构建中国冲压行业的工业互联网平台

文／金吉光·苏州菲尼网器数字科技有限公司

刘丽旻·中国锻压协会

2020 年3 月国家发展战略提出“新基建”概念，明确了七大投资领域，工业互联网领域便是其中之一。工业互联网(Industrial Internet)是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石。

我国的工业互联网建设正处于起步阶段，各种软硬件能力不能满足现代化生产的需要。以冲压行业为例，正处在艰难的数字化转型期：一是CAM 等生产制造类软件的缺失，短周期、高质量、低成本的市场竞争与企业自身发展要求难以满足；二是作为制造业基础材料与零部件生产的冲压行业，在过去以实体实践迭代制造过程的进步方式，尚未全面在质量、交期、成本上赢得高端制造的优势，没有实现和互联网的全面接轨。

现代制造业要求产品从构思到样件的研制，必须能缩短研发周期、降低整体成本、提高产品的质量与性能；后期在量试、量产、备件阶段，实现“好、快、廉”的理想状态，因此，构建中国冲压属性的工业软件与工业互联网平台至关重要。

我国冲压行业现状

冲压模具成本居高不下

冲压与锻造的核心在于模具技术和生产工艺。以冲压行业为例，首先，需要根据冲压件设计工艺和模具；其次，才是冲压件的生产过程。冲压件就是对模具的誊写复制。在实际生产中，冲压力和受力变形分布需要计算；模具精度直接影响冲压件的精度，而且随着使用磨损后模具丧失原有精度，也需要预见与计算。传统手工绘制或者2D 设计图纸的方式，是根据冲压件多道压制结果偏差，推测模具型腔与轮廓成形尺寸，再次修正模具尺寸。

传统的冲压业竞争激烈。批量生产第一步就是获得技术新品的订单，大批量生产需要高质量的冲压模具，因此模具设计与制作周期是首样生产的关键。传统的冲压企业，首先要依据冲压件技术与品质要求，设计与制作简易的冲压模具，按照实际生产过程分工步生产。传统冲压生产会面临这样的难题：新产品研发期间的试产、量产技术变更频繁，质量控制与要求不断增加；批量生产后，为了降低成本和保证品质，会频繁出现技术变更的情况，导致加工工艺、模具结构的变更，同时样件检测确认与承认、图纸更新、文件版本、品质修正承认等文件也会随之变更。

为了应对市场要求与变化，一些管理薄弱的冲压企业，会采用囤积材料、在制品、产成品的措施，提前过量生产保证交期。一旦发生结果变更与品质修正，冲压企业会疲于奔命，管理、技术、质检、试制等人员难以应对，导致企业增加巨大的成本。在产能过剩、低价竞争、低效益的经营环境下，中小型冲压企业生存状况雪上加霜，旧的发展路线已经走到尽头，亟需寻求新的发展路线。

冲压仿真与模拟技术应用尚需提高

冲压生产中，材料成本占总成本的60%以上，材料的利用率低，会导致成本上升。传统人工计算排料会导致材料利用率、最小冲压力、最短工序、合理分配变形等问题很难实现多个可行方案的优选。而利用3D 设计、3D 仿真、3D 加工等工业软件，选取标准模架和冲压加工过程，可以实现运动模拟仿真，模具的零部件、冲压生产需要的外购件和材料的采购清单输出，模拟测试与演示自制零部件的数控加工和装配调试过程，甚至可以对任何需要的部位测试，进行理论与实际尺寸的误差对比，及时修正加工参数。

单个产品追逐冲压件和模具系统全过程的最优化，大多数有规模的冲压企业，或多或少实现了其中的一部分，但中小冲压企业由于经济和人才的制约仍然沿用纯传统技术与旧生产方式。

冲压过程的监控数据缺失

中小冲压企业一般都是采取人工管理模式，品质管控缺少系统性。例如，冲压及模具的信息登记不及时，生产调度记录错误频繁，冲压件和模具占用大量空间。因为缺乏有效的监管数据手段，不能掌控模具的使用状态，模具的定期维护保养以及报废更新，缺乏科学的数据决策依据。

冲压件材料与配件库存数量直接影响冲压零件的生产计划进度，半成品库存直接影响生产计划的正常推进。因此，模具、材料和零配件的数量管理，对生产计划员来说十分苦恼。传统的粗放管理模式下，不能及时准确地统计库存数量，模具实行无频次管理，不仅影响到生产零件的品质，还容易造成各类资源的浪费。冲压企业迫切需要引入新的数字采集技术，实现对模具全生命周期的管理，同时又能实时记录冲压原料消耗、冲压件的生产状况、产品的出入库情况，将繁琐复杂的数据统计与识别判别工作，变得简单透明。此外，产品的尺寸精度与品质在线量测监控更是鲜有采用。

工业互联网发展契机

冲压行业数字化、智能化发展的内在动力

有规模的日本冲压企业，在集团或企业内部构建国际性的数据中心与文件图纸管控平台，可实现新品研发阶段的过程控制，利用互联网技术在集团内使得客户可见，实现信息与数据的共享，通过账号身份认证机制，定向获取必要的信息与数据，不必等待事务人员层级转发、签发图纸文件等手续，实现快速交样与产品数据文件管理。成熟的欧美、日本企业在新办企业时，工厂建成时系统立即上线，保证用最短的时间达到设计产能，工厂生产管理运行的软件是基本保障。

过去中国中小企业，自身没有通信技术能力或者建设资金，无法搭建属于自己的信息与数据共享系统。随着云技术和平台的成熟，特别是5G 通信技术的出现，给中小微企业提供了经济的技术手段，为中小微企业生存带来了曙光。整体技术的集合就是工业互联网的概念，企业上云与工业企业互联能力的实现，可为中国冲压企业可持续良性发展跨越行业性障碍。

利用工业互联网平台，在新产品研发过程中的试样、冲压模具首样、量产批准等环节中，可以经济地实现缩短交样评判、图纸文件的传递时间。冲压企业在研发过程的管理水平，也会通过流程数字化能力的增强得到提升。

冲压行业发展的外在工业互联网生态机遇

首先，工业互联网进一步促进冲压行业的资源整合能力。工业互联网的应用能够进一步打破企业内部以及企业之间的信息孤岛问题，进一步促进行业产业链的细化，通过云计算、大数据和人工智能等新技术提升企业的资源整合能力。云技术及计算在冲压企业的普及与使用，大量的资源逐渐数据化，整合资源的成本将得到明显的下降。目前中国一些企业已经开始在工业领域搭建起了各类云服务平台，冲压企业可以借此来给自己赋能。

其次，工业互联网进一步提升系统生产效率。提升效率主要通过三类技术手段：通过物联网技术提升整个生产过程的自动化和信息化程度；通过云计算拓展员工岗位任务的时空范围，实现一人胜任多个岗位；通过人工智能技术降低工作技能要求和处理量，提升整体的劳动效率。

最后，工业互联网进一步提升可持续发展能力。在产业结构升级的过程中，冲压企业的绿色发展和可持续发展是重要的诉求，通过工业互联网的应用能够在很大程度上实现资源的有效和充分利用。从目前已有的工业互联网实践运用来看，对冲压企业决策效率提高的作用越来越得到认可。

工业互联网的发展不仅仅是科技企业的发展，更需要冲压企业参与。中国提出工业互联网的发展战略，每个冲压企业都要找到自己的位置与发展方向，并抓住发展机遇参与其中。随着数字化云技术的快速发展，相关平台的建设成本正在快速降低。

客户新品上市倒逼冲压企业改革

数字化转型本质是跨越管理数字化的鸿沟，管理必须实现信息化和数字化，其中，过程可视化是关键。进度可视与问题可视是关键：一是系统流程与进程需要菜单化；二是轻重缓急度量的标识化；三是视角维度的窗口化。以客户新品研制需要的技术试制件为例，新品研发前期的图纸设计尺寸与要求不完整、不清晰，试制品尺寸与试制过程的问题共享，在产品构思构造时重新确定尺寸与公差标准。传统模式下，客户要求冲压企业可以快速提供工艺方案、图纸尺寸技术要求、成本和时间评估，集团内部或多家企业要分别给出不同方案与评估结果，再从中选择可行乃至最优的方案，是一个非常难以协调沟通的过程。

在工业互联网的通信技术与软件构建引领下，企业能够实现低成本报价与快速评估。图纸和信息的流动障碍与非对称信息消除后的沟通效率，将是各类企业致胜的前提。高速信息工业网络构建、低成本云计算与存储，为大量面向行业的、专业的或是特定场景的解决方案提供了生存与发展的生态基础。

工业互联网实现冲压生产全过程管理

冲压件开发到量产一般采用四阶段18 步法，见表1。

表1 冲压件开发到量产四阶段18 步法

生产案例

接下来，通过一个具体的案例来介绍一下工业互联网平台下的冲压件生产的亮点。

某冲压件材料为普通镀锌板，展开尺寸1500mm×1200mm×1mm。零件展开后为单体的冲压件，由项目技术总工分割成4 个独立部分，如图1 所示。

图1 冲压件展开后分成4 部分

⑴冲压件新品研发阶段。

冲压件新品研发阶段，是配合新产品开发技术试验的冲压件制作过程，目的是为冲压件定型。冲压件定型本质是确定与完善图纸要求，此时图纸上非机能部位没有尺寸标注。没有IT 系统帮助时，此过程通常需要2 ～3 周；有了工业互联网平台的加持，可保证新品打样周期为72 小时，如表2 所示。

表2 新品试做72 小时生产安排

此冲压件新品开发设计与制作72 小时，根据每一个部位独立设计，依据加工难度级别，分别指派相应技能的设计人员和加工人员，如图2 所示。

图2 冲压件结构难度分级

⑵模具局部设计与加工。

快速局部设计和局部加工模具，不按照未来实际工序进行设计与加工，从而极大地缩短了设计与加工时间。一旦出现技术变更，只要修改对应的局部就可以快速完成模具变更，试制样品的检测也只针对变更部分和修正部分进行测量与记录。模具生产采用先模拟后制造的方式实现，通过模具设计软件推导各处参数与验证必要的尺寸，缩短了研发周期，减少了与实际参数的误差。

其中，不同设计者部分设计和分步制作模具，即将任务分解后派发给不同的设计和加工人员，图纸审批审核的流程控制，由系统自动进行，以保证快速协调共同完成。将模具制作切分成为可在规定时间内完成的工作量，完成情况、图纸下发、加工进度、检测记录也全部网上可见，有权限者可以下载，必要时可以通知变更预警与工作督促。

⑶样品检验与图纸数据交付。

样品完成时，调用3D 图进行对应的尺寸精度检测与记录，如图3 所示，检验合格的样品包装好交付客户。实际的测量尺寸在图纸上进行准确标注，便于客户直接进行核对与借用。

图3 调用3D 图进行对应的尺寸精度检测与记录

⑷冲压产品的数字化与数据的共享。

所有过程的图纸、数据、文书、流程的审批，项目的进度，全部系统共享。

特别值得介绍新产品的经验就是硫酸纸对照打印，如图4 所示。由于所有的图纸都是经过人工、系统的换算，容易出现操作性大的要素疏漏，过程的记录与编号非常复杂，通过1:1 精确地打印出来，并与半透明的模板对照，记录到对应的位置上，核对每一个尺寸与技术要求，避免出现誊写转抄的低级错误。在实际检查过程中，确实发现许多低级错误。

图4 硫酸纸对照打印

工业互联网平台总体框架

工业互联网不是互联网在工业的简单应用，而是具有更为丰富的内涵和外延。它以网络为基础、平台为中枢、数据为要素、安全为保障，既是工业数字化、网络化、智能化转型的基础设施，也是互联网、大数据、人工智能与实体经济深度融合的应用模式，同时也是一种新业态、新产业，将重塑企业形态、供应链和产业链。

这样的工作方式，在传统的设计与研发的方式下很难完成。如果自身构建一整套这样的系统，在过去很难想象其中的学习成本，在如今工业互联网技术支撑下，可以快速搭建成形，甚至可以短期借用平台的小应用，不需要购买昂贵的硬件和通信设施。工业互联网平台由许许多多小的应用组成，不仅仅是文件文书记录类的传递，更重要的是平台可以控制机械与设备的运行。这里的关键是安全、低延时、云存储、快计算、可视化等一系列设备与服务支撑，需要产业链规模化的软硬件服务商。

工业互联网产业链层次模块图

工业企业发展到一定程度，越是追求精益求精的高端企业，越是需要工业互联网的助力发展。制造业的智能化转型，需要部署到生产管理系统中的嵌入式工业软件变得越来越多，这些软件嵌入在控制器、通信系统、传感装置之中，采集生产过程数据，支撑起智能化工厂的感知和分析能力，成为制造业智能化转型中最为重要的部分。工业互联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，通过实现人、机、物的全面互联，构建了一个全要素、全产业链、全价值链连接的、新型的生产制造和服务体系，是促进传统产业转型升级、实现高质量发展的重要驱动。

工业互联网产业链(图5)可分为安全体系、设备层、网络层、平台层、软件层、应用层等六大部分。其中，信息安全体系渗透于各层中，是产业中重要的支撑保障；设备层是指包括智能生产设备、生产现状智能终端、嵌入式软件及工业数据中心；网络层是指包括工厂内部和外部的通信；平台层包括了协同研发、协同制造、信息交易和数据集成等工业云平台；软件层包括了研发设计、信息管理和生产控制软件，其中软件是帮助企业实现数字化价值的核心环节；应用层是包括了垂直行业应用、流程应用及基于数据分析的应用。

图5 工业互联网产业链层次模块图

工业互联网建设的组织要点框架

在具体建设投入前，必须对企业进行流程化建设，分专业模块梳理流程，实现流程的组织运行方式。表3 是流程建设的基本框架。

表3 流程建设的基本框架

某冲压企业工业互联网的总览实例

工业互联网是由许多产业、行业、企业、业务、设备组网而成的，具有多种多样的生态形式，图6 是某国际集团下属工业互联网建设的一个总览图。

图6 某企业工业互联网建设总览图

结束语

当前工业互联网融合应用向国民经济重点行业广泛拓展，形成平台化设计、智能化制造、网络化协同、个性化定制、服务化延伸、数字化管理六大新模式，赋能、赋智、赋值作用不断显现，有力地促进了实体经济提质、增效、降本、绿色、安全发展。

图7 某冲压生产线数字化建设示意图

冲压行业的许多企业，在装备改造升级的进程中，还是受传统思维影响，重视装备机械化及自动化能力。一部分企业对于未来对接工业互联网的基础建设思想认识不足；另一部分企业不知道如何进行数字化转型工作，没有专业的指导与系统性学习，没有做好必要准备工作，匆忙选择大型系统，导致效果与收益不明显。要构建中国冲压属性的工业软件与工业互联网平台，要做好工业互联网企业自身建设对接准备，首先要学习工业互联网的知识，了解其中的经济性和特点；其次，构建企业运行的模型；最后，实现整体贯通系统，构建上下贯通、左右贯通、主题贯通的流程性组织。这样才能保证企业在系统上线时用最短的时间达到设计产能，促进企业向智能化迈进。

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