工业4.0 智能制造全生命周期柔性生产线的研发与应用＊

任娇

（四川城市职业学院，四川 成都610110）

1 研究现状

目前中国高校在智能制造实验室的规划和建设还处于起步阶段，且主要集中在东部沿海地区的本科院校，而在以一线管理和技术人才培养为目标的职业院校则还非常少见。2014 年底，同济大学的中德工程学院和德国某科研机构历时一年，建成国内首个“工业4.0—智能工厂实验室”，为了节省数控设备资金的投入，其产线省去了产品实际机加工这一关键工位，取而代之的是虚拟的产品加工。杭州电子科技大学随后也提出打造基于工业4.0 的智能工厂实验平台和现代制造业校外实践基地。浙江机电职业技术学院近期也提出了建设智能制造实训基地的计划，重点打造工业机器人实训室、高端数控设备实训室等。随着工业4.0 智能制造的发展，中国普通高校及职业院校将会大力开展相关实训基地、课程标准、校企合作模式的探索及实践。以制造强国德国和美国为主在工业4.0 智能制造的人才培养和校企合作已经步入正轨，相关经验值得借鉴。瑞典SKF 与德国舍弗勒已开始运用智能制造和智能工厂，形成了示范线和标杆工厂；德国的亚琛工业大学与企业密切合作，已经建立先进的工业4.0 实验室；美国和德国一些大学已经开始规划工业4.0 的标准。

在国家的智能制造宏观政策指导下，结合区域智能制造行业发展需求特点，本院已率先建设完成此工业4.0 智能制造全生命周期柔性生产线，以期推动并支持新形势下人工智能在工业产品设计、工艺、制造、物流、管理、销售、服务、运维等产品全生命周期、产业链各环节的应用。

2 研究内容

工业4.0 智能制造全生命周期柔性生产线的研发与应用项目（简称“工业4.0 智能制造产线”）是一条高度集真实零件加工、高层次人才智能制造教学培训、柔性制造、产品全 生命周期管理等多种人工智能功能于一体的工业4.0 智能制造产线。目前已搭建起智能制造平台硬/软件架构，包括立库系统、五轴加工中心设备、产线及工位装夹设备、产品全生命周期管理系统（DoD-MES 系统）、基于PLM 的智能制造高层次人才培训系统（Teamcenter 平台）、“邻线”机床联动辅助系统6 部分。

目前已规划出产线3 个发展阶段：①整体功能架构搭设阶段（一期）；②深层次研发及对外经营阶段（二期）；③强化科研投入及推广应用阶段（三期）。一期可实现立库毛坯/产品的智能存储、样品的全生命周期信息管理、虚拟仿真系统的试运行等功能；二期在产线一期既有功能及不足基础之上，联合西门子等相关企业共同深层次研发挖掘与标准工业4.0 的技术差距、优化产线、提高智能制造程度，同时立足龙泉汽车制造城，面向汽车制造企业开展产品定制化服务及人才培训，以此验证深层次技术研发效果；三期对产线应用进行深入挖掘，开发多种实训应用内容、实训课程以及对外培训课程，形成专业的校内实训和校外培训体系，为院校、智能制造企业进行技术服务指导与培训，将产线技术在业内进行深入推广。

3 研究过程

3.1 产品加工技术路线

本项目主要包含两部分，即智能制造产线和数字孪生技术。所采取的方法是依据涡轮增压器实际的生产工艺的关键工艺——轴和叶轮。总体思路：远程下单—产品设计—加工工艺规划—MES 系统数据下发—轴和叶轮的机床加工—产线工艺规划—产线工艺仿真—产线虚拟调试—智能产线进行完整工艺演示—MES 系统数据采集与监控的流程。其中核心点在于PLM 部分（即MES 系统、数据管理系统、产品设计和加工软件、工艺规划软件、工艺仿真软件、虚拟调试硬件）以及和产线部分（包含立体仓库、各单位共战、机器人、AGV）的集成，实现虚拟环境和实际生产环境保持一致，即数字孪生。

3.2 虚拟调试技术路线

虚拟调试技术是通过在软件里面形成一条和实际智能产线完全一样的模型，在进行了机械结构与电气信号结合的运动仿真后，通过虚拟仿真调试设备，让指令通过真实PLC来操控电脑里面的产线模型，在虚拟环境中模拟真实生产。

4 特色创新

4.1 柔性制造

柔性制造可满足产品个性化定制的需求，考验的是生产系统对产品变化时的反映能力。针对柔性制造在工业4.0 产线的应用规划分为两步来实施。

目前，第一步已实现同类型产品的柔性制造，即不同类型、不同尺寸的涡轮增压器可在此条新建的产线中加工生产，主要是利用产线中工位的工装夹具具有柔性特征，且在整条产线的4 个关键工位投资100 多万分别安装了4 台工业机器人来进一步适应柔性化的要求，分别是流线系统的上下料单元（1 号六轴机器人）、机加工系统的上下料单元（2 号六轴机器人）、三坐标测量工位（3 号测量机器人）、装配工位（4号四轴机器人）。

柔性制造的第二步即在工业4.0 产线三期工程引入3D打印技术，此步可实现的功能不仅仅局限于相似产品的制造，更重要在于可实现不同产品的柔性而且快速制造。3D 打印技术的引进可从根本上解决两方面问题：①扩大柔性制造的产品范围；②极大地提高产品的加工制造效率。根据目前分析，单从加工效率上就可提高8～9 倍。后续3D 打印技术可与五轴加工中心形成并行制造系统，但后期生产应用以3D打印技术为主，五轴加工中心为辅。

4.2 产品全生命周期管理系统

为解决个性化定制与产品快速交付、生产成本之间不可调和的矛盾等问题，智能制造生产线必须推进数字化建设，将单一数据源贯穿规划、设计、工程、生产直到产品服务的整个周期，实现从设计端到制造端全面集成。在智能制造系统内就引进了生产制造执行系统——DoD-MES 系统。在DoD-MES 系统中，通过产品上的RFID 标签可实现产品从出生到最终报废的全生命周期的信息管理，而且系统企业还可通过DoD-MES 平台对产品进行实时下单，与传统制造模式相比，可大大节省产品辅助加工时间。该工业4.0 产线通过在托盘上引入RFID 标签来记录产品的全生命周期信息。

4.3 产品虚拟仿真系统

产品虚拟仿真系统主要是利用“数字化双胞胎”技术，在Teamcenter 平台上形成一个虚拟工厂，在产品进入实际生产前对产品及制造过程进行验证，从而确保对产品性能、可制造行、盈利性有充分的把握。虚拟仿真系统应用的创新性如下：①与企业发展技术接轨，培养符合企业需求有竞争力的人才。随着自动化装备的智能化程度要求的提高，自动化装备的在机械、电气和软件集成变得更为紧密，多学科的融合使得设计开发工作变得更加具有挑战性，虚拟调试技术经大量国内外知名企业（包括奔驰、宝马、大众、沃尔沃、特斯拉、KUKA、柯玛、德梅珂等）实践证明能够最大限度缩短自动化生产线装备现场调试时间，节约宝贵时间，协助将新产品提前上市。为迎合企业的智能高端人才需求，让企业技术人员在虚拟工作站实训系统中进行虚拟调试，掌握学习先新技术势在必行。②以数字化双胞胎技术为基础，承接虚拟调试（Virtual Commissioning）技术社会化培训、咨询、服务外包等对外业务。由企业方派专业技术工程师进行学生技术指导，除带领师生对生产线智能装备的虚拟调试工作外，还带领学生承接企业相关的虚拟调试技术项目服务、技术应用培训和咨询等服务。

5 结语

以一体化运作、专业化服务为方向，整合资源、提高效率、加快转型与提升，着力打造在智能制造领域具有引领作用的工业4.0 智能制造全生命周期柔性生产线应用，以区域的汽车制造企业为基点，逐步辐射全国，服务中国制造企业的升级换代。