智能制造单元设计流程与关键要素浅析

黄超　王文理

摘 要：为推动智能制造单元的科学建设，提出了智a能制造单元方案的设计流程和体系架构，梳理了智能制造单元设计所涉及的重点内容和关键要素，对于发展智能制造技术、构建智能制造单元和落实智能制造在生产中的应用具有较好的参考价值。

关键词：智能制造;数控加工;加工工艺;生产管控

中图分类号：TP317.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0035-02

0引言

随着新一代信息技术的快速发展，以及与先进制造技术不断深度融合，以智能制造为代表的产业升级正在兴起，数字化、网络化、智能化日益成为未来制造业发展的主要趋势。随着“中国制造2025”的持续深入推进，智能制造技术在研究和应用方面均取得了较大进展，大量文献阐述了智能制造的内涵[1]、架构[2]和关键技术[3]，并已开始实践、建设了一批智能工厂[4]和智能制造生产线/单元[5]。

制造单元是企业进行生产活动的最基本组织，而智能制造单元是发展智能制造的基础载体，因此很多学者围绕智能制造单元做了大量的研究工作，特别在具有多品种、变批量特点的航空航天等离散制造领域，智能制造单元越来越多的被应用于零部件的制造、装配工序中。目前，国内很多企业都在设计、筹建智能制造加工单元，通常的步骤是[6]：

（1）零件选型、工艺规划、车间布局等顶层总体设计;

（2）智能化设备、物流、仓储、机器人等硬件选型、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，智能制造单元方案总体设计作为智能制造单元建设的基础，是智能制造单元建设中首先要开展的。基于此，本文提出一套智能制造单元方案设计流程，并对其中的重点内容和关键要素进行分析探讨。

1智能制造单元方案设计总流程

设计智能制造单元方案的流程如图1所示，首先根据产品的设计输入与产能需求，设定系统目标，分析现有制造现状，明确未来产量等目标;其次分析并明确智能制造单元在人员、场地、生产组织方式、安全环保等具体约束;再次在系统约束下进行各关键工序的典型工艺开发、优化，使生产流程适用于智能制造单元的稳定、顺利运行;然后基于上述工艺，完成设备选型与工艺、生产仿真，评估制造单元的运行效能;随后基于生产运行仿真结果，以及精益生产等原则，优化并完成制造单元的布局;最后基于不同产品、不同企业的生产管理流程，完成管控软件规划，开发集成控制方案，形成完整的智能制造单元整体解决方案。

2智能制造单元系统目标设定

建设智能制造单元首先要明确应用对象。一般而言企业会选择需求最迫切、亟需大幅提高产能的产品。但这些产品是否能够通过智能制造单元生产，首先就要判别其制造工艺以及生产现状。智能制造是在工业互联网与数字化制造的基础上发展起来的，其典型特征是“状态感知—实时分析—自主决策—精准执行”，即依靠高精度快换工装系统、机器人自动装卸运输、立体仓库存储、生产信息数字化等技术手段，实现自动调度、无人干预自动运行、生产状态智能分析决策等。所以，智能制造单元可应用的产品必须满足其生产工艺能够适应无人自动化生产等要求。

以机械加工行业为例，目前我国机械加工的技术水平基本上处于“工业2.0”至“3.0之间”。产品制造仍大量使用普通机床手动加工，自动化数控设备成本较高，部分关键工序才采用数控加工。另一方面，产品制造存在大量的现阶段难以自动化加工的工序，例如钳工、研磨及热表处理等。因此对于智能制造单元内产品的选择，其制造工艺应该达到以下基本条件：（1）各类基础工艺成熟可靠，加工质量较稳定;（2）能够将普通制造工序改为数控加工;（3）能够采用自动装夹，可精确定位;（4）人工干预及手工工序尽可能少，如无法进入加工单元，可调整这些工序至线外。

3智能制造单元工艺开发优化

一般而言，制造企业的现有工艺是基于已有的设备，其间穿插大量的手工操作，制造流程较为分散，且严重依靠操作者的自身水平，而这种过于繁杂的制造流程会对智能制造单元的高效运行产生极大负影响。因此，智能制造单元所用的加工工艺必须经过重新开发优化，甚至推倒重来，通过融合整合现有工序，充分利用智能制造单元内的自动化设备优势，基于工序集中原则，减少制造工序与装夹次数，依靠设备的功能优势来实现产品一致性及质量，实现零件在单元内的高效加工与流转。此外，通过先行开展的工艺设计，可起到如下效果：（1）明确产品的制造流程，以及在单元内各设备之间的流转顺序;（2）直接影响制造单元的设备种类与数量，进而可确定最大的投资项;（3）制造参数决定了产品的加工质量及生产节拍，进而可预估产品合格率，并计算出毛坯数量、刀库容量、缓冲站数量等生产物资数量;（4）减少了对人工技能的依赖，发挥了设备的优势。

例如，某钛合金机匣结构复杂、加工精度高，现有制造路线异常繁琐，大量的非数控加工及手工工序穿插其中。这种复杂的传统工艺显然不适合智能制造，必须使其制造路线适用于智能制造单元，依据“可智能生产调度、可利用自动化设备制造、可采用快换工系统、可自动装夹及物流配送、工序需集中”等原则重新设计制造流程。该机匣工序将原来30多道压缩为10道，并把热表处理及特种检验等工序都放在制造单元外，从而适用于智能制造流程。

适用于智能制造的工艺开发还需考虑自动化运行带来的新问题，例如工装夹具必须满足加工稳定和自动化等要求，就需要增加零点定位快换系统，将该系统直接嵌入设备工作台与工装上，形成唯一的零基准，无需人工进行调整校正。同时由于具备标准化接口，通过智能制造单元管控软件中的夹具管理模块，实现与设备通讯并完成基准智能调整与自动化传递，完成单元内不同设备之间的高精度、高效率转换。此外还有刀具等生产物资的寿命管理，由于加工过程中无人值守，所以刀具必须在即将崩刃或断裂前更换，或者在加工过程中监测到刀具异常时立即處理。

4智能制造單元设备选型与布局设计

智能制造单元一般由若干工位构成，各工位有实现特定功能的设备，在各工位之间依靠机器人等自动化物流装置实现生产的流动。整个单元依据产品流动形式，常选择一字、环形等布局形式。因此，智能制造单元需选择主要关键设备作为精准执行机构，辅以信息在线采集和分析决策等软硬件模块，具备自动装卸料、柔性夹持、精准定位、加工执行、在线检测、实时分析和智能决策调整等功能。

其中，精准执行机构涵盖数控加工/检测设备、机器人上下料系统、柔性自动装夹装置、定位夹紧快换工装和在线监控装置等，可实现产品的精确制造、加工过程实时检测、制造过程的自动上下料、加工件的柔性装夹、工装状态的自动判断及自动定位调整、加工完成后的自动检验评价，以及生产状态的实时监控等功能。柔性自动装夹装置主要实现不同尺寸产品的可靠装夹，满足多品种、变批量等生产需求。信息在线采集系统将“精准执行机构”产生的制造状态数据、质量结论、物流信息、加工进度和设备运行参数等数据进行采集。分析决策模块将上述采集的信息进行分析，基于当前制造单元是否按时完成加工任务、运行过程中的工艺参数是否满足产品质量要求、工装装夹状态和位置等是否满足加工要求、单元所含的设备是否运行平稳等问题，进行智能判断与决策，并将修订指令反馈给精准执行机构，对存在的问题形成解决措施和及时调整，最终实现工艺参数分析及实时调整、工装状态判断及自适应调整、设备故障预测及自我修整和制造单元的生产状态评估等闭环运行。

5智能制造单元管控系统规划

智能制造单元管控系统基于生产实际过程和企业相关要求，构建生产运行管控逻辑，实现对制造单元集中管控和资源统一配置。首先，通过制造单元内的各类传感器构成的信息采集系统，对智能制造单元进行状态感知和数据信息实时采集，主要包括生产计划、工艺规程、生产执行、制造资源、扰动情况、质量检测、物料物流和设备运行等数据。其次，获取数据后，管控系统需对其中有价值的数据进行筛选和整合，构建基于数据挖掘的单元运行状态、生产进度、加工质量和设备故障等关键要素和数据之间的关联模型，进一步明确基于时序的单元运行状态、生产进度、加工质量和设备故障随时间的演化规律，并对未来发展进行科学的预测。最后，建立智能制造单元相对应的数字孪生模型，实现物理现实和虚拟现实的精确映射，通过基于生产进度的演化规律预测，利用决策规则库和决策算法对设备状态、制造进度、生产资源平衡、波动因素（产量变化、质量问题、设备故障、生产物资短缺）等进行智能评估和决策，并生成调度依据与调整指令，反馈给精准执行机构，从而实现对智能制造单元生产的优化调整。

6结语

智能制造已成为我国制造领域未来发展的重点方向之一，如何落实智能制造成为当前的研究重点。本文围绕具有多品种、变批量特点的产品生产，以自动生产工艺技术为牵引，以制造执行装备为核心，以生产运行管控为灵魂，以自动物流配送为纽带，研究了智能制造单元的主要设计原则，凝练一套智能制造单元方案设计流程，梳理了其中的重点内容和关键要素，对于发展智能制造技术、建设智能制造单元具有较好的参考价值。

参考文献

[1] 李清，唐骞璘，陈耀棠，等.智能制造体系架构、参考模型与标准化框架研究[J].计算机集成制造系统，2018，24（3）：539-549.

[2] 韦莎.智能制造系统架构研究[J].信息技术与标准化，2016（4）：50-54.

[3] 邹方.智能制造中关键技术与实现[J].航空制造技术，2014（14）：32-37.

[4] 单继东，曹增义，王昭阳.航空发动机制造企业智能工厂建设[J].航空制造技术，2018，61（15）：70-77.

[5] 王庆，陈宁，刘辉，等.航天典型壳段加工智能生产线总体方案探索[J].航天制造技术，2017（6）：57-60.

[6] 王文理，康永峰.工艺在智能制造生产线设计与运行控制中的重要作用[J].航空制造技术，2016（16）：48-51+62.