工藝設(shè)計(jì)在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中的重要性

王宇璇，周 新，吳玉月，郭 飛

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

1 工業(yè)發(fā)展進(jìn)程概述

自17世紀(jì)蒸汽機(jī)出現(xiàn)，人類(lèi)從依靠人力、畜力等原始動(dòng)力中解脫了出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器大生產(chǎn)[1]，繼而引發(fā)了18世紀(jì)60年代的工業(yè)革命，自此人類(lèi)進(jìn)入了工業(yè)化時(shí)代。

此后伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制造技術(shù)經(jīng)歷了從手工到機(jī)械化到電氣自動(dòng)化，再到機(jī)電一體化更新?lián)Q代的變革。業(yè)內(nèi)普遍將18世紀(jì)引入機(jī)械制造設(shè)備稱(chēng)為“工業(yè)1.0”時(shí)代，20世紀(jì)初的電氣化與自動(dòng)化稱(chēng)為“工業(yè)2.0”時(shí)代，20世紀(jì)70年代開(kāi)始的信息化稱(chēng)為“工業(yè)3.0”時(shí)代[2]。

制造技術(shù)的水平和制造業(yè)的實(shí)力反映一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)力水平、國(guó)防能力，決定著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力和綜合國(guó)力的強(qiáng)弱[3]，因此進(jìn)入21世紀(jì)后，世界上幾乎所有的制造強(qiáng)國(guó)和大國(guó)為提高各自的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，紛紛發(fā)布戰(zhàn)略計(jì)劃將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型：美國(guó)在2012年發(fā)布《先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》；英國(guó)在2013形成“工業(yè)2050”戰(zhàn)略；德國(guó)在2013年正式推出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略；日本在2015年組建“產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈主導(dǎo)權(quán)”聯(lián)盟機(jī)制；中國(guó)在2015年5月19日正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》，開(kāi)始實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。以上各國(guó)的表現(xiàn)標(biāo)志著利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代已到來(lái)，工業(yè)發(fā)展正式進(jìn)入4.0——智能化時(shí)代。

2 工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人

工業(yè)自動(dòng)化是得以啟動(dòng)“工業(yè)4.0”的重要前提之一，生產(chǎn)制造只有實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，智能化才有實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和可能。

智能裝備作為自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上不可或缺的一環(huán)，越來(lái)越受到重視和發(fā)展，其中工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手作為智能裝備的代表，其使用數(shù)量的多少，反映現(xiàn)時(shí)代制造業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化、智能化水平這樣的理念已為人們所接受。言及智能制造，必提機(jī)器人。但也形成了一個(gè)誤解，將機(jī)器人的使用和智能化等同。有了工業(yè)機(jī)器人并不是智能制造，最多只算是自動(dòng)化生產(chǎn)，我國(guó)的制造業(yè)技術(shù)水平基本處于“工業(yè)2.0”到“工業(yè)3.0”之間[4]，即我國(guó)目前制造業(yè)的生產(chǎn)線(xiàn)還不能做到無(wú)人自動(dòng)化生產(chǎn)，工廠現(xiàn)有工藝路線(xiàn)是基于現(xiàn)有的設(shè)備，工序十分分散，還有大量的手工工序，嚴(yán)重依賴(lài)于操作者的技能。

圖1 空調(diào)自動(dòng)檢漏生產(chǎn)線(xiàn)

在我國(guó)的家用空調(diào)行業(yè)，格力、美的、海爾三大品牌公司在經(jīng)過(guò)30多年的技術(shù)發(fā)展和資本累積，紛紛進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)升級(jí)和裝備更新。格力在2018年開(kāi)始規(guī)劃布局工業(yè)機(jī)器人研究領(lǐng)域。美的自2015年起通過(guò)一系列的合作和并購(gòu)，正在補(bǔ)齊機(jī)器人制造產(chǎn)業(yè)鏈的核心能力。海爾智能互聯(lián)工廠于2016年投產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)客戶(hù)個(gè)性化、定制化生產(chǎn)。盡管3家企業(yè)各自在智能制造和工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域有了一定的發(fā)展，也掌握了相當(dāng)?shù)闹悄芗夹g(shù)，但在產(chǎn)品的制造生產(chǎn)中，依然做不到高水平的全自動(dòng)無(wú)人化生產(chǎn)。能查閱到的有詳實(shí)數(shù)據(jù)的公開(kāi)資料，顯示人工和工業(yè)機(jī)器人對(duì)比的有：位于武漢開(kāi)發(fā)區(qū)楓樹(shù)四路的美的工業(yè)園，在130 m長(zhǎng)的空調(diào)外機(jī)智能制造示范線(xiàn)上，46臺(tái)單臂工業(yè)機(jī)器人揮舞著“手臂”焊接、組裝，30名操作工人配合機(jī)器人作業(yè)[5]。該生產(chǎn)線(xiàn)作為示范線(xiàn)，投資巨大，尚且需要大比例的工人參與生產(chǎn)，可想而知行業(yè)的普遍生產(chǎn)狀況如何。因?yàn)楫a(chǎn)品工藝未能得到顛覆性的變革，人工依然在生產(chǎn)線(xiàn)上占據(jù)很高的比例。

在工業(yè)化進(jìn)程中，任何一個(gè)國(guó)家都不可能將所有舊機(jī)器砸碎，而用新機(jī)器代替。一般總是在原有機(jī)器的水平上不斷改進(jìn)和提高，一半采用新技術(shù)[6]。離開(kāi)生產(chǎn)工藝的重新深化設(shè)計(jì)，為了追求更高的自動(dòng)化噱頭而一味的濫用機(jī)器人，得不償失?！盁o(wú)人工廠”或“黑燈工廠”的概念固然誘人，但是達(dá)成“最后一公里”的自動(dòng)化可能必須付出高昂的代價(jià)[7]。而工藝設(shè)計(jì)的參與至關(guān)重要。

3 工藝設(shè)計(jì)的重要性

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)制造業(yè)企業(yè)紛紛致力于生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化改造，但采用的方式往往是“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的做法，更多的是關(guān)注于工序本身的需求，進(jìn)行著機(jī)器換人的改造，雖然是減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的一致性，卻因?yàn)槲磸墓に囋O(shè)計(jì)層面進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，從而帶來(lái)額外的設(shè)備投入，增加了設(shè)備的動(dòng)作，并引起設(shè)備故障率提高、生產(chǎn)節(jié)拍加長(zhǎng)等問(wèn)題。

以國(guó)內(nèi)某企業(yè)的自動(dòng)化改造工作為例，在家用空調(diào)包裝后的檢漏工藝上，使用機(jī)器代替人工操作，要求設(shè)備故障率低于1%。因受廠房空間限制，定位檢漏裝置只能放置于產(chǎn)品前進(jìn)方向的右側(cè)，碼垛機(jī)器人只能放置于線(xiàn)體的末端（圖1）。產(chǎn)品在上個(gè)工藝工序完成后，以縱向位置進(jìn)入檢漏工序，而工藝要求在產(chǎn)品的端面進(jìn)行檢測(cè)，因此需要增加前旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，將產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)90°。檢測(cè)結(jié)束后需要以產(chǎn)品縱向位置進(jìn)入碼垛工序，則又需將產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)90°，故增加后旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。因?yàn)榍岸说墓视泄に嚭同F(xiàn)場(chǎng)空間限制，導(dǎo)致需要額外增加2臺(tái)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)備，如按照每臺(tái)設(shè)備故障率1%計(jì)算，則改造后的工藝功能段可能故障率會(huì)提高到3%。除了投資成本提高，也會(huì)帶來(lái)維修成本的增加。

如果進(jìn)行自動(dòng)化改造時(shí)，能統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)布局，合理優(yōu)化前段工藝，就能有效降低成本，降低設(shè)備故障率，提高產(chǎn)能。

機(jī)器人和機(jī)器臂只是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的途徑和手段，而工藝設(shè)計(jì)才是智能化生產(chǎn)的根和魂。

智能制造對(duì)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)提出了更高的要求，加工工藝必須重新編制，對(duì)現(xiàn)有工序進(jìn)行大幅度整合，充分利用智能制造線(xiàn)的自動(dòng)化設(shè)備優(yōu)勢(shì)，采取工序集中原則，大幅減少工序，減少裝夾次數(shù)，利用設(shè)備的功能優(yōu)勢(shì)保證加工的一致性及加工質(zhì)量，減少對(duì)操作技能的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)零件在線(xiàn)內(nèi)的高速加工與流轉(zhuǎn)[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)制造業(yè)需要基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，邁入制造強(qiáng)國(guó)行列。就目前的制造業(yè)發(fā)展進(jìn)程而言，后面還有大量的工作要做，尤其需要重視基礎(chǔ)工藝技術(shù)的研發(fā)，基于柔性制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行生產(chǎn)工序的布局和配置，以減少生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)備使用，提高效率、降低故障率。