智能制造單元設(shè)計(jì)流程與關(guān)鍵要素淺析

黃超　王文理

摘 要：為推動(dòng)智能制造單元的科學(xué)建設(shè)，提出了智a能制造單元方案的設(shè)計(jì)流程和體系架構(gòu)，梳理了智能制造單元設(shè)計(jì)所涉及的重點(diǎn)內(nèi)容和關(guān)鍵要素，對于發(fā)展智能制造技術(shù)、構(gòu)建智能制造單元和落實(shí)智能制造在生產(chǎn)中的應(yīng)用具有較好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能制造;數(shù)控加工;加工工藝;生產(chǎn)管控

中圖分類號(hào)：TP317.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）06-0035-02

0引言

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，以及與先進(jìn)制造技術(shù)不斷深度融合，以智能制造為代表的產(chǎn)業(yè)升級(jí)正在興起，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化日益成為未來制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢。隨著“中國制造2025”的持續(xù)深入推進(jìn)，智能制造技術(shù)在研究和應(yīng)用方面均取得了較大進(jìn)展，大量文獻(xiàn)闡述了智能制造的內(nèi)涵[1]、架構(gòu)[2]和關(guān)鍵技術(shù)[3]，并已開始實(shí)踐、建設(shè)了一批智能工廠[4]和智能制造生產(chǎn)線/單元[5]。

制造單元是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的最基本組織，而智能制造單元是發(fā)展智能制造的基礎(chǔ)載體，因此很多學(xué)者圍繞智能制造單元做了大量的研究工作，特別在具有多品種、變批量特點(diǎn)的航空航天等離散制造領(lǐng)域，智能制造單元越來越多的被應(yīng)用于零部件的制造、裝配工序中。目前，國內(nèi)很多企業(yè)都在設(shè)計(jì)、籌建智能制造加工單元，通常的步驟是[6]：

（1）零件選型、工藝規(guī)劃、車間布局等頂層總體設(shè)計(jì);

（2）智能化設(shè)備、物流、倉儲(chǔ)、機(jī)器人等硬件選型、建設(shè);

（3）系統(tǒng)控制接口、物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，運(yùn)行控制軟件設(shè)計(jì)開發(fā);

（4）系統(tǒng)集成、聯(lián)調(diào)。

可以看出，智能制造單元方案總體設(shè)計(jì)作為智能制造單元建設(shè)的基礎(chǔ)，是智能制造單元建設(shè)中首先要開展的?；诖耍疚奶岢鲆惶字悄苤圃靻卧桨冈O(shè)計(jì)流程，并對其中的重點(diǎn)內(nèi)容和關(guān)鍵要素進(jìn)行分析探討。

1智能制造單元方案設(shè)計(jì)總流程

設(shè)計(jì)智能制造單元方案的流程如圖1所示，首先根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)輸入與產(chǎn)能需求，設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)，分析現(xiàn)有制造現(xiàn)狀，明確未來產(chǎn)量等目標(biāo);其次分析并明確智能制造單元在人員、場地、生產(chǎn)組織方式、安全環(huán)保等具體約束;再次在系統(tǒng)約束下進(jìn)行各關(guān)鍵工序的典型工藝開發(fā)、優(yōu)化，使生產(chǎn)流程適用于智能制造單元的穩(wěn)定、順利運(yùn)行;然后基于上述工藝，完成設(shè)備選型與工藝、生產(chǎn)仿真，評(píng)估制造單元的運(yùn)行效能;隨后基于生產(chǎn)運(yùn)行仿真結(jié)果，以及精益生產(chǎn)等原則，優(yōu)化并完成制造單元的布局;最后基于不同產(chǎn)品、不同企業(yè)的生產(chǎn)管理流程，完成管控軟件規(guī)劃，開發(fā)集成控制方案，形成完整的智能制造單元整體解決方案。

2智能制造單元系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定

建設(shè)智能制造單元首先要明確應(yīng)用對象。一般而言企業(yè)會(huì)選擇需求最迫切、亟需大幅提高產(chǎn)能的產(chǎn)品。但這些產(chǎn)品是否能夠通過智能制造單元生產(chǎn)，首先就要判別其制造工藝以及生產(chǎn)現(xiàn)狀。智能制造是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化制造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其典型特征是“狀態(tài)感知—實(shí)時(shí)分析—自主決策—精準(zhǔn)執(zhí)行”，即依靠高精度快換工裝系統(tǒng)、機(jī)器人自動(dòng)裝卸運(yùn)輸、立體倉庫存儲(chǔ)、生產(chǎn)信息數(shù)字化等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)度、無人干預(yù)自動(dòng)運(yùn)行、生產(chǎn)狀態(tài)智能分析決策等。所以，智能制造單元可應(yīng)用的產(chǎn)品必須滿足其生產(chǎn)工藝能夠適應(yīng)無人自動(dòng)化生產(chǎn)等要求。

以機(jī)械加工行業(yè)為例，目前我國機(jī)械加工的技術(shù)水平基本上處于“工業(yè)2.0”至“3.0之間”。產(chǎn)品制造仍大量使用普通機(jī)床手動(dòng)加工，自動(dòng)化數(shù)控設(shè)備成本較高，部分關(guān)鍵工序才采用數(shù)控加工。另一方面，產(chǎn)品制造存在大量的現(xiàn)階段難以自動(dòng)化加工的工序，例如鉗工、研磨及熱表處理等。因此對于智能制造單元內(nèi)產(chǎn)品的選擇，其制造工藝應(yīng)該達(dá)到以下基本條件：（1）各類基礎(chǔ)工藝成熟可靠，加工質(zhì)量較穩(wěn)定;（2）能夠?qū)⑵胀ㄖ圃旃ば蚋臑閿?shù)控加工;（3）能夠采用自動(dòng)裝夾，可精確定位;（4）人工干預(yù)及手工工序盡可能少，如無法進(jìn)入加工單元，可調(diào)整這些工序至線外。

3智能制造單元工藝開發(fā)優(yōu)化

一般而言，制造企業(yè)的現(xiàn)有工藝是基于已有的設(shè)備，其間穿插大量的手工操作，制造流程較為分散，且嚴(yán)重依靠操作者的自身水平，而這種過于繁雜的制造流程會(huì)對智能制造單元的高效運(yùn)行產(chǎn)生極大負(fù)影響。因此，智能制造單元所用的加工工藝必須經(jīng)過重新開發(fā)優(yōu)化，甚至推倒重來，通過融合整合現(xiàn)有工序，充分利用智能制造單元內(nèi)的自動(dòng)化設(shè)備優(yōu)勢，基于工序集中原則，減少制造工序與裝夾次數(shù)，依靠設(shè)備的功能優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品一致性及質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)零件在單元內(nèi)的高效加工與流轉(zhuǎn)。此外，通過先行開展的工藝設(shè)計(jì)，可起到如下效果：（1）明確產(chǎn)品的制造流程，以及在單元內(nèi)各設(shè)備之間的流轉(zhuǎn)順序;（2）直接影響制造單元的設(shè)備種類與數(shù)量，進(jìn)而可確定最大的投資項(xiàng);（3）制造參數(shù)決定了產(chǎn)品的加工質(zhì)量及生產(chǎn)節(jié)拍，進(jìn)而可預(yù)估產(chǎn)品合格率，并計(jì)算出毛坯數(shù)量、刀庫容量、緩沖站數(shù)量等生產(chǎn)物資數(shù)量;（4）減少了對人工技能的依賴，發(fā)揮了設(shè)備的優(yōu)勢。

例如，某鈦合金機(jī)匣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高，現(xiàn)有制造路線異常繁瑣，大量的非數(shù)控加工及手工工序穿插其中。這種復(fù)雜的傳統(tǒng)工藝顯然不適合智能制造，必須使其制造路線適用于智能制造單元，依據(jù)“可智能生產(chǎn)調(diào)度、可利用自動(dòng)化設(shè)備制造、可采用快換工系統(tǒng)、可自動(dòng)裝夾及物流配送、工序需集中”等原則重新設(shè)計(jì)制造流程。該機(jī)匣工序?qū)⒃瓉?0多道壓縮為10道，并把熱表處理及特種檢驗(yàn)等工序都放在制造單元外，從而適用于智能制造流程。

適用于智能制造的工藝開發(fā)還需考慮自動(dòng)化運(yùn)行帶來的新問題，例如工裝夾具必須滿足加工穩(wěn)定和自動(dòng)化等要求，就需要增加零點(diǎn)定位快換系統(tǒng)，將該系統(tǒng)直接嵌入設(shè)備工作臺(tái)與工裝上，形成唯一的零基準(zhǔn)，無需人工進(jìn)行調(diào)整校正。同時(shí)由于具備標(biāo)準(zhǔn)化接口，通過智能制造單元管控軟件中的夾具管理模塊，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備通訊并完成基準(zhǔn)智能調(diào)整與自動(dòng)化傳遞，完成單元內(nèi)不同設(shè)備之間的高精度、高效率轉(zhuǎn)換。此外還有刀具等生產(chǎn)物資的壽命管理，由于加工過程中無人值守，所以刀具必須在即將崩刃或斷裂前更換，或者在加工過程中監(jiān)測到刀具異常時(shí)立即處理。

4智能制造單元設(shè)備選型與布局設(shè)計(jì)

智能制造單元一般由若干工位構(gòu)成，各工位有實(shí)現(xiàn)特定功能的設(shè)備，在各工位之間依靠機(jī)器人等自動(dòng)化物流裝置實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的流動(dòng)。整個(gè)單元依據(jù)產(chǎn)品流動(dòng)形式，常選擇一字、環(huán)形等布局形式。因此，智能制造單元需選擇主要關(guān)鍵設(shè)備作為精準(zhǔn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輔以信息在線采集和分析決策等軟硬件模塊，具備自動(dòng)裝卸料、柔性夾持、精準(zhǔn)定位、加工執(zhí)行、在線檢測、實(shí)時(shí)分析和智能決策調(diào)整等功能。

其中，精準(zhǔn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)涵蓋數(shù)控加工/檢測設(shè)備、機(jī)器人上下料系統(tǒng)、柔性自動(dòng)裝夾裝置、定位夾緊快換工裝和在線監(jiān)控裝置等，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確制造、加工過程實(shí)時(shí)檢測、制造過程的自動(dòng)上下料、加工件的柔性裝夾、工裝狀態(tài)的自動(dòng)判斷及自動(dòng)定位調(diào)整、加工完成后的自動(dòng)檢驗(yàn)評(píng)價(jià)，以及生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。柔性自動(dòng)裝夾裝置主要實(shí)現(xiàn)不同尺寸產(chǎn)品的可靠裝夾，滿足多品種、變批量等生產(chǎn)需求。信息在線采集系統(tǒng)將“精準(zhǔn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)”產(chǎn)生的制造狀態(tài)數(shù)據(jù)、質(zhì)量結(jié)論、物流信息、加工進(jìn)度和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。分析決策模塊將上述采集的信息進(jìn)行分析，基于當(dāng)前制造單元是否按時(shí)完成加工任務(wù)、運(yùn)行過程中的工藝參數(shù)是否滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求、工裝裝夾狀態(tài)和位置等是否滿足加工要求、單元所含的設(shè)備是否運(yùn)行平穩(wěn)等問題，進(jìn)行智能判斷與決策，并將修訂指令反饋給精準(zhǔn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對存在的問題形成解決措施和及時(shí)調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)分析及實(shí)時(shí)調(diào)整、工裝狀態(tài)判斷及自適應(yīng)調(diào)整、設(shè)備故障預(yù)測及自我修整和制造單元的生產(chǎn)狀態(tài)評(píng)估等閉環(huán)運(yùn)行。

5智能制造單元管控系統(tǒng)規(guī)劃

智能制造單元管控系統(tǒng)基于生產(chǎn)實(shí)際過程和企業(yè)相關(guān)要求，構(gòu)建生產(chǎn)運(yùn)行管控邏輯，實(shí)現(xiàn)對制造單元集中管控和資源統(tǒng)一配置。首先，通過制造單元內(nèi)的各類傳感器構(gòu)成的信息采集系統(tǒng)，對智能制造單元進(jìn)行狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)采集，主要包括生產(chǎn)計(jì)劃、工藝規(guī)程、生產(chǎn)執(zhí)行、制造資源、擾動(dòng)情況、質(zhì)量檢測、物料物流和設(shè)備運(yùn)行等數(shù)據(jù)。其次，獲取數(shù)據(jù)后，管控系統(tǒng)需對其中有價(jià)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和整合，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)挖掘的單元運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度、加工質(zhì)量和設(shè)備故障等關(guān)鍵要素和數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)模型，進(jìn)一步明確基于時(shí)序的單元運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度、加工質(zhì)量和設(shè)備故障隨時(shí)間的演化規(guī)律，并對未來發(fā)展進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測。最后，建立智能制造單元相對應(yīng)的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)物理現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)的精確映射，通過基于生產(chǎn)進(jìn)度的演化規(guī)律預(yù)測，利用決策規(guī)則庫和決策算法對設(shè)備狀態(tài)、制造進(jìn)度、生產(chǎn)資源平衡、波動(dòng)因素（產(chǎn)量變化、質(zhì)量問題、設(shè)備故障、生產(chǎn)物資短缺）等進(jìn)行智能評(píng)估和決策，并生成調(diào)度依據(jù)與調(diào)整指令，反饋給精準(zhǔn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對智能制造單元生產(chǎn)的優(yōu)化調(diào)整。

6結(jié)語

智能制造已成為我國制造領(lǐng)域未來發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，如何落實(shí)智能制造成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。本文圍繞具有多品種、變批量特點(diǎn)的產(chǎn)品生產(chǎn)，以自動(dòng)生產(chǎn)工藝技術(shù)為牽引，以制造執(zhí)行裝備為核心，以生產(chǎn)運(yùn)行管控為靈魂，以自動(dòng)物流配送為紐帶，研究了智能制造單元的主要設(shè)計(jì)原則，凝練一套智能制造單元方案設(shè)計(jì)流程，梳理了其中的重點(diǎn)內(nèi)容和關(guān)鍵要素，對于發(fā)展智能制造技術(shù)、建設(shè)智能制造單元具有較好的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李清，唐騫璘，陳耀棠，等.智能制造體系架構(gòu)、參考模型與標(biāo)準(zhǔn)化框架研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2018，24（3）：539-549.

[2] 韋莎.智能制造系統(tǒng)架構(gòu)研究[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2016（4）：50-54.

[3] 鄒方.智能制造中關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[J].航空制造技術(shù)，2014（14）：32-37.

[4] 單繼東，曹增義，王昭陽.航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)智能工廠建設(shè)[J].航空制造技術(shù)，2018，61（15）：70-77.

[5] 王慶，陳寧，劉輝，等.航天典型殼段加工智能生產(chǎn)線總體方案探索[J].航天制造技術(shù)，2017（6）：57-60.

[6] 王文理，康永峰.工藝在智能制造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制中的重要作用[J].航空制造技術(shù)，2016（16）：48-51+62.