工业40下智能制造的思考

1、工业4.0下智能制造的思考【论文摘要】智能化制造是我国制造业发展的趋势。工程机械行业是为国家基 础建设提供技术装备的战略性产业，同时也是装备制造业中最重要的 子行业，属于国家重点鼓励发展的领域之一，其制造技术的发展能够 充分带动装备制造业产业升级和技术进步，是国家综合实力的集中体 现。同时，工程机械面对市场经济、参与全球竞争，先进的制造技术 已成为企业的核心竞争力。在全球科技革命的大背景下，德国提出的工业4.0正在成为引领 工业化发展的新趋势，“工业4.0”是以智能制造为主导的第四次工 业革命，或革命性的生产方法，与中国政府大力提倡的新型工业化不 谋而合。装备制造业是国家的战略产业，而神九又是

2、装备制造业的龙头企 业，做大做强中国制造业是神九肩负的历史使命。运用信息技术对制 造业进行升级，建立先进的制造和管理系统，通过智能化的设备参与 高端市场竞争，则是神九赢得市场竞争的不二法门。关键词：工业4.0信息技术智能制造一、问题界定工程机械行业是一个多品种、中批量、按订单生产的离散型的技 术密集型产业，它的生产兼具大规模流水线制造与个性化定制的特 点。每种产品都有一定的销量，但又不是很大；有些产品需要特别定 制，但模块化的程度又不高。在汽车行业中，一个工厂一年达到10 万台的生产量只需要生产两三个型号，而在工程机械行业，可能需要 生产几十甚至上百种型号的产品。这样一来，从物料管理、生产安排

3、、 物流仓储，对管理能力的要求非常高，管理难度成几何级上升。另外， 汽车行业已经形成了非常完善的产业链体系，工厂只需要将精力集中 到设计和组装这一块，零部件交由下游企业来负责。但在工程机械行 业，产业链的分工还没完全形成，企业不仅要生产整机，还要管理零 部件研发制造，监督、引导合作的外协厂商。由此，工程机械生产制 造的管理难度大是天生的，不管是纵向还是横向难度都很大。中国是制造大国，如今国内外形势变化，加上劳动力成本上升， 中国工程机械行业转型升级迫在眉睫。在工业4.0状态下的工程机械 龙头企业的神九，如何应用智能化制造技术提升企业竞争力已成为当 务之急。二、现状分析据今日工程机械杂志等权威机

4、构对国内工程机械行业智能化 制造水平的全面调研和评估，国内工程机械行业中超过25%的企业处 于智能化制造的未起步建设阶段，43%的企业处于智能化制造的单项 覆盖阶段，22%的企业处于智能化制造的集成提升初期阶段或过渡阶段，只有不足10%的企业处于智能化制造技术较全面突破性应用阶段。国内工程机械行业智能化制造技术应用存在以下两大主要问题：制造装备自动化程度不高。西方发达国家都沿袭机械化、 电气化、自动化的历程。而中国是赶超型工业，工业自动化平均水平 严重偏低。制造过程信息化水平不高。许多企业的信息化系统效果发 挥不出来，没能有效集成提升将制造执行系统（EMS）与经营管理系 统（ERP）整合，智能

5、化缺少基础。“十二五”规划对工程机械行业的发展提出了更高的要求，柔性 化生产、自动化、数字化等为基础的智能化制造将成为行业的新标准。 据工程机械周刊预计，2015年我国工程机械行业固定资产投资 达1000亿元，其中智能化制造方面的投入将高达300亿元。（见图1）囹卸扼国_|_程机栩仃业固在费产变莞卷面对工程机械行业整体增速放缓，作为行业领军企业的神九集团 锐意创新，着眼于构建一个领先于全球工程机械行业的流程信息体 系，以支持神九集团在新行业环境下的转型升级，提升在国际市场中 的竞争优势，并驱动未来的商业创新。在工业4.0概念提出来之前，神九一直把智能化制造作为神九制 造领域的一个核心竞争力。本

6、着朴素的智能化制造的概念，神九集团 已经打造智能机械行业第一个智能化工厂的样板。这个工厂是从ERP 到设备端的控制以及一体仓库和自动化的物流，包括物流的跟踪及虚 拟化装配等，都已经集成在一起。但如何更加全面的将智能化落到实 处，同时形成行业示范效应，是一个需要思考的问题。三、目标收益针对工程机械这个典型行业在面对国内市场国际化竞争的残酷 局面和新技术、新工艺的挑战中求得生存和发展，在工业4.0环境下， 通过智能化制造可以解决企业面临的TQCS难题，即以最快的上市速 度（T），最好的质量（Q），最低的成本（C），最优的服务（S），来满 足不同顾客的需求。智能化制造将带来以下三个方面的收益：智能化

7、制造能提高经济效益。一是生产效率得到提升，主要产品生产周期将大大缩短；二是产 品质量得到提升。由于智能化系统的高进度与稳定性，避免了人工操 作的随意性，将极大提高产品质量；三是可以使生产成本降低。由于 生产过程各类参数稳定可控，各类生产材料的用量可实现定额精准， 有效降低了生产成本。同时大量机器人替代人工，有效降低了运行的 人工成本。综合效益-环境与职业健康保护。大量采用智能化设备尤其是机器人设备具有相当大的环境效益， 员工的职业健康保护将有极大改善。切割与焊接全部带有除尘设备， 生产现场环境大为改善。喷涂工序实现无人化操作，避免职业伤害。综合效益行业示范效应。神九集团智能化制造的推广应用，不

8、仅将带动神九集团自身工 艺技术装备和制造能力的提升，也进一步引领工程机械行业制造技术 的发展方向，具有明显的辐射和示范作用，将极大提升中国工程机械 产品的国际化竞争能力。四、解决方案下面将从以下三个方面阐述神九集团在智能化制造方面的一些 思路：生产准备的智能化-虚拟排产；生产过程的智能化-自动无 人化生产；生产管理的智能化-信息化平台。生产准备的智能化生产仿真进行虚拟生产。全面运用计算机生产仿真技术对生产计划进行全生产过程的虚 拟制造，并根据生产仿真运行的结果对生产计划进行相应调整，确保 整个生产过程各个环节的均衡和高效，以实现最低的生产成本和最高 的生产效率。数字化设计进行投产准备。利用工件

9、3D模型等相关信息和表面三维特征等信息数据，通过 轨迹规划仿真、离线编程技术，可自动输出机器人直接用来焊接作业 的程序文件，缩短投产准备期，同时提高设备有效利用率和减少编程 工作量(图2)。囹2仿真轨迹规划及高编蝙程生产过程的智能化自动化、无人化生产过程：整个制造的过程从切割成型焊接-喷涂-物流配送全面实现。1）切割加工过程自动化。精细等离子切割工业机器人，具有运动精度高、重复定位精度高， 动态过程自动检测，具有离线编程、路径规划、系统仿真功能；并带 有切割工艺数据库，可实现与生产过程信息、质量信息和数字化车间 管理系统无缝连接功能（图3）。2)自动套排料及切割机联网管理。其中包括：实现导入生

10、产 订单，动态自动排料，对程序实现规范化编制，规范化存储，规范化 管理；采集设备利用状态信息，设备生产活动时间。提供远程监测手 段；统计、分析、测评数控设备利用效率，自动计算，生产报告等（图 4）。图4联网管理4）焊接过程数字化设计-形成自动化生产线。自动生产线有计 算机控制系统、转运仓库、物流系统、自动上下料系统、多台机器人 焊接系统等组成；实现焊接生产线的自动化。5）柔性激光切割生产线。柔性激光切割线由计算机CAD/CAM 编程系统、立体仓库、物流系统、自动上下料系统、多台平面激光切 割机系统、成品分拣系统组成；其中，生产线自动化实现了从上料、 切割、到分拣成品全过程的无人化自动操作；切割

11、程序自动化实现了 切割程序网络传输自动化，订单自动分配、自动报工；切割精准化可 使激光切割机定位精准度高，重复定位精度高，实现了覆盖件精准高 速切割（图5）。图5喷涂线机器人喷漆系统。14自由度喷涂系统机器人具有运 动精度及重复定位精度高的特点，与涂装线、积放链输送系统协同控 制实现喷涂过程的无人化。具有离线编程、路径规划、系统仿真等功 能；并具有涂装工艺数据库和设备智能接口，可实现生产管理的智能 化(图6)。图6物料自运管理系统。其中包括：使用物料识别系统，实现 了采购物料的全自动入库管理及出库管理；物料信息自动扫描；数据 信息自动上传MES系统；物料出库后自动移库。8)自能化物流配送系统由

12、集成WCS系统的中央控制系统、多台AGV小车、积放式物料托盘滚筒输送线、物料自动扫描系统组成；AGV智能物流配送系统从轨道货盘自动扫描，由信息系统对物料进行 排队，按照生产节拍对装配线配送点进行物料的五人定点准确配送， 全面替代人工配送（图7）。9）智能化在线检测系统。在线监测技术研究及应用弥补了对 整机性能无法把握的局面，根据数据变化自动判断潜在系统故障，代 替了以经验判断问题的方法；通过MES数据联网，可定期收集液压、 制动、动力、传动等各系统的数据并进行系统分析。10）多台加工中心组成LPP生产线，实现无人化生产。生产线 由数控加工中心+多工作台站+自动输送车+多套工艺装备等单元组 成。

13、具有计算机加工控制系统、大容量自动换刀系统、刀具自动检测、 零件自动找正功能，有效的支撑和保证了自动化数控生产，实现了 24小时无人化生产。生产线的柔性化可以满足多产品多品种、小批 量的生产。适应新产品试制并能迅速扩大新产品生产，同时对老产品 加工的保持有继承和兼容能力（图8）。生产管理的智能化。1）制造信息技术平台。技术平台是智能化制造基础，有硬件与软件共同支撑，需通过不断改进提升效果（图9）。物理房执行层计划房决策房网络与现场总线自动化设备 一：业机器人数据存储设备管理制造执行系统数据采集能耗管理计划与产能分析物料需求计划供应与物潦管理产梢需求匚面客户关系管理企业强源计划商务智能数据挖掘与分析预算管理2）信息化生产管理系统。智能化制造关键是打通物理层与计划层的数据链，并建立基于业务逻辑的控制与作业调度体系（图10）。3）生产管理向供应商推进。现代竞争从传统的产品竞争转向 营运体系的竞争，综合表现为创新能力、成本控制、综合服务能力、 市场保障等；将供应商纳入制造信息系统管理，是提升制造能力的必 要手段（图11）。五、结论在工业4.0新环境下，面