小型金属配件智能制造新模式研究

王春生

摘要：本文主要针对小型金属配件的加工制造，从产品的快速升级和消费个性化需求的快速增长以及人力、物力等成本不断增加的实际出发，研究如何构建一种新的小型金属配件智能制造的新模式。本文主要从车用小型金属配件智能制造新模式的构建原则、硬件方案、软件方案、方案效果等几个方面阐述如何构建小型金属配件智能制造的新模式。

关键词：智能制造;新模式;金属配件;智能工厂

中图分类号：TG3;TP2                                    文献标识码：A                                文章編号：1674-957X（2021）05-0170-02

0  引言

随着汽车产品的快速升级和消费个性化需求的快速增长，对汽车所需要的高精密金属件产品的研发与制造提出了新的要求，对制造企业产品的交货期限的管理也越来越严格。与此同时，随着人力、物力、土地、原材料等生产资源成本的上升，对于利润本就微薄的制造业在控制成本上也提出了很高的要求。2019年5月20日，习近平总书记在推动中部地区崛起工作座谈会上指出要推动制造业高质量发展，主动融入新一轮科技和产业革命，加快数字化、网络化、智能化技术在各领域的应用，推动制造业发展质量变革、效率变革、动力变革。国家为此出台了《中国制造2025》、《国家智能制造标准体系建设指南》等一系列的文件和规划方案。总而言之，随着社会的发展，人的需求的提高和各项成本的提高，中国制造企业要想变中国制造为中国创造，要想成为制造强国，要想和世界品牌企业竞争，要想获取更大的利润空间，只有彻底革新企业内部生产制造模式，只有通过网络技术、计算机技术、信息技术、软件与自动化技术等对传统生产工艺和生产流程进行改造，改革传统的产品设计、生产管理、产品服务方式，构建一种智能制造的新模式，才是应对挑战的新思路。本文作者将以小型金属配件的精密加工为例，说明如何构造一个新的制造模式，如何以智能工厂设备大数据平台构建一个智能工厂。

1  金属配件智能制造新模式的构建原则

1.1 设备、软件国产化

根据国家“中国制造2025”的指导方向，为确保生产技术的安全性、自主性，达到相关世界先进技术水平，所构建的智能工厂要尽力做到最大化的国产化，采用国产数控机床、国产的机器人、国产的系统软件，总之所有关键设备和软件都要国产化。

1.2 装备自动化

“智能制造”如何体现智能，如何实现智能？拥有全套的智能设备是必要条件，而智能设备的一大特点是高度的自动化，所以要实现装备自动化，比如加工过程要实现自动装夹工件，要实现在线自动检测，毛坯和成品要实现自动搬运和自动分拣入库等等。

1.3 工厂数字化

整个智能工厂销售部、采购部、生产部等所有的部门与产品相关的信息都通过软件转变成计算机的数据。采用实时工业以太网技术，实现“一网打尽”，构建一个智能制造的大数据平台。能通过采集的各种数据进行产品全生命周期的管理，能进行企业资源包括人力、物力、时间等各种资源的高效管理，能对生产流程进行科学的排序，能根据车间内数控机床、机器人、AGV小车等设备的重要数据，运用三维技术实现虚拟仿真，实现加工过程的可视化。

1.4 制造过程柔性化

面对大量个性化定制产品的出现，面对产品的快速升级换代，生产设备要有足够的适应性，不能仅针对某一种产品构建产线，所构建的产线要借助机器人、AGV小车、RFID系统等形成工时动态匹配并能智能排程，以满足现代生产的需要。

2  金属配件智能制造新模式的构建方案

要具体构建智能制造的新模式，首先要搞清楚什么是智能制造？广义的讲智能制造就是面向产品全生命周期的基于智能工厂大数据平台，依靠先进的信息网络技术和制造技术以及智能装备，实现的数字制造。智能制造是信息科学、管理科学、控制科学、制造科学等多学科理论的融合，智能制造的基础是检测与传感技术、互联网与物联网技术、自动控制技术、人工智能技术等先进技术。智能制造的过程是智能化的感知、人机交互、决策和执行。智能制造的结果是实现设计过程、制造过程以及制造装备智能化和数据化。智能制造的组成包括智能设计、智能加工、智能控制、智能检测、智能物流等。智能制造的内涵：产品是智能的，做产品的过程是智能的，做产品的工具是智能的。从狭义上讲智能制造就是通过自动化装备及通信技术实现生产自动化，通过数据采集技术，应用通信互联手段（工业以太网等），将数据连接至智能控制系统，将数据应用于企业统一管理控制平台，从而提供最优化的生产方案、协同制造和设计、个性化定制，最终实现智能化生产。（图1）

2.1 硬件方案

根据小型金属配件的加工要求和产品特点，本着设备软件国产化、装备自动化、工厂数字化、制造过程柔性化的构建原则，本方案需要的设备主要有高速钻攻中心数控机床、超声波清洗机、六关节机器人及工装夹具并联机器人与视觉检测系统、三坐标测量仪、基于RFID的数字化自动流水线、AGV小车及调度系统、立体仓库、智能安全防护系统等。

对于高速钻攻中心机床，要实现G00速度达到每分钟60米，主轴从零加速到2万转的时间为两秒以内，能实现每分钟5000转以上的高速刚性攻丝，加工产品的表面光洁度和精度要高，机床能连续运转，可靠性高，具有较强的网络功能和自诊断功能，能实现云数控。

装夹机器人要适应工作空间狭小、点位多的工作环境，要做到高灵活性，所以配置高性能的六关节机器人，机器人夹具采用真空吸盘结构，通过吸附加工件来完成夹持动作，通过机器人的旋转，配合完成金属加工件的上料、下料的动作。分拣机器人在视觉检测系统的配合下，动态检测工件的缺陷，剔除不合格的加工产品。

使用多台AGV小车在调度系统的控制下，组成一个柔性的自动搬运系统，用无线网络通讯技术，实现AGV小车调度系统及产线控制系统的信息传递，获取产线物料需求，实现物料及时自动运达，AGV小车的速度能达到每分钟36米，而且速度可调，导航采用磁导航方式，误差控制在正负十毫米内，小车牵引总重量能达到五百千克，采用电池组的供电方式，电池续航时间能大于12个小时，电池组的容量要达到120AH。

总之，金属配件智能制造新模式的硬件配置思路是采用高档数控机床完成工件的加工和检测任务;采用多自由度和灵活性高的机器人和视觉系统，完成工件的自动上料、自动下料以及工件的缺陷检测工作;采用基于自动引导技术和RFID的射频检测技术，构建先进的物料传送系统。为了保障人身安全，防止人员误入设备工作区，造成不必要的伤害，要利用先进的传感检测技术，构建智能安全防护系统。

2.2 软件方案

仅仅依靠这些智能设备和产线，只是实现了加工过程的无人化，要达到真正的智能制造，还必须依赖于先进的软件。本方案为了实现现实虚拟一体化、设计制造一体化、过程管控一体化，为了实现生产资源的有机集成和管理，为建立快速响应、高质量、低成本的精益生产体系，选用了必要的先进制造和管理类工业软件。选用APS（智能排程）软件，利用APS模块的计划运算功能，再考虑设备人员产能等实际情况的前提下，生成高效的生产作业计划和投料计划等传送给MES系统执行跟踪，同时MES系统将生产实际成果与设备状况反馈回APS系统，进行计划的修改，提高资源的利用率，削减库存，满足企业计划目标，降低成本。运用MES软件，通过对生产订单管理及下发，通过协同物料配送，通过与智能装备的集成，保证生产正常进行，实现过程管控一体化。MES系统的主要功能是质量管理、物料管理、生产任务管理、生产过程管理、库存管理、车间资源管理等。MES软件与APS等软件有些功能可能重复，可以根据需要进行合理的软件功能分配。选用仿真系统软件设计虚拟数字化车间，优化车间设备的布局，对制造过程进行可视化监控，实现现实虚拟一体化。利用数控系统的云功能，遠程监控机床的健康状态，实时了解机床的工作状况。（图2）

3  金属配件智能制造新模式的实施效果

通过该方案的实施，由于采用智能物流系统，借助机器人等智能设备，实现工件的自动上料、自动下料、自动装夹、自动检测、自动入库、自动传送、自动清洗等一系列的自动化操作，大大减少了操作人员，使得生产人员节约大约70%，节约了人力成本。企业可以将更多的人员安排在产品的设计、销售以及售后服务等环节，将有利于企业从单一的生产制造商变为制造服务型企业，可以产生更大的附加值，为企业创造更多的利润。本方案采用了产品全生命周期管理软件，从产品的概念、设计、工艺、样件制作、成批生产、销售到售后服务各个阶段都可以进行信息的创建、管理、分发和应用，实现了研发、制造、营销、采购、售后服务等各部门围绕产品进行高效协同工作，缩短产品研制周期30%以上。APS、MES等智能软件对生产的高效管理和调度，使得车间的人员利用率提升15%以上，设备利用率提高25%以上，效率提高了，设备的能耗却在下降，真正实现了绿色制造。自动在线检测系统使用了先进的视觉检测技术和三坐标测量技术，对产品信息实时跟踪，避免了不良产品的流转，产品不良率进一步的下降30%以上，使得产品合格率大幅提高。

4  总结

制造业的智能升级已成为全球发展的趋势，要从制造大国变为制造强国，要从制造变创造，我们必须改革现有生产组织形式，采用更先进的设备，更先进的软件，形成一种制造的新模式。对智能制造新模式的研究还比较肤浅，我们还要更加深入的、全方位的研究智能制造的新模式，培养智能制造的新人才。

参考文献：

[1]岳维松，程楠，侯彦全.离散型智能制造模式研究——基于海尔智能工厂[J].工业经济论坛，2017（01）.

[2]侯彦全.远程运维服务模式研究_以金风科技为例 [J].工业经济论坛，2017（03）.

[3]赵文珂.速冻食品全流程智能制造新模式的应用研究[J].农业经济研究，2018（09）.