淺談汽車沖壓智能制造的發(fā)展方向

文／譚偉峰·廣汽本田汽車有限公司

任何一家對汽車技術(shù)有執(zhí)著追求的制造企業(yè)，都希望自己能在新四化這個(gè)變革舞臺上走得更高、更遠(yuǎn)。沖壓作為汽車企業(yè)的第一道工序，如何在這個(gè)變革中通過智能制造實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、人員最少化和成本最優(yōu)化，是樹立在每一個(gè)沖壓人面前的目標(biāo)?，F(xiàn)如特斯拉、小鵬這些代表性的現(xiàn)代化智能工廠已走在時(shí)代前面，提前布局了智能制造和面向未來的全數(shù)字化。為此，本文希望將沖壓新四化的一些想法與方向進(jìn)行分析，給改革中的企業(yè)提供一些助力。

智能制造成熟度

自2015 年汽車藍(lán)皮書論壇組委會(huì)主席賈可博士提出汽車新四化概念后，給整個(gè)傳統(tǒng)車企帶來了翻天覆地的變化。加上近年新崛起的電動(dòng)車企業(yè)不斷利用新四化來包裝產(chǎn)品，讓市場上大部分人在談“電動(dòng)化”“網(wǎng)聯(lián)化”“智能化”“共享化”時(shí)，都會(huì)認(rèn)為新四化就是指車這個(gè)終端產(chǎn)品和其上面的各類輔助電子化系統(tǒng)，而很少會(huì)聯(lián)想到汽車生產(chǎn)線上沖、焊、涂、總四大制造環(huán)節(jié)才是真正需要融入新四化的汽車孵化源頭。作為一名汽車的規(guī)劃人員，必須清楚地知道，制造環(huán)節(jié)的智造才是未來每一個(gè)車企最大的比拼戰(zhàn)場。

知根才能發(fā)展，只有制造自身實(shí)現(xiàn)了智造，才能更好地造出滿足市場需求的智能終端產(chǎn)品，否則最終只會(huì)被市場淘汰。真正意義的智造“電動(dòng)化”“網(wǎng)聯(lián)化”“智能化”“共享化”不是僅指車產(chǎn)品上的各種科技技術(shù)應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)＋或多高的自動(dòng)駕駛，而應(yīng)該是指企業(yè)內(nèi)部制造的管理、模式、架構(gòu)的新四化?？v觀國內(nèi)不少的沖壓領(lǐng)域，很多企業(yè)才剛進(jìn)行全面自動(dòng)化升級變革，管理上仍然保持著20 世紀(jì)末的方式。線末裝箱勞動(dòng)力密集，生產(chǎn)、品質(zhì)都依靠人的經(jīng)驗(yàn)與個(gè)人的評判基準(zhǔn)，導(dǎo)致零件背后沒有生產(chǎn)數(shù)據(jù)可溯源。甚至為了減少品質(zhì)的波動(dòng)，一直延續(xù)著多工序生產(chǎn)和單零件大批量生產(chǎn)的粗放型排產(chǎn)。這樣一來，成本居高和靈活性低下成為了沖壓的通病，且產(chǎn)能提升時(shí)的投資往往也是巨大的。即便一些超大型的企業(yè)，雖然在管理上嚴(yán)格執(zhí)行ISO，品質(zhì)上遵從極高的基準(zhǔn)，但在管理上對大數(shù)據(jù)的不敏感，也往往會(huì)導(dǎo)致一些問題的反復(fù)發(fā)生，如一些基礎(chǔ)品質(zhì)問題，在每個(gè)車型上重復(fù)發(fā)生而得不到遏制。而這些問題的根源，就是缺少數(shù)據(jù)分析，無法縱觀一個(gè)車型的始終所導(dǎo)致。

汽車沖壓的生產(chǎn)，在20 世紀(jì)就一直圍繞零件的成形，開卷、落料、清洗、拆垛、成形、質(zhì)檢、裝箱、入庫、出荷等環(huán)節(jié)開展自動(dòng)化變革。這些變革環(huán)節(jié)中，一直都是沿用成熟的生產(chǎn)技術(shù)與工藝，一些數(shù)字化新技術(shù)極少在沖壓領(lǐng)域被應(yīng)用。過往曾經(jīng)出現(xiàn)過的沖壓零件自動(dòng)裝箱系統(tǒng)，受限于零件裝掛數(shù)量、后工序取用困難等問題，也如曇花一現(xiàn)，并未能在行業(yè)中被廣泛認(rèn)可和推廣。

作為一家對汽車技術(shù)有著執(zhí)著追求的企業(yè)，肯定不會(huì)在智能制造這個(gè)變革時(shí)代缺席。其中，本田算是在數(shù)字化技術(shù)上走得比較早的一部分車企之一，相比電動(dòng)車企業(yè)全新建設(shè)的全數(shù)字化工廠不同，本田沒有拋棄原有的生產(chǎn)基礎(chǔ)，而是在此基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行效率的精益求精，走出了一條屬于自己的低投入變革之路。早在2010 年，本田就開始導(dǎo)入零件自動(dòng)裝箱，更是將此作為了后續(xù)所有沖壓生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)配套，實(shí)現(xiàn)了班組人員最小化；側(cè)圍輸送鏈，最大程度上削減了車間面積和優(yōu)化了焊裝大零件物流輸送；全模型化的伺服沖壓技術(shù)，更是成功將一個(gè)車型的工序數(shù)量縮減至三序，隨后又從一模兩件發(fā)展到一模多件，甚至是不同零件配套共取，并將坯料利用率提升到行業(yè)的最高水平。另外，在其他新技術(shù)的研發(fā)中，本田也從未停步，在新四化的激勵(lì)下，沖壓車間涌現(xiàn)了很多的新技術(shù)，如“質(zhì)量自動(dòng)檢測技術(shù)”“AGV 運(yùn)輸”“MES 系統(tǒng)”“智能天車”等，已如雨后春筍般在新興的沖壓車間不斷涌現(xiàn)。作為沖壓規(guī)劃者，如何將這些眾多新技術(shù)串聯(lián)起來，并成為一個(gè)數(shù)字化孿生車間，是決定未來本田沖壓站位高低的一個(gè)重大推動(dòng)力。

在2020 年，本田根據(jù)最新的《智能制造能力成熟度模型GB/T 39116-2020》描述，對于智能制造成熟度也同步分為了5 個(gè)等級，分別是一級規(guī)劃級、二級規(guī)范級、三級集成級、四級優(yōu)化級和五級引領(lǐng)級。同時(shí)，這五個(gè)等級也分別代表了現(xiàn)在制造企業(yè)的五個(gè)不同的狀態(tài)。其中，對于每個(gè)等級的現(xiàn)狀如圖1 所示。

圖1 智能制造能力成熟度模型(GB/T 39116-2020)

規(guī)劃級是指能夠?qū)诵臉I(yè)務(wù)活動(dòng)，如設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)進(jìn)行流程化管理，讓整個(gè)產(chǎn)品線不再是斷層，而是整個(gè)生命周期聯(lián)合在一起。這個(gè)環(huán)節(jié)需要對制造的基礎(chǔ)和條件進(jìn)行規(guī)劃，并實(shí)現(xiàn)一定的數(shù)字化，可以實(shí)現(xiàn)全流程的溯源。這一點(diǎn)，企業(yè)在ISO認(rèn)證時(shí)基本都已經(jīng)能做到。

規(guī)范級和集成級，就是企業(yè)采用自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)手段對核心裝備和核心業(yè)務(wù)活動(dòng)進(jìn)行改造和規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)單一業(yè)務(wù)的活動(dòng)數(shù)據(jù)共享。然后對裝備、系統(tǒng)等開展集成，實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)活動(dòng)間的數(shù)據(jù)共享。對于這兩點(diǎn)，本田從2008 年開始就已規(guī)劃了未來自動(dòng)化沖壓車間的藍(lán)圖，實(shí)現(xiàn)了從單零件的自動(dòng)裝箱到全零件的自動(dòng)裝箱，從簡單的庫存數(shù)據(jù)庫升級到容器、定位、品質(zhì)一體化數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)每一個(gè)沖壓零件的生產(chǎn)軌跡登記和品質(zhì)溯源。同時(shí)，還能關(guān)聯(lián)能耗數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等，對不太合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和生產(chǎn)優(yōu)化的提醒與建議，如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)共享

優(yōu)化級，企業(yè)對人員、資源、制造等進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，形成知識、模型等，實(shí)現(xiàn)對核心業(yè)務(wù)活動(dòng)的精準(zhǔn)預(yù)測和優(yōu)化。這個(gè)階段是整個(gè)智能制造的核心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，匯總了整個(gè)企業(yè)所有生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，對于每一個(gè)趨勢發(fā)展、效率高低都能進(jìn)行預(yù)判與優(yōu)化，并自動(dòng)下發(fā)不同的工藝文件。未來所有的生產(chǎn)布局、流程都將要依賴這個(gè)模型進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)少人化和信息化，如圖3 所示。

圖3 核心業(yè)務(wù)活動(dòng)的精準(zhǔn)預(yù)測和優(yōu)化

最后的引領(lǐng)級則是一個(gè)終極的發(fā)展目標(biāo)，基于上述搭建的模型，持續(xù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)活動(dòng)的優(yōu)化和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同并衍生新的智造模式。也就是大家常說的數(shù)字化孿生生產(chǎn)車間，可以基于數(shù)據(jù)的科學(xué)決策和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)無人化智能制造，并主動(dòng)學(xué)習(xí)和自動(dòng)持續(xù)優(yōu)化能力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資源自組織、柔性化、個(gè)性化需求，且與安全一體化管理，為企業(yè)帶來持續(xù)客觀的經(jīng)濟(jì)效益，如圖4 所示。

圖4 無人化智能制造

為了更好地去推進(jìn)沖壓的智能化制造，在整體布局時(shí)，必須要充分考慮沖壓的生產(chǎn)環(huán)境和制約因素。

大數(shù)據(jù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)

在生產(chǎn)系統(tǒng)上，每個(gè)企業(yè)都有自己的生產(chǎn)管理思路，但并不是所有的管理思路都能成為數(shù)字化系統(tǒng)，并能覆蓋車間的所有領(lǐng)域，例如設(shè)備、工藝和品質(zhì)等。另外，沖壓生產(chǎn)也不能粗狂地按計(jì)劃大批量地生產(chǎn)，特別是共線車型多的企業(yè)，會(huì)導(dǎo)致零件占據(jù)大量的存放空間，并有品質(zhì)隱患。很多企業(yè)雖然也有生產(chǎn)系統(tǒng)，但往往就是管控庫存與生產(chǎn)計(jì)劃，忽視了其他的影響因素，容易發(fā)生與計(jì)劃脫節(jié)、完成率不高等問題。常規(guī)的生產(chǎn)系統(tǒng)搭建如圖5 所示。

圖5 生產(chǎn)系統(tǒng)搭建

對于常規(guī)的生產(chǎn)系統(tǒng)，可獲知的信息量少，更多還需要依靠班組自我調(diào)整，才能保障生產(chǎn)的順利。而最優(yōu)的做法，是根據(jù)現(xiàn)場的各種狀態(tài)去協(xié)調(diào)生產(chǎn)的變化，例如新車型的調(diào)試、設(shè)備的維修、后工序現(xiàn)車型、空容器數(shù)量、安全庫存量等，甚至還需要結(jié)合坯料的生產(chǎn)運(yùn)輸情況，將生產(chǎn)計(jì)劃從落料、生產(chǎn)到庫存，成為一個(gè)有機(jī)流程開展統(tǒng)籌安排。

智能化方向：建立全面MES 生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可監(jiān)控沖壓車間的每一個(gè)細(xì)節(jié)，足不出戶管控車間。

為了獲取更多、更全面的信息，智能化的生產(chǎn)系統(tǒng)必須要將信息量最大化，包含且不限于設(shè)備狀態(tài)、模具狀態(tài)、人員在崗信息、品質(zhì)狀態(tài)、能源變化等方面。因?yàn)槿魏我粋€(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常，都會(huì)直接導(dǎo)致生產(chǎn)的不穩(wěn)定。其中設(shè)備和模具的狀態(tài)，是除庫存外的最重要的數(shù)據(jù)。

同時(shí)，沖壓與其他車間存在最大的差異，首先，生產(chǎn)不能單純依靠拉動(dòng)性來進(jìn)行生產(chǎn)，需要根據(jù)不同的車型生產(chǎn)計(jì)劃、數(shù)量，結(jié)合現(xiàn)場的零件容器、坯料和庫存空間，在保證最低安全庫存的基礎(chǔ)下提前進(jìn)行排產(chǎn)；其次，還需要考慮單批次的生產(chǎn)量與下一工序模具準(zhǔn)備的工時(shí)，調(diào)整每批次生產(chǎn)的零件數(shù)量，讓沖壓線稼動(dòng)率最大化。綜上所有因素，沖壓智能化生產(chǎn)模型必須要將上述所有的條件整合起來作為輸入量，方可輸出最合理、最優(yōu)化的生產(chǎn)計(jì)劃，并操控生產(chǎn)。因此，沖壓的智能化必須有且只能有一個(gè)大腦來整合這些數(shù)據(jù)。這個(gè)大腦就是生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，如圖6 所示。

圖6 MES 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

車間內(nèi)布局“一個(gè)核心＋多個(gè)輔助”，構(gòu)成沖壓車間信息化系統(tǒng)(圖7)。在這個(gè)架構(gòu)中，所有的信息全部匯總至MES 系統(tǒng)中進(jìn)行整理，通過內(nèi)部的大數(shù)據(jù)模型，排列出最合理的生產(chǎn)計(jì)劃，交付生產(chǎn)線。但這僅僅是完成了“軟件”部分的內(nèi)容，真正智能化的生產(chǎn)才剛剛啟動(dòng)。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，MES 系統(tǒng)還需要不斷監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，從坯料的入庫到AGV 上料，從設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)到品質(zhì)的檢測，從零件的自動(dòng)裝掛到入庫，從焊裝崗位的投遞到空容器的重新入庫。這一切都需要精準(zhǔn)的策劃與調(diào)控，任何一個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常都會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的癱瘓或發(fā)生產(chǎn)品品質(zhì)的重大事故。這是一個(gè)復(fù)雜且又龐大的工程，現(xiàn)階段廣本處于在智能成熟的第三級，為第四級的蛻變積累著數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)。

品質(zhì)提升

在傳統(tǒng)的品質(zhì)檢查中，都是通過人工對光進(jìn)行外觀品質(zhì)的確認(rèn)，檢出率與檢查人的技術(shù)能力直接相關(guān)。無論是在線質(zhì)檢或檢具掃描，耗費(fèi)時(shí)間長且仍無法規(guī)避異常流出，特別在生產(chǎn)線的節(jié)拍不斷提升中，這個(gè)異常流出會(huì)不斷被放大。零件檢具檢測如圖8 所示。

圖8 零件檢具檢測

智造技術(shù)：在線自動(dòng)檢測，機(jī)器人藍(lán)光掃描。隨著視覺系統(tǒng)的日趨成熟、圖像從2D 到3D，數(shù)據(jù)分析速度快速提升，自動(dòng)品質(zhì)檢測已經(jīng)從離線搬到了在線狀態(tài)。利用穿透性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的短波長藍(lán)光，進(jìn)行高精度的零件掃描，可以識別的品質(zhì)問題，已經(jīng)從原來的單純開裂，發(fā)展到了型面曲線、孔數(shù)清點(diǎn)、尺寸精度確認(rèn)等許多方面，可以實(shí)現(xiàn)多種不同的作業(yè)。導(dǎo)入該類設(shè)備，可以大幅削減品控人員、品質(zhì)檢查的區(qū)域，甚至檢具等投入。同時(shí)，對于高速伺服線的高生產(chǎn)節(jié)拍，還能有效削減不良品的產(chǎn)生數(shù)量，削減生產(chǎn)成本。在線品質(zhì)檢測如圖9 所示。

圖9 在線品質(zhì)檢測

線末智能物流

早在2006 年，國內(nèi)沖壓領(lǐng)域就全面進(jìn)入自動(dòng)化生產(chǎn)的時(shí)代。與此同時(shí)，零件裝箱的強(qiáng)度也隨著生產(chǎn)速度的提升遇到了瓶頸，需要更多的員工去配合零件裝箱。隨著生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍普遍達(dá)到12SPM 以上，裝箱的人員需求也繼續(xù)增大，生產(chǎn)線裝箱面積需求也日益增大，如一些汽車生產(chǎn)企業(yè)線末皮帶設(shè)計(jì)長度就達(dá)到了40 米，僅是為了滿足裝箱崗位的需求。特別是一些大型的零件，生產(chǎn)時(shí)需要的裝箱人員數(shù)量占到了整個(gè)班組人數(shù)的50%。而且人工裝箱存在許多的問題，如零件變形、觸摸污染等。在此背景下，適應(yīng)性高的自動(dòng)裝箱系統(tǒng)再次成為了沖壓行業(yè)的一個(gè)急需。

在2010 年，許多的廠家開始考慮覆蓋件自動(dòng)化裝箱的課題研究。但是受到已有零件容器的限制，僅能實(shí)現(xiàn)極少部分的零件自動(dòng)裝箱(圖10)，畢竟一旦轉(zhuǎn)為自動(dòng)裝掛后，裝箱的數(shù)量將會(huì)大幅削減，且臺車的精度要求要比原來提升了數(shù)個(gè)等級，導(dǎo)致制造成本劇增。而本田在第一代的自動(dòng)裝箱系統(tǒng)中，就通過視覺識別實(shí)現(xiàn)了大型零件的自動(dòng)裝掛，節(jié)拍實(shí)現(xiàn)11SPM。但由于受到人工生產(chǎn)物流的因素影響，經(jīng)常存在生產(chǎn)的停頓，如容器精度差異、容器運(yùn)輸不及時(shí)等等，難以體現(xiàn)自動(dòng)裝箱的優(yōu)勢。

圖10 2010 年導(dǎo)入的自動(dòng)裝箱系統(tǒng)

智能化方向：建立臺車數(shù)據(jù)庫，零變化切換自動(dòng)裝箱；配合AGV 和智能立體倉庫搭建自動(dòng)庫存系統(tǒng)。

自動(dòng)裝箱的設(shè)計(jì)，不能僅僅考慮裝掛一個(gè)環(huán)節(jié)，更多要結(jié)合庫存開展聯(lián)動(dòng)，將叉運(yùn)、庫存和出荷作為一個(gè)整體進(jìn)行規(guī)劃，才能最大程度節(jié)省空間與人員，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝箱的最大優(yōu)勢和弱化原來的弊端。特別是涉及不良品的混裝，更加是一大難題。一些企業(yè)曾采用人工剔除或不區(qū)分混裝的方式，以減少設(shè)備和物流的影響。但是這樣一來，少人化仍難以達(dá)成，還會(huì)導(dǎo)致場地的布局混亂。對此，在MES 系統(tǒng)的配合下，同步導(dǎo)入線末自動(dòng)AGV 系統(tǒng)，將沖壓線原來人員最為密集的線末物流有機(jī)整合為一個(gè)自動(dòng)化智能整體，通過RFID 實(shí)現(xiàn)了不同零件、不同品質(zhì)種類的有序排布。自動(dòng)裝箱不再是獨(dú)立的系統(tǒng)，而是物流的一個(gè)有機(jī)組成，不但使效率大幅提升，還可以讓整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代。

首先，針對手動(dòng)裝箱臺車的精度不足這一個(gè)最大的困擾問題，過往均是采用重新制作高精度的臺車，但是造成生產(chǎn)成本的激增。為此可以結(jié)合MES 系統(tǒng)，通過離線對已有臺車的精度進(jìn)行精準(zhǔn)測量，形成具體的數(shù)據(jù)庫資料，并寄存在服務(wù)器中；對臺車安裝二維碼/RFID 等身份識別信息，每次生產(chǎn)時(shí)自動(dòng)將裝掛的位置作標(biāo)與機(jī)器人作標(biāo)結(jié)合，保證裝掛的穩(wěn)定性與品質(zhì)一致性。

然后，利用AGV 智能入庫小車或?qū)Ｓ幂斔玩溸M(jìn)行零件的自動(dòng)入庫，即可保證先進(jìn)先出，又能全面掌控零件的實(shí)際數(shù)量，已達(dá)到最佳的生產(chǎn)模式。另一方面，立體庫的設(shè)置能最大化空間的利用，削減沖壓最大的零件面積占用。但作為配套，生產(chǎn)管理系統(tǒng)則需要在管理上增加更多的生產(chǎn)計(jì)劃、出入庫信息等的模塊用于支撐整體智能庫的運(yùn)作。

結(jié)束語

兵欲善其事，必先利其器。在數(shù)字化變革的浪潮里，沖壓必須要懂得轉(zhuǎn)換思維，將制造升級為智造，才能讓生產(chǎn)效率、場地占用、人員數(shù)量達(dá)到最優(yōu)平衡，真正實(shí)現(xiàn)提產(chǎn)降本。

對于沖壓領(lǐng)域的新四化，特別是老企業(yè)的變化轉(zhuǎn)變，由于原來管理模式的差異，過程必然是會(huì)往個(gè)性化發(fā)展的。但對于已有的沖壓車間，廢舊立新是必然之勢，且是一個(gè)長期曲折的過程。這個(gè)過程沒有一步到位的靈丹妙藥，也絕不會(huì)只有唯一的一條道路，因此，作為規(guī)劃者必須要考慮各種因素，站在高處俯視自身才可做出最好的選擇，讓企業(yè)立于時(shí)代的高位。