工业4.0智能工厂工艺规划设计

姜巍

摘 要：目前世界正处在德国“工业4.0”、美国“先进制造业国家战略计划”、日本“科技工业联盟”、英国“工业2050战略”、中国的“中国制造2025”的大时代，在“一带一路”政策的推动下，在“精益生产”和“两化融合”运动的引导和带动下，工业4.0智能化生产是大势所趋，也正在一步步开展。

关键词：工业4.0；智能工厂；工艺设计

中图分类号：F424 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）23-0059-01

“工業4.0”由德国政府在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出，是德国针对制造业发展进程的不同阶段给出的定义。在2013年德国联邦教育研究部发布的《工业4.0战略计划实施建议》中，对不同的工业发展阶段进行了定义：工业2.0是电气化，电力驱动的机械使生产制造的规模化得到空前发展；工业3.0是自动化，电子和信息技术的大量应用，使得生产环节的自动化水平不断提升；工业4.0是智能化，其特征是以智能工厂为核心，建立起一整套规模化、定制化的产品设计、生产及服务模式，真正实现工业由制造向“智造”的转型升级。

1 典型智能工厂简介

沃尔沃大庆工厂，100%采用了电动扳手，这一驱动方式的变化带来了巨大的智能化潜力，不仅仅使得紧固效率和精度更高、紧固质量监测更精准外，该工厂出产的每一辆产品的每一个螺栓紧固数据都会独立建档保存，10年内可追溯出现的任何问题。再比如焊接生产线上，216台ABB机器人的引用让焊接自动化率超过70%，S90长轴距豪华轿车有5789个焊点，其中有4000多个焊点是由机器人自动完成焊接的。为了实现这样的焊接水准，沃尔沃采用了自适应焊接系统，每次焊接前，设备会检测板材的电阻情况，根据得到的板材数据自动进行调整焊接参数，保证每一个焊点都能达到一致的焊接效果，同时每个焊点也同样可追朔出现的任何问题。不过以上具体的生产工艺，都是建立在大庆工厂的信息化系统基础上的，工厂内大批量的智能设备要实现互通互联，最关键的一点就是信息化系统与设备间的完美配合，即在面积有限的厂房内，数以万计的生产制造设备，要通过复杂的有线、无线网络的无缝连接。

梅赛德斯奔驰，在生产中的创新型自动化解决方案如下：使用协作机器人团队C级后轴的新型建造和装配概念，基于目前的技术水平，梅赛德斯奔驰与Fa.Kuka机器人公司在“装配21”研发项目中共同开发了新型、整体的装配概念。一方面，要为目前的人工、耗时的装配车间找到符合现有机械化水平的解决方案。另一方面，要寻求更轻便的工件运输解决方案，以替代目前多个传送部件组成的固定装配传输带。目前完整的后轮由45个协同的KUKA机器人（也就是相互联网的共同工作系统）装配完成。直到工序最后，轴承才会放置到由12个人工工作台组成的连续运转转车台上，以完成具有各种变化的配件产品。在中性的转车台上，所有工序得以汇总，这保证的装备无需改变装配节奏或工作内容即可应对数量要求变化的高度灵活性。一个机器人组合包括至多六个机器人，体现了极高的协作效益。

2 轨道交通企业特点

轨道交通产品整车组装工序的工序和部件制造工序都是比较多的，相对于汽车制造最终组装约70道工序400多个部件来说，都呈现了数量级的增长，工序和部件的增多势必带来工位、节拍、物流和信息化的高度复杂化。另外作为组装平台的车体，基本尺寸基本在18-30米，重量达15-30吨，如此的庞然大物如果实现频繁移动，在设备、空间和安全上均对成本和管理提出了过高的挑战。

3 智能生产线工艺规划设计

在工厂的生产全流程相关业务中，工艺工作处于基础与先导地位。工艺决定了产品的生产流程，从而影响了工厂的布局、运行方式和生产组织方式，这些因素共同决定了产品的生产效率和质量。智能制造生产线的设计基础是进线零件的加工工艺设计，工艺设计应先行开展，并要经过充分讨论。

智能化生产线的开展步骤通常是：（1）工艺规划、车间布局等顶层总体设计；（2）智能化设备的选型，物流、仓储、机器人选型，硬件建设；（3）系统控制接口、物联网建设，运行控制软件设计开发；（4）系统集成、联调。

可以看出，智能制造的加工工艺技术是智能制造生产线顶层总体设计的基础，是智能制造生产线设计首先要开展的，它决定了生产线中最重要也是投资最大的硬件，即加工设备的选型，也是智能制造生产线调度、运行控制的决策依据，是决定智能制造生产线的节拍、工艺流程、产品质量的关键技术（王文理，康永峰，2016）。如果说设备是工厂的肌肉骨骼，传感器和网络是工厂的血管神经，那么工艺则是工厂的灵魂。

智能化生产线建设过程中工艺工作应着重从以下五个方面进行：（1）优化现有工艺工作流程，实行工艺标准化，推广工艺精益化，研究工艺稳健化。无论是传统生产方式还是工业4.0环境下的智能工厂，都需要有精益稳定的制造工艺，这也是解决效率和质量问题的根本途径。所谓智能工厂的“智能”是技术人员将一系列的判断因素、思考逻辑，根据具体的业务流程进行提炼而形成的，还无法与人类的智慧相提并论。因此，其对制造工艺的要求比传统的生产方式要高很多，不完善的工艺在目前的状况下只会导致我们的生产效率低下、产品质量不稳定，但在工业4.0环境下，不稳定的工艺规程则会出现预测外错误，使智能工endprint