一种智能化生产线设计方案研究

2019-10-22黎水平

制造业自动化 2019年10期

黎水平，张青

LI Shui-ping, ZHANG Qing

（武汉理工大学机电工程学院，武汉 430070）

0 引言

中国是全球制造大国，但近几年陆续发生的缺工、劳资关系紧张等问题，引发了一波“制造业回流”的热潮，如美国总统奥巴马主动提出高阶制造业回流政策，包括福特、苹果、英特尔等已逐步将高阶制造业生产线移回美国境内[1]。种种大环境促使制造业急需进行转变，而智能化生产线可以很好的解决这些问题。

随着新一轮科技和产业革命的到来，物联网、云计算、大数据、人工智能等新兴技术大量涌现，新产业层出不穷，尤其制造业的数字化、网络化和智能化趋势愈发明显，全球制造业格局发生重大调整，我国也全面推进制造强国战略。2015年，《中国制造2025》规划出台，智能制造成为主攻方向。2016年，《智能制造发展规划（2016-2020年）》出台，明确“十三五”期间我国智能制造的发展目标和重点任务。随着《智能制造工程实施指南（2016-2020年）》、《国家智能制造标准体系建设指南（2015年版）》以及《中国制造2025》“1+X”规划体系等相关政策的发布和实施，智能制造试点示范专项行动持续推进以及地方政府支持政策的逐步落实，我国企业发展智能制造的内生动力进一步激发，智能工厂、数字化车间加速建设，智能制造新模式不断涌现[1]。

本文以铝合金门窗智能化生产线设计分析为例，从产线功能分析、结构设计、物流系统设计及信息系统设计这四个方面，提出一种智能化生产线设计方案，为实现智能化生产线设计的规范化、流程化提供参考。

1 生产线功能分析

1.1 必要性与可行性分析

生产线必要性及可行性分析是设计智能化生产线的基础，是决策层判断及审定的依据，对项目是否立项起着决定性的作用。因此，企业在开始投资建设一条智能化生产线之前，必须先进行生产线的必要性与可行性分析[3]。

必要性分析说明建设智能化生产线对企业的发展是必要的。针对企业当前状况，如生产能力不足、现有的生产条件对工人的技能要求过高、劳动条件太差、劳动强度太高等，对这些情况进行必要性分析；针对企业发展预期，随着科技水平的进步，企业必须更新生产手段，提高企业的生产能力、提高产品生产质量，实现智能化生产，以满足未来市场的需求，利于企业未来的发展。

确定了建线的必要性，企业也不一定能实现生产线的建设，或实现的成本太高不合算。因此，还要进行可行性分析，一般从经济可行性、技术可行性及运行可行性三个方面进行分析，其中技术可行性是从技术层面进行分析，包括加工对象、加工工艺、生产设备、物流路线、总体布局、系统控制、生产管理等其他技术，是可行性分析的关键。

随着建筑节能工作的推进，铝合金门窗在建筑门窗市场上的使用比例有较大的提高，产能得到大规模扩张，《2018年版铝合金门窗行业深度调研及市场前景分析报告》对此进行了全面的阐述与论证。但是国内铝合金门窗制造业在科研、技术及研发费用上的投入与这样的大规模需求不成正比，大部分铝合金门窗生产设备的自动化程度较低，需要大量的工人手动操作完成，工人劳动的条件较差、劳动强度较大。因此，根据某企业的实际需求，计划建设一条铝合金门窗智能化生产线，这对于铝合金门窗市场具有重大意义。

1.2 功能要求分析

设计一条智能化生产线，首先要明确该生产线所加工的产品，然后根据产品的加工工艺要求，定义该生产线的功能要求，并确定所需的技术条件，从而进行智能化生产线的设计。

智能化生产线的一般功能要求如下[4]：

1）具有自动加工功能。根据实际需要，提升系统、软件及伺服驱动配置，实现加工自适应功能。

2）具有自动上料、定位、夹紧、下料功能。

3）具有工件自动转移功能。可采用机械手结合主机的坐标运动实现，也可采用智能化工业机器人实现。

4）具有自动监控、检测和干涉性运动互锁功能。如夹紧动作是否到位、工件转移过程的干涉规避等。

5）具有主要尺寸在线测量、自动补偿、误差分析和处理功能。

6）具有加工参数自动优化功能。根据工件状况、设备状况、刀具状况、生产节拍等因素，实现加工参数的自动优化。

7）具有生产计划自动规划和优化功能。根据生产总计划及生产线状况，自动规划、选择相对最优的生产计划。

8）具有与生产线上下位数据交换和处理功能，通过互联网及相关智能化软硬件技术，实现生产线信息化、智能化管理和控制。

9）根据实际生产状况需要的其他智能化功能。

铝合金门窗的制造加工是指生产工人利用锯切设备、端面铣床、仿形铣床、冲床、钻床等加工设备，进行铝合金型材的上料、定位、夹紧、转移、缓存、切割、端铣、钻冲孔等加工，并完成相应的工装、检测与包装全过程[5]。因此，铝合金门窗智能化生产线除需具备上述一般功能要求，还需要具备加工过程中铝屑的自动清洁功能、锯切噪声控制等其他功能。

1.3 功能模块设计

根据智能化生产线的一般功能要求，将其划分为若干个功能模块，如图1所示，其中左边部分是生产线的基础和主体，满足生产线的功能需求；右边部分是生产线功能的进一步提升，体现生产线的智能化加工。

2 生产线结构设计

2.1 工艺流程分析

图1 智能化生产线功能模块设计

根据智能化生产线的功能要求分析，确定加工产品的工艺流程。工艺流程是指在生产过程中，利用生产设备将加工产品按一定的顺序进行连续的加工。首先根据产品的加工特点和技术要求，对加工方法及工艺路线进行分析，将完整的工艺流程分成若干个工序，每个功能模块完成一道工序的加工；然后利用流程改善法ESIA/ESCRI，综合考虑工序的集中性、合理性、选择性及成组技术原则，简化、合并相应工序，减少不必要的操作，最后采用新技术完成工艺流程的智能化、优化改进。

铝合金门窗是典型的由订单驱动的产业，属于多品种、小批量的生产线。随着个性化生产趋势的流行，不同系列和结构的铝合金门窗生产工艺存在部分差别，但总体的工艺流程基本一致，主要包括锯切、机加工、组装、包装等流程。下面以铝合金平开窗为例，其制作工艺流程如图2所示。

图2 铝合金平开窗制作工艺流程

2.2 工位设计

根据加工产品的工艺流程，结合智能化设备的功能，可以进行智能化生产线的工位设计。通过分析加工产品的材料、加工内容、加工精度要求等，明确加工过程中的加工设备、工序标准、操作要求、工艺参数等内容。

其中，智能化加工设备是基础与关键，对生产过程进行自动感知、智能监测、智能调控和智能维护，实现生产过程的高效、低耗、优质等目标，决定整个智能化生产线运行逻辑与策略的落地和实现。其中，自动感知是智能设备实现智能化的前提，通过嵌入各种类型的传感器，实时采集加工过程中的各种生产数据，同时监控设备的运行状态，实现故障预警；智能控制系统分析采集到的数据，实时调控设备的运行参数，实现自适应加工。

根据铝合金平开窗的工艺流程，可以确定铝合金门窗智能化生产线工位应包含上料，扫码，锯切加工，端铣加工（型材端面铣削榫口），钻铣加工（排水槽、执手孔、安装孔等孔槽加工），穿胶条，窗框拼接组装、窗扇组角，安装五金件，窗扇装玻璃，成品包装，检验入库等工位，表 1列出主要工位的作业内容。对应的设备包括锯切加工中心，端铣设备，数控钻铣机床，穿胶条机，数控组角机，自动检测设备，自动包装机，柔性输送系统，RFID扫描系统，视觉识别系统，铝屑集中输送系统，安全防护装置等。

表1 铝合金平开窗主要加工工位

2.3 布局设计

生产线布局设计主要是依据生产线的功能模块及工艺流程，综合考虑物料的运输、工厂占地面积等因素，使生产线实现的功能较多、使用的设备较少、占地面积较少。合理的布局不仅可以提升场地的利用率，而且能有效地集成生产线的物料流、信息流，促进生产效率的提高。因此，生产线的布局设计非常重要。

根据工位的作业内容，合理地选择能满足功能需求的加工设备，然后依据主要工位设备的生产效率及产线的生产节拍要求，计算每种设备所需的数量。生产节拍的计算公式如下：

式中：t为生产节拍，min/件；T为产线每天工作时间，h；N为每日计划完成产量，件；n为工位所需设备数量，台；Tn为单台设备完成工序所需的时间。

按一年252个标准工作日进行计算，生产线采用三班制，每个工作日工作24h，根据企业的生产计划要求，铝合金门窗生产线需要满足N件/天的产能，铝合金门窗智能化生产线主要工位设备信息如表2所示。

表2 铝合金门窗智能生产线主要工位设备信息表

确定设备的类型及数量后，通过建模进行布局设计。定义以下符号：m为设备数量；n为零件数量；j为第j台设备；fjk为物料从设备j到设备k的运输频率；Cjk为设备j和设备k间传送每单位距离的运输成本；Sj为设备j的长度；Qj为设备j的宽度；S为车间的长度；Q为车间的宽度；dxkj为设备k和设备j在X方向的最小间距；dykj为设备k和设备j在Y方向的最小间距；Xj为设备j的X轴中心坐标；Yj为设备j的Y轴中心坐标；Git为第i个零件在第t个工序的加工设备；令Git=F，Gi(t+1)=T。

设备间的物流运输频率用矩阵f表示为：

设备间的距离用矩阵d表示为：

设备间单位距离的物流成本用矩阵c表示为：

使设备布局模型的物流效率最高，则相应的目标函数为：

约束条件为：

通过上述模型可求出每台设备的位置信息，按照该数据进行生产线的布局设计。

3 物流系统设计

在智能化生产线中，物流系统实现物料的输送、工序间工件的转移、中间储存等过程。资料显示，在中等批量的车间里，物料在机床上的加工时间仅占生产时间的5%，而95%的时间消耗在物流运输及等待上。而合理的物流系统可以充分利用场地资源、减少流转时间、优化物流路径、提高生产效率，可见物流系统对智能化生产线的设计有很大影响。

物流系统的设计主要是对物料的输送型式、输送设备等做出合理安排。考虑物流系统的规模、输送柔性、投资等因素，选择合适的输送型式，常用的输送型式有直线型、环型、网型、树型等，其中应用较多的是环型，其次是直线型。

常见的输送设备有输送轨道、皮带、输送链、关节臂机器人、桁架机械手、堆垛机、物料运输小车AGV/RGV等。其中AGV的应用较多，主要包括自动小车、车载控制系统、地面控制系统及导航系统。车载控制系统负责自动小车的驱动、导航、装卸操作、路径选择等，目前主要的导航技术包括坐标导引、电磁导引、光学导引、惯性导航及GPS技术等；地面控制系统主要解决车辆管理、交通管理、通信管理等问题，是AGV系统的核心。

图3 智能化生产线信息系统功能结构图

在设计物流系统时，还需要考虑以下几点[6]：

1）运输方向应与工艺流程一致，尽量减少中间停顿、转换环节；

2）考虑工厂的占地大小及分布方式，合理布置物料的进出；

3）综合考虑各工序的加工时间，使物料在各工序的输送及加工时间趋于均衡；

4）尽量使物料运输的路程最短，减少输送时间，不影响物料的加工；

5）物料的输送应方便机械手的取放，使机械手在取放的过程中能更好的适应物料的姿态，避免避让输送设备时造成过多运动。

4 信息系统设计

智能制造的基本特征是实现生产过程和生产设备的数字化、信息化和网络化，信息系统是智能化生产线的核心组成部分。在信息、数据实时共享的基础上，构建中心数据库及各专业数据子集，通过大数据分析，集成产品订单信息、资源信息、设备信息、生产信息、质量检测信息等，实现智能化生产过程的控制与管理。

智能化生产线信息系统包括产品生命周期管理系统PLM、企业资源计划系统ERP、制造执行系统MES、仓储管理系统WMS、自动化设备及过程控制系统PCS，各个部分的功能如图3所示。

其中，MES系统是智能化生产线信息系统的核心，通过MES系统与其他系统进行连接，实现信息数据的集成与交互，提供制造数据管理、计划排产管理、库存管理、质量管理、现场设备管理、生产过程控制、底层数据集成、上层数据分解等管理模块。

生产管理系统接收生产任务指令后，通过PLM系统调取制造BOM信息及工艺文件数据，依据BOM信息向ERP系统发送生产排程指令，生成生产计划；同时，向WMS系统发出物料领取指令，生成领料计划；MES系统将工艺文件数据、生产计划下达至生产线中控系统[7]；中控系统根据设备的忙闲状态及加工能力综合决定所需的加工设备，进一步分析零件的工艺特征及设备的性能，确定设备的最佳工艺参数；同时根据实际情况向物流、刀具等系统发送相应的指令，实现智能化加工及生产任务均衡分配。

5 计算机仿真分析

搭建生产线前，首先在计算机中利用仿真软件构建与实际生产一致的生产模型，模拟生产、控制、决策、数据处理等过程。软件中不仅可以模拟真实生产线的运行效果，当运行出错时，只需要在软件中进行修改，避免实际模型设备的浪费，降低开发成本；而且通过计算机仿真，可以发现生产过程中的瓶颈问题，监控生产效率等重要性能指标[8]。因此，完成铝合金门窗智能化生产线的上述设计后，参照其工艺结构和布局设计，利用EM-Plant软件进行仿真分析。

根据系统的功能需要建立相应的对象类型库，依据功能模块划分为若干个子模型模块，参照生产线的工艺流程与设备布局情况，将子模型放入总模型的相应位置上，通过物料输送子模型进行连接，完成相应属性和逻辑策略的设置，将订单数据输入仿真模型中运行，基本的仿真模型如图4所示。

图4 铝合金门窗智能化生产线基本模型

设置生产线各部分功能参数，使其按生产计划要求完成每天N件的工作量。通过对仿真模型连续多个工作日的仿真，从模型的资源统计信息图5中可以看出，该生产线部分功能模块能保持较高的工作效率，如锯切、数控钻铣机加工、穿胶条等工位，而组框工位的等待空闲时间较长，可见该生产线各功能模块负荷不是特别均衡，但能正常的按要求完成每天的工作量。如果企业的要求较高，可以进一步对该生产线进行优化。