元已經幾十年經驗，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商，整體上價位與先進性是成正比。

表4 數控機床選取相關要素概要

建立5G高速云網絡及設備互聯互通

1）工業自動化制造單元完成后，進行全面的工業5G云網建設（見表5）。

表5 工業設備和工位智能化聯網管理系統方案要點

2）全面的設備互聯互通。

3）數控設備聯網一般通過網卡聯網，將PMC數據接口與DNC系統服務器進行聯網。

4）非數控設備一般采取PLC可編程程序控制器自定制自開發的系統與DNC系統服務器進行聯網。

5）選型DNC系統時需要具有多種端口的通信協議，包括RS232、RS422、TCP/IP、FTP、LPT、和PLC等在內的其他通信協議。

6）能夠提供多樣性的聯網方案（Flex、Flex/1、Flex/N、Flex/W）。

7）遠程請求功能支持RFID芯片、條形碼和二維碼。

8）與企業第三方信息化管理系統及工具軟件MRPII/ERP/PDM/CAPP/MOM /CAD/CAM等集成，并且支持Access、SQL Sever和Oracle三大開放式關系型數據庫。

9）具有獨有的后臺運行技術和Server Safe? 網絡安全技術。

10）需要提供工業級品牌并且通用性極強的高性能硬件設備，能足夠保證網絡傳輸的可靠性和穩定性。

大數據在智能化工廠的作用及分析

1）通過DNC系統或MES系統對互聯互通的數據進行采集，采集后對大數據進行實時查詢及分析，促進單元運行及企業運營的順暢及智能化。

大數據包括全單元及線設備管理全流程數據，全單元及線生產大數據，單元產品質量管理數據，單元異常及預警、報警大數據，單元線全產品檢測大數據，全單元刀具、切削液、及消耗品大數據，全單元產品工藝節拍大數據等。大數據采集促進智能化考核、決策見表6。

表6 大數據采集促進智能化考核、決策

2）運用采集查詢分析大數據，促進整個單元及企業智能化管理的數據管理，促進企業管理要素。大數據可視化調度室如圖2所示。

圖2 大數據可視化調度室

Q ：質量管理，單元制造全流程管理

C：成本管理， 對在線成本要素進行統計并大數據分析

D：交期管理，對加工產品進行在線統計大數據進行分析

S：安全管理，設備安全、產品安全數據分析，預警、預防、備案，追求零阻滯

M：士氣管理，主要通過實時的數據，對關鍵指標進行統計并考核，做到激勵有效，考核有據。

MES系統導入促進可執行制造系統的智能化。

1）工業高速云網通過互聯互通以后，具備MES系統的載體及抓手，導入制造可執行系統，進行全面的生產運營管理，如圖3所示。

圖3 智能化協同制造的總體架構

2）MES是自動化制造單元的集成，也可以將MES納入到自動化制造單元運用。把單元運行數據集成到MES系統里面，可以全面的對不同產品的自動化單元運行情況進行匯總，做到PDCA的閉環管理。

3）生產調度中心運用MES控制中心，進行全面的調度，決策，包括毛坯到成品的監督監控，隨時將數據發送到個人APP，做到云管理。

智能制造的若干關鍵技術分析

1）網絡化數字化智能制造關鍵技術分析圖，分析依據人、機、料、法、環、測信息，如圖4所示。

圖4 工業高速云網管理

2）智能化制造抓手盤點及技術分析見表7。

表7 智能化制造抓手盤點及技術分析概要

智能自動化單元與制造技術分析如圖5所示。

圖5 智能能化制造及管理

3）對先進管理系統在智能化管理系中的作用及分析，認識全面運營管理中系統化管理，系統協同之間的關系，如圖6所示。

圖6 設計管理系統協同

4）智慧倉儲系統、物流系統、物聯網的關鍵技術條碼管理、RFID的管理系統，可以將全部產品物流串聯起來，進行物聯網數據采集，如圖7所示。

圖7 智慧智能化工廠模型架構

圖8 立體智能化倉儲及RFID倉儲、流轉管理

圖9 智能倉儲系統分解

圖像識別系統及AI視覺系統在汽車零部件制造的作用

通過高科技的圖像識別系統及A I視覺系統在汽車制造領域已經大面積推廣，具有智能防錯糾錯，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視覺視覺系統已經全面在自動化生產單元使用，自動焊接單元、自動鈑金沖壓單元，自動數控加工單元等。作用梳理如下：有無檢測（數量/缺貨）；外觀檢查（異物/瑕疵/缺陷）；尺寸測量；控制工作設備的位置（機械手視覺）等，定位定準；讀取檢測刻印在金屬上的QR碼（二維碼），字符檢測/OCR；辨別變色、色差與瑕疵、失真，3D檢測（體積/高度）；校正的工時,工業用機械手和視覺系統/視覺系統系統的連接,機械手視覺；支持散裝揀選的三維機械手視覺系統；不過目前視覺系統還價格較高，并且都是德國日本產品，國產化及大面積推廣的價格尚需時日。技術已經較為成熟。

2.汽車零部件加工先進自動化單元標桿及案例

先進CIMS設計的自動化流水線單元，特斯拉差速器殼體自動化生產單元如圖10所示。

圖10 特斯拉差速器殼體自動化MAZAK生產單元片

結語

通過工業自動化汽車零部件加工單元的建立，具有自動化生產單元，集成幾個單元，具備工業自動化的企業。

1）通過全設備工業聯網、全部PC互聯互通，建立高速工業云網絡管理，采集運企業運營大數據，進行實時查詢，數據采集科學分析，對企業運行進行決策、優化、預防、創新等全運營的流程的智能管理。汽車零部件制造企業盈利能力在15%～20%，整體車企在45%以上。

2）結合CIMS/PLM/ERP/MES/DNC/WMS/SCM等先進系統的導入及運行，完成智能化公司建設。

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