面向機(jī)床制造企業(yè)的智能化實施研究與應(yīng)用

王朝峰 林江海 張 玉

（山東省機(jī)械設(shè)計研究院，濟(jì)南 250031）

近幾年，我國機(jī)械工業(yè)得到了長足發(fā)展，極大地提升了主要工藝設(shè)備的自主程度，為機(jī)床工業(yè)提供了重要支撐。目前，我國一大批核心技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)進(jìn)入國際領(lǐng)先行列，一些技術(shù)和市場份額也在全球領(lǐng)先。隨著第四次產(chǎn)業(yè)革命的到來，自動化、大數(shù)據(jù)以及人工智能的發(fā)展，對機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)生了巨大沖擊[1]。我國是世界上經(jīng)濟(jì)體量最大的國家，也是世界上最大的工業(yè)國家。目前，我國機(jī)械加工行業(yè)缺少統(tǒng)一的信息集成體系，不能實現(xiàn)信息交流，不利于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，不具備智能裝備，且生產(chǎn)費用高，利潤少。由于目前管理體系的信息化程度較低，很難有效實現(xiàn)對企業(yè)的信息收集與控制[2-4]。數(shù)控加工設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，需積極實現(xiàn)機(jī)床工業(yè)的信息化、數(shù)字化以及智能化等[5]。

1 機(jī)床制造智能化發(fā)展方向

機(jī)床行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈包括數(shù)控系統(tǒng)提供商、零配件制造商、機(jī)床制造商（一般也提供安裝、維修等服務(wù)）、代理經(jīng)銷商（一般提供技術(shù)服務(wù)，也提供安裝、維修、保養(yǎng)等服務(wù)）以及機(jī)床用戶，如圖1所示[6]。如何合理、高效地調(diào)度瓶頸資源，控制項目計劃與項目采購計劃，控制多個生產(chǎn)企業(yè)的協(xié)作，是決定企業(yè)能否取得勝利的關(guān)鍵。

在信息化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)不斷發(fā)展的今天，智能已經(jīng)從單一的設(shè)備向制造系統(tǒng)、生產(chǎn)車間、工廠企業(yè)和整個機(jī)械工業(yè)的各個環(huán)節(jié)擴(kuò)展[7]?，F(xiàn)代生產(chǎn)的實際情況顯示，機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)不但包括產(chǎn)品和零部件的生產(chǎn)過程，還包括產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等整個生產(chǎn)過程，需在此基礎(chǔ)上全面分析和探索機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、管理以及服務(wù)等各個環(huán)節(jié)。該價值鏈模型的目標(biāo)是利用現(xiàn)代科技對機(jī)械設(shè)備的整個壽命周期進(jìn)行有效控制。

圖1 機(jī)床制造產(chǎn)業(yè)價值鏈

構(gòu)建以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)體系，構(gòu)建國際協(xié)作和市場競爭的體系，并為其提供技術(shù)支持，對國內(nèi)的機(jī)械制造業(yè)來說至關(guān)重要。如何在全球范圍內(nèi)增強(qiáng)制造業(yè)的競爭力，關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)產(chǎn)品的柔性化、智能化和敏捷化，并實現(xiàn)智能化的靈活整合和快速組織。現(xiàn)代機(jī)械加工中，機(jī)械加工行業(yè)的矛盾已經(jīng)由勞動生產(chǎn)率轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間、成本和質(zhì)量三者之間的相互關(guān)系和沖突。現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)可以將三者有機(jī)結(jié)合在一起，以達(dá)到改善產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約成本、提升市場競爭能力的目的。

根據(jù)全球技術(shù)進(jìn)步的新動向，全球各大發(fā)達(dá)區(qū)域紛紛將數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型的中心，加快了生產(chǎn)要素、資源要素、技術(shù)要素與制造業(yè)的整合。我國是一個制造業(yè)大國，在構(gòu)建制造業(yè)強(qiáng)國的過程中重點發(fā)展智能化制造業(yè)[7]。發(fā)展智能化制造，既是我國工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的一個重要突破，也是未來世界機(jī)床工業(yè)發(fā)展的新動力[8]。

2 智能制造實施研究

智能化生產(chǎn)是一個涉及多學(xué)科、多要素深度整合的系統(tǒng)工程，涉及科學(xué)的理論層面和技術(shù)層面的問題，并將其運用到實際工作中，如圖2所示。要把科技創(chuàng)新、組織管理創(chuàng)新與制度創(chuàng)新結(jié)合在一起，以系統(tǒng)工程的理念為導(dǎo)向，進(jìn)行科學(xué)、合理的工程管理，以達(dá)到既定的目的。

圖2 智能制造概念圖

智能化制造能夠有效集成機(jī)床產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)制造以及物流等各環(huán)節(jié)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術(shù)，可實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場管理中的進(jìn)展采集與監(jiān)控、品質(zhì)管理、現(xiàn)場物流驅(qū)動，完成車間現(xiàn)場人員、設(shè)備、物料現(xiàn)場以及工藝的錯誤預(yù)防等，可實現(xiàn)作業(yè)等多項工作的有機(jī)結(jié)合，以達(dá)到生產(chǎn)的智能化，如圖3所示。

我國在機(jī)械加工方面經(jīng)驗豐富，具有一定的影響。為了適應(yīng)多品種、多批量的市場環(huán)境，機(jī)械加工企業(yè)需要通過企業(yè)一體化來簡化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率和企業(yè)的競爭能力，深入分析企業(yè)現(xiàn)狀，制定機(jī)械加工行業(yè)智能一體化解決方法。方案能夠有效地完成對數(shù)控設(shè)備的控制、對原有設(shè)備的快速更新，使其能夠適應(yīng)產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，順利進(jìn)入到工業(yè)4.0的發(fā)展階段，為公司的智能經(jīng)營提供有力的支持。以企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）為中心，建立精益智慧生產(chǎn)系統(tǒng)，支持從精益現(xiàn)場到精益工廠再到精益生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)的精益生產(chǎn)。

本文以機(jī)床生產(chǎn)制造企業(yè)的智能化生產(chǎn)為例，結(jié)合信息化的實施方法，提出了智能工廠的實施方法。具體執(zhí)行中，研究智能工廠的實施策略、方法、工具以及模板，并對實施中時間、質(zhì)量、資源的利用進(jìn)行了最優(yōu)管理，形成了完整的方法論，如圖4所示。

2.1 實施總體規(guī)劃

智能化生產(chǎn)系統(tǒng)工程是一個長期、艱巨、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要做到“統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實施，重點突破”，按照“滾動發(fā)展”的方針進(jìn)行計劃。作為“一把手”的智慧生產(chǎn)項目，必須將它列入公司長遠(yuǎn)發(fā)展的第一步，即5～10年的發(fā)展遠(yuǎn)景。實施總體規(guī)劃如圖5所示。

2.2 實施路線圖

當(dāng)前，大多數(shù)企業(yè)仍處于部分應(yīng)用程序開發(fā)的狀態(tài)，只有極少數(shù)才能做到信息化，即能達(dá)到數(shù)字生產(chǎn)的程度，也只有極少的公司能做到與人之間的高效互動。只有具備智能特性和功能，才算是進(jìn)入了智能廠房的雛形。因此，智慧制造并非一朝一夕之功，而是要把握住企業(yè)的痛處，從體系結(jié)構(gòu)的某個方面入手，提高質(zhì)量和效益。高效、綠色和智能是公司始終堅持的目標(biāo)。智能制造實施路線如圖6所示。

圖3 智能制造層級結(jié)構(gòu)

圖4 機(jī)床智能制造業(yè)務(wù)藍(lán)圖

2.2.1 調(diào)研與評估

在調(diào)查和評價的過程中，建立負(fù)責(zé)小組，提出對項目機(jī)構(gòu)和工作的要求，分析顧客的需求，對項目進(jìn)行總體規(guī)劃和預(yù)算，闡明推行智能化工廠的背景、目標(biāo)和意義。

2.2.2 方案設(shè)計

制訂智能化廠房項目調(diào)研計劃，發(fā)放調(diào)查問卷，出具生產(chǎn)調(diào)研報告，編制詳細(xì)的生產(chǎn)要求表，然后通過對智能制造企業(yè)的系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境配置，制定相應(yīng)的設(shè)計方案和樣件，通過評審確認(rèn)后進(jìn)行基本的試驗，并培訓(xùn)相關(guān)使用者，為下一階段的系統(tǒng)投入使用奠定基礎(chǔ)。

圖5 項目總體規(guī)劃

圖6 實施路線圖

2.2.3 系統(tǒng)構(gòu)建

首先，明確目標(biāo)的主要職能和要求，給出總體的定義和描述，為企業(yè)發(fā)展提供操作基礎(chǔ)和指導(dǎo)，并進(jìn)行目標(biāo)的環(huán)境計劃和部署。在實際應(yīng)用中，利用實際的商業(yè)資料，充分模仿客戶的實際商業(yè)情況以檢驗整個體系。仿真訓(xùn)練是保障網(wǎng)絡(luò)安全運行的重要一環(huán)，而確保網(wǎng)絡(luò)安全運行的最重要因素是制定一套完整的仿真訓(xùn)練計劃。

2.2.4 上線運行

上線前，進(jìn)行一系列的知識傳遞，為用戶提供充足的在線運營支撐，并根據(jù)上線后的各種突發(fā)情況和問題進(jìn)行相應(yīng)的管理。

2.2.5 項目總結(jié)

通過對各項指標(biāo)的分析，項目組認(rèn)為公司的智慧車間管理體系已基本實現(xiàn)，滿足了公司管理業(yè)務(wù)信息化和集成化的要求，同意將其投入使用。目前，公司已完成了項目的總體工作，并對項目的實施情況進(jìn)行了匯總，開始了運營和維護(hù)，如圖7所示。

3 結(jié)語

機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)正面臨著新的技術(shù)難題。在對我國機(jī)械行業(yè)的特征和發(fā)展趨勢進(jìn)行深入分析和探討的基礎(chǔ)上，結(jié)合先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了智能制造實施技術(shù)與方法。根據(jù)執(zhí)行情況優(yōu)選實施策略、方法、工具以及模板，制定了面向加工企業(yè)的智能化生產(chǎn)實施方法。在完成智能化制造所需的各項必要條件后，可以控制機(jī)床的生產(chǎn)費用，使其具有較高的柔性和較高的性價比。研發(fā)和執(zhí)行顯示了最高要求，是企業(yè)高層次協(xié)作和溝通的基礎(chǔ)，需要建立新的業(yè)務(wù)模式，并對其進(jìn)行費用和風(fēng)險評估。

圖7 智能工廠項目實施效果