工業(yè)4.0智能工廠(chǎng)工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)

姜巍

摘 要：目前世界正處在德國(guó)“工業(yè)4.0”、美國(guó)“先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃”、日本“科技工業(yè)聯(lián)盟”、英國(guó)“工業(yè)2050戰(zhàn)略”、中國(guó)的“中國(guó)制造2025”的大時(shí)代，在“一帶一路”政策的推動(dòng)下，在“精益生產(chǎn)”和“兩化融合”運(yùn)動(dòng)的引導(dǎo)和帶動(dòng)下，工業(yè)4.0智能化生產(chǎn)是大勢(shì)所趨，也正在一步步開(kāi)展。

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；智能工廠(chǎng)；工藝設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：F424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）23-0059-01

“工業(yè)4.0”由德國(guó)政府在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出，是德國(guó)針對(duì)制造業(yè)發(fā)展進(jìn)程的不同階段給出的定義。在2013年德國(guó)聯(lián)邦教育研究部發(fā)布的《工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施建議》中，對(duì)不同的工業(yè)發(fā)展階段進(jìn)行了定義：工業(yè)2.0是電氣化，電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械使生產(chǎn)制造的規(guī)?；玫娇涨鞍l(fā)展；工業(yè)3.0是自動(dòng)化，電子和信息技術(shù)的大量應(yīng)用，使得生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化水平不斷提升；工業(yè)4.0是智能化，其特征是以智能工廠(chǎng)為核心，建立起一整套規(guī)模化、定制化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及服務(wù)模式，真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)由制造向“智造”的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 典型智能工廠(chǎng)簡(jiǎn)介

沃爾沃大慶工廠(chǎng)，100%采用了電動(dòng)扳手，這一驅(qū)動(dòng)方式的變化帶來(lái)了巨大的智能化潛力，不僅僅使得緊固效率和精度更高、緊固質(zhì)量監(jiān)測(cè)更精準(zhǔn)外，該工廠(chǎng)出產(chǎn)的每一輛產(chǎn)品的每一個(gè)螺栓緊固數(shù)據(jù)都會(huì)獨(dú)立建檔保存，10年內(nèi)可追溯出現(xiàn)的任何問(wèn)題。再比如焊接生產(chǎn)線(xiàn)上，216臺(tái)ABB機(jī)器人的引用讓焊接自動(dòng)化率超過(guò)70%，S90長(zhǎng)軸距豪華轎車(chē)有5789個(gè)焊點(diǎn)，其中有4000多個(gè)焊點(diǎn)是由機(jī)器人自動(dòng)完成焊接的。為了實(shí)現(xiàn)這樣的焊接水準(zhǔn)，沃爾沃采用了自適應(yīng)焊接系統(tǒng)，每次焊接前，設(shè)備會(huì)檢測(cè)板材的電阻情況，根據(jù)得到的板材數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整焊接參數(shù)，保證每一個(gè)焊點(diǎn)都能達(dá)到一致的焊接效果，同時(shí)每個(gè)焊點(diǎn)也同樣可追朔出現(xiàn)的任何問(wèn)題。不過(guò)以上具體的生產(chǎn)工藝，都是建立在大慶工廠(chǎng)的信息化系統(tǒng)基礎(chǔ)上的，工廠(chǎng)內(nèi)大批量的智能設(shè)備要實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是信息化系統(tǒng)與設(shè)備間的完美配合，即在面積有限的廠(chǎng)房?jī)?nèi)，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的生產(chǎn)制造設(shè)備，要通過(guò)復(fù)雜的有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。

梅賽德斯奔馳，在生產(chǎn)中的創(chuàng)新型自動(dòng)化解決方案如下：使用協(xié)作機(jī)器人團(tuán)隊(duì)C級(jí)后軸的新型建造和裝配概念，基于目前的技術(shù)水平，梅賽德斯奔馳與Fa.Kuka機(jī)器人公司在“裝配21”研發(fā)項(xiàng)目中共同開(kāi)發(fā)了新型、整體的裝配概念。一方面，要為目前的人工、耗時(shí)的裝配車(chē)間找到符合現(xiàn)有機(jī)械化水平的解決方案。另一方面，要尋求更輕便的工件運(yùn)輸解決方案，以替代目前多個(gè)傳送部件組成的固定裝配傳輸帶。目前完整的后輪由45個(gè)協(xié)同的KUKA機(jī)器人（也就是相互聯(lián)網(wǎng)的共同工作系統(tǒng)）裝配完成。直到工序最后，軸承才會(huì)放置到由12個(gè)人工工作臺(tái)組成的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)車(chē)臺(tái)上，以完成具有各種變化的配件產(chǎn)品。在中性的轉(zhuǎn)車(chē)臺(tái)上，所有工序得以匯總，這保證的裝備無(wú)需改變裝配節(jié)奏或工作內(nèi)容即可應(yīng)對(duì)數(shù)量要求變化的高度靈活性。一個(gè)機(jī)器人組合包括至多六個(gè)機(jī)器人，體現(xiàn)了極高的協(xié)作效益。

2 軌道交通企業(yè)特點(diǎn)

軌道交通產(chǎn)品整車(chē)組裝工序的工序和部件制造工序都是比較多的，相對(duì)于汽車(chē)制造最終組裝約70道工序400多個(gè)部件來(lái)說(shuō)，都呈現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，工序和部件的增多勢(shì)必帶來(lái)工位、節(jié)拍、物流和信息化的高度復(fù)雜化。另外作為組裝平臺(tái)的車(chē)體，基本尺寸基本在18-30米，重量達(dá)15-30噸，如此的龐然大物如果實(shí)現(xiàn)頻繁移動(dòng)，在設(shè)備、空間和安全上均對(duì)成本和管理提出了過(guò)高的挑戰(zhàn)。

3 智能生產(chǎn)線(xiàn)工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)

在工廠(chǎng)的生產(chǎn)全流程相關(guān)業(yè)務(wù)中，工藝工作處于基礎(chǔ)與先導(dǎo)地位。工藝決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，從而影響了工廠(chǎng)的布局、運(yùn)行方式和生產(chǎn)組織方式，這些因素共同決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是進(jìn)線(xiàn)零件的加工工藝設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)先行開(kāi)展，并要經(jīng)過(guò)充分討論。

智能化生產(chǎn)線(xiàn)的開(kāi)展步驟通常是：（1）工藝規(guī)劃、車(chē)間布局等頂層總體設(shè)計(jì)；（2）智能化設(shè)備的選型，物流、倉(cāng)儲(chǔ)、機(jī)器人選型，硬件建設(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(kāi)發(fā)；（4）系統(tǒng)集成、聯(lián)調(diào)。

可以看出，智能制造的加工工藝技術(shù)是智能制造生產(chǎn)線(xiàn)頂層總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是智能制造生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)首先要開(kāi)展的，它決定了生產(chǎn)線(xiàn)中最重要也是投資最大的硬件，即加工設(shè)備的選型，也是智能制造生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)度、運(yùn)行控制的決策依據(jù)，是決定智能制造生產(chǎn)線(xiàn)的節(jié)拍、工藝流程、產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)（王文理，康永峰，2016）。如果說(shuō)設(shè)備是工廠(chǎng)的肌肉骨骼，傳感器和網(wǎng)絡(luò)是工廠(chǎng)的血管神經(jīng)，那么工藝則是工廠(chǎng)的靈魂。

智能化生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)過(guò)程中工藝工作應(yīng)著重從以下五個(gè)方面進(jìn)行：（1）優(yōu)化現(xiàn)有工藝工作流程，實(shí)行工藝標(biāo)準(zhǔn)化，推廣工藝精益化，研究工藝穩(wěn)健化。無(wú)論是傳統(tǒng)生產(chǎn)方式還是工業(yè)4.0環(huán)境下的智能工廠(chǎng)，都需要有精益穩(wěn)定的制造工藝，這也是解決效率和質(zhì)量問(wèn)題的根本途徑。所謂智能工廠(chǎng)的“智能”是技術(shù)人員將一系列的判斷因素、思考邏輯，根據(jù)具體的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行提煉而形成的，還無(wú)法與人類(lèi)的智慧相提并論。因此，其對(duì)制造工藝的要求比傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式要高很多，不完善的工藝在目前的狀況下只會(huì)導(dǎo)致我們的生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，但在工業(yè)4.0環(huán)境下，不穩(wěn)定的工藝規(guī)程則會(huì)出現(xiàn)預(yù)測(cè)外錯(cuò)誤，使智能工endprint