汽车零部件加工工厂智能化搭建

2023-10-20张世君

汽车工艺师 2023年10期

张世君

青岛寰宇乾堃航天特种设备有限公司山东青岛 266510

大批量的汽车零部件机加工，目前最高水平是：全流程机器人代替人，全自动化数控加工，具备全流程全机器人、全自动化、全网络化及全信息化。部分免维护科技导入，单元MES执行系统导入。实现智能化制造、管理、运营。

智能化制造及企业运营智能化密切相关，在企业运营中占有主导地位，特别是汽车零部件制造工厂尤其明显（见图1），先进科技及时的应用包括先进数控机床、先进数控刀具、先进机器人、传感器应用、先进高速网络、先进AGV周转车、先进AI视觉系统，以及先进物联网互联互通硬件、先进在线检测设备（包括激光2D测量/3D测量等），还有先进清洗单元、先进包装单元和先进RDIO管理具体见表1。

表1 智能化企业运营管理特点

图1 智能化工厂特点

工业软件系统包括CIMS系统、ERP系统、PLM系统、MES系统、WMS系统及SCM系统等。

工业自动化制造单元的建立

1）产品从客户那里获取产品相关信息包括图样、批量，年用量；工程技术人员对图样进行审图，加工技术要求，产品批量及年用量进行分析，制定工艺制造加工方案。包括毛坯的来源梳理，加工工艺流程，后处理工艺流程，包装工艺流程，进行分析。对加工全流程工艺进行工时节拍的计算，运用本工时对瓶颈工序的设备数量核算，包括工装夹具，包括全流程的检测工装进行梳理，核算项目投入。大批量年用量时，进行自动加工单元的规划，进行整体项目投资的规划。输入的是产品图样（包括3D图样）及批量、年用量。导出的是单件报价及自动化制造单元整体投资预算及回报周期、回报率。

2）自动化单元主要技术是工艺方案制定，定位基准选择，加工节拍核算，先进刀具选取，自动化夹具方案制定，单元流水线的协同流程，节拍搭配与设备产能的均衡。

3）自动化制造单元技术要素较为复杂，从毛坯开始控制方案，到毛坯上料，一直到包装出库，制造过程一个流，全过程自动化流转、自动化加工、自动化制造。需要对全要素进行梳理评审，使用先进的CAD/CAE/CAM/CAPP进行产品设计、运动模拟、受力分析、CAM制造预演，节拍准确预算，加工模拟、仿真。最后经过内部技术与外部（打包方案）进行对比梳理评审，做出合理的匹配单元整体方案（见表2）。

表2 工业自动化制造单元技术要素

工艺流程及自动化数控机床的技术概要

1）工艺流程是自动加工单元的核心，需要考量的因素有：毛坯因素、机床因素、工装夹具因素、装夹变形因素、机床相关因素、机器人因素、测量设备因素、协同环节素、清洗环节、标识环节、去毛刺环节、终检环节及包装环节等。数控加工相关要素概要分，如表3所示。

表3 数控加工相关要素概要分析

2）由此决定着设备种类的选取，考量设备的规格细节，需要对设备全规格及参数进行考量，自动门、液压站、自动坐标系建立及自动对刀系统等。包括网络连接的网卡及接口。刀具库数量，工位多少，工作台是否双工作台。需要一一核实考量。

3）毛坯考量的主要是毛坯质量的稳定性、尺寸的稳定性和物理性能稳定性，无砂眼无气孔，无破损，无磕碰，假如毛坯稳定性差，有必要进行粗基准的加工。做到稳定，假设毛坯气孔的影响稳定性，有必要进行无损探伤，筛选毛坯。保证毛坯质量稳定性。在硬度方面需要考量硬度的稳定性，必要时进行热处理就时效处理，这时在报价时需要要考量的因素。

4）刀具选择是效率最匹配的关键，加工工时均衡对刀具技术要求较高，必要时定置非标刀具，节约瓶颈工序工时，降低对设备的数量需求，刀具切削参数核算时尽量按照80%核算，这样为以后工序均衡奠定基础。刀具技术及刀具管理是自动化加工关键要素。

5）夹具的考量需要运用自动化夹具，液压夹具及气动夹具，要保证夹具在失效时的预警及报警，夹具快速定位，定位精度；基板及定位元件、装夹机构等的寿命，必要时严格按照热处理，材料进行制造。对工装进行定期检测维护。

设备选型及自动化方案制定

设备选型必要时可以将自动化方案需求进行供应链咨询方案，进行多家方案对比，结合目前方案进行技术评审，找出关键控制点，性价比与高端方案进行对比，考虑产品工程变更的预期，考虑项目完毕后设备单元线的再利用及升级（见表4）。数控加工单元分为：国内标机及非标设备自动单元，合资企业机床非标设备自动单元，日本企业机床设备自动化单元，德国（欧美）企业机床非标设备自动单元，这几个技术等级及类别，这里德国受德国工业1.0的推动，单元科技含量高，价格基本是合资企业的2倍，是国内企业的3-4倍。国内的较为起步晚，日本德国自动化机器人单元已经几十年经验，值得信赖。高端及附加值高的汽车零部件可以选择德国供应商，整体上价位与先进性是成正比。

表4 数控机床选取相关要素概要

建立5G高速云网络及设备互联互通

1）工业自动化制造单元完成后，进行全面的工业5G云网建设（见表5）。

表5 工业设备和工位智能化联网管理系统方案要点

2）全面的设备互联互通。

3）数控设备联网一般通过网卡联网，将PMC数据接口与DNC系统服务器进行联网。

4）非数控设备一般采取PLC可编程程序控制器自定制自开发的系统与DNC系统服务器进行联网。

5）选型DNC系统时需要具有多种端口的通信协议，包括RS232、RS422、TCP/IP、FTP、LPT、和PLC等在内的其他通信协议。

6）能够提供多样性的联网方案（Flex、Flex/1、Flex/N、Flex/W）。

7）远程请求功能支持RFID芯片、条形码和二维码。

8）与企业第三方信息化管理系统及工具软件MRPII/ERP/PDM/CAPP/MOM /CAD/CAM等集成，并且支持Access、SQL Sever和Oracle三大开放式关系型数据库。

9）具有独有的后台运行技术和Server Safe™ 网络安全技术。

10）需要提供工业级品牌并且通用性极强的高性能硬件设备，能足够保证网络传输的可靠性和稳定性。

大数据在智能化工厂的作用及分析

1）通过DNC系统或MES系统对互联互通的数据进行采集，采集后对大数据进行实时查询及分析，促进单元运行及企业运营的顺畅及智能化。

大数据包括全单元及线设备管理全流程数据，全单元及线生产大数据，单元产品质量管理数据，单元异常及预警、报警大数据，单元线全产品检测大数据，全单元刀具、切削液、及消耗品大数据，全单元产品工艺节拍大数据等。大数据采集促进智能化考核、决策见表6。

表6 大数据采集促进智能化考核、决策

2）运用采集查询分析大数据，促进整个单元及企业智能化管理的数据管理，促进企业管理要素。大数据可视化调度室如图2所示。

图2 大数据可视化调度室

Q ：质量管理，单元制造全流程管理

C：成本管理，对在线成本要素进行统计并大数据分析

D：交期管理，对加工产品进行在线统计大数据进行分析

S：安全管理，设备安全、产品安全数据分析，预警、预防、备案，追求零阻滞

M：士气管理，主要通过实时的数据，对关键指标进行统计并考核，做到激励有效，考核有据。

MES系统导入促进可执行制造系统的智能化。

1）工业高速云网通过互联互通以后，具备MES系统的载体及抓手，导入制造可执行系统，进行全面的生产运营管理，如图3所示。

图3 智能化协同制造的总体架构

2）MES是自动化制造单元的集成，也可以将MES纳入到自动化制造单元运用。把单元运行数据集成到MES系统里面，可以全面的对不同产品的自动化单元运行情况进行汇总，做到PDCA的闭环管理。

3）生产调度中心运用MES控制中心，进行全面的调度，决策，包括毛坯到成品的监督监控，随时将数据发送到个人APP，做到云管理。

智能制造的若干关键技术分析

1）网络化数字化智能制造关键技术分析图，分析依据人、机、料、法、环、测信息，如图4所示。

图4 工业高速云网管理

2）智能化制造抓手盘点及技术分析见表7。

表7 智能化制造抓手盘点及技术分析概要

智能自动化单元与制造技术分析如图5所示。

图5 智能能化制造及管理

3）对先进管理系统在智能化管理系中的作用及分析，认识全面运营管理中系统化管理，系统协同之间的关系，如图6所示。

图6 设计管理系统协同

4）智慧仓储系统、物流系统、物联网的关键技术条码管理、RFID的管理系统，可以将全部产品物流串联起来，进行物联网数据采集，如图7所示。

图7 智慧智能化工厂模型架构

图8 立体智能化仓储及RFID仓储、流转管理

图9 智能仓储系统分解

图像识别系统及AI视觉系统在汽车零部件制造的作用

通过高科技的图像识别系统及A I视觉系统在汽车制造领域已经大面积推广，具有智能防错纠错，提高判别能力，提高在制品的良品率起到具足轻重的作用。

其中，AI视觉视觉系统已经全面在自动化生产单元使用，自动焊接单元、自动钣金冲压单元，自动数控加工单元等。作用梳理如下：有无检测（数量/缺货）；外观检查（异物/瑕疵/缺陷）；尺寸测量；控制工作设备的位置（机械手视觉）等，定位定准；读取检测刻印在金属上的QR码（二维码），字符检测/OCR；辨别变色、色差与瑕疵、失真，3D检测（体积/高度）；校正的工时,工业用机械手和视觉系统/视觉系统系统的连接,机械手视觉；支持散装拣选的三维机械手视觉系统；不过目前视觉系统还价格较高，并且都是德国日本产品，国产化及大面积推广的价格尚需时日。技术已经较为成熟。

2.汽车零部件加工先进自动化单元标杆及案例

先进CIMS设计的自动化流水线单元，特斯拉差速器壳体自动化生产单元如图10所示。