未來軸承智能制造的幾點思考

景喜瑞

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專題專訪

未來軸承智能制造的幾點思考

景喜瑞

北京發(fā)那科機電有限公司總經(jīng)理景喜瑞先生

2016年9月19日，北京發(fā)那科總經(jīng)理景喜瑞先生出席2016上海國際軸承峰會，針對“要實現(xiàn)智能制造，作為世界制造業(yè)大國的中國應(yīng)該走什么樣的道路？”、“軸承行業(yè)作為制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，未來又將會面臨怎樣的挑戰(zhàn)？”等峰會議題，景總做了深入的演講解讀，簡要分析了中、德、美三國制造業(yè)戰(zhàn)略的異同，并提出中國必須走出一條具有中國特色的上下融合之路，即《中國制造2025》中提出的“兩化深度融合”。

在全球一體化的壓力下，制造業(yè)在一段時期內(nèi)將遭遇一些挑戰(zhàn)，主要包括：更短的產(chǎn)品生命周期、高度定制化的產(chǎn)品需求、以及來自全球不同市場的激烈競爭。在這種產(chǎn)品越來越復(fù)雜但產(chǎn)品生命周期日益受限的情況下，計算機輔助技術(shù)(CAx)在產(chǎn)能爬坡優(yōu)化和加速階段的重要性越來越高。更高的產(chǎn)品多樣性和更短的產(chǎn)品生命周期需要一種更靈活和柔性的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下可快速根據(jù)新產(chǎn)品的需求重新配置生產(chǎn)方式。在當(dāng)前傳統(tǒng)的自動化生產(chǎn)方式下肯定無法達(dá)到這樣的柔性程度。取而代之的是，作為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的一部分，由智能設(shè)備組成的模塊化工廠結(jié)構(gòu)將是實現(xiàn)可調(diào)整生產(chǎn)場景并克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)的關(guān)鍵因素。

軸承行業(yè)作為制造業(yè)的一個基礎(chǔ)行業(yè)，也會面臨一系列的挑戰(zhàn)。景總舉了兩個例子與大家共同分析探討。

1 高柔性大規(guī)模生產(chǎn)

現(xiàn)代軸承行業(yè)的制造生產(chǎn)，特別是中小型軸承的制造生產(chǎn)，其產(chǎn)品基本上具有少品種大批量的特點。因此，此類大批量軸承的生產(chǎn)線自動化程度很高，生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率也很高。但只能加工生產(chǎn)線設(shè)計時對應(yīng)的一種或幾種非常相似的產(chǎn)品。隨著如今產(chǎn)品的高速更新?lián)Q代，客戶需求的不斷精細(xì)甚至定制，市場對多品種小批量軸承產(chǎn)品(10～1 000件/批次)的需求越來越多。面對這樣的情況，這種“剛性”或低柔性的生產(chǎn)線要么無能為力，要么調(diào)整成本過高。因此，提升生產(chǎn)線的柔性，并保持大規(guī)模生產(chǎn)一樣的低成本——即高柔性大規(guī)模生產(chǎn)是未來軸承智能制造的一個重要挑戰(zhàn)。

景總認(rèn)為，要實現(xiàn)高柔性大規(guī)模生產(chǎn)，可以從如下幾個方面著手。

(1)CNC替換PLC。在軸承生產(chǎn)中使用了大量的磨削機床。因一些低柔性生產(chǎn)線中的磨床生產(chǎn)工藝比較單一，因此其控制系統(tǒng)并未使用專門用于機床控制的數(shù)控系統(tǒng)(CNC)，而是使用了可編程邏輯控制器(PLC)。PLC與CNC在機床控制方面一個重要的差異就是加工程序的編寫和修改方法。PLC只能通過編寫PLC程序的方式來編寫加工程序，而PLC程序的編寫和修改都需要在專門的PC軟件中完成，無法方便地在人機界面(HMI)中進行。每次編寫或修改后都需要經(jīng)過專用軟件編譯，下載到PLC控制器中方能使用。而CNC作為專門的數(shù)控機床控制器，可以方便地在HMI中通過標(biāo)準(zhǔn)G代碼編寫和修改加工程序。因此，應(yīng)用在機床上時生產(chǎn)柔性明顯高于PLC。

(2)增加機器人的應(yīng)用。在當(dāng)前少品種大批量軸承的生產(chǎn)線中，因為產(chǎn)品類型比較單一，所以產(chǎn)品在生產(chǎn)線的運輸以及在各個設(shè)備上的裝卸往往都是通過傳送帶、滾道或?qū)Ｓ醚b置完成的。很少引入機器人參與生產(chǎn)加工。因為在單一品種大批量生產(chǎn)的情況下，這種方式的效率較高，而將機器人引入的話，反而會降低整條生產(chǎn)線的效率。但是，這樣的生產(chǎn)線要么幾乎無法換型，要么一旦換型，所耗費的時間和人工精力也將是巨大的。而機器人天生就具有高柔性的特點，比如發(fā)那科的智能機器人，具有類似于眼睛的視覺傳感器和類似于觸覺的力傳感器，可以根據(jù)現(xiàn)場和工件的具體情況自主地完成所需工作。如果應(yīng)用得當(dāng)，則完全可以在滿足效率要求的前提下，大幅提高生產(chǎn)線的加工柔性。

雖然人是柔性最高的生產(chǎn)參與者，但是與機器相比人具有生產(chǎn)效率較低和自由散漫的特性。因此，如果只追求高柔性生產(chǎn)，當(dāng)然由全人工組成的生產(chǎn)線最合適。但是，如果追求的是高柔性大規(guī)模生產(chǎn)，那么在生產(chǎn)操作部分減少生產(chǎn)效率較低、且可能帶來不可控因素的操作人員應(yīng)該是更好的選擇。何況，中國的用工成本逐年遞增的趨勢愈來愈明顯。在市場競爭和波動加劇的今天，人員流動的風(fēng)險和企業(yè)對用工需求調(diào)整的難度也越來越高。未來，以合理的成本雇傭合格的生產(chǎn)操作人員將越來越困難。因此，企業(yè)應(yīng)未雨綢摸，為應(yīng)對這些變化早做準(zhǔn)備。

(3)發(fā)展通用工裝。目前在軸承生產(chǎn)線上使用得大多是根據(jù)產(chǎn)品類型制作的專用工裝，價格昂貴，用途單一，生產(chǎn)換型時也需要更換。當(dāng)產(chǎn)品品種增加時，工裝的種類和數(shù)量也得相應(yīng)增加。因此，發(fā)展通用乃至萬用工裝是提高生產(chǎn)柔性的必備條件。

(4)以物聯(lián)網(wǎng)為核心的智能工廠。正如德國工業(yè)4.0報告中描述的那樣，未來工廠中的產(chǎn)品、設(shè)備、資源和人將通過物聯(lián)網(wǎng)(CPS)有機地結(jié)合在一起，智能產(chǎn)品根據(jù)各自的工藝需求自主地在模塊化結(jié)構(gòu)的工廠中移動，實現(xiàn)高柔性高效率的制造。當(dāng)然，工業(yè)4.0的這個描述是制造業(yè)的一個長期目標(biāo)，一個遠(yuǎn)景，無法在短期內(nèi)實現(xiàn)。企業(yè)可以先將比較容易接入物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點連接起來，將物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)搭建起來，再慢慢實現(xiàn)將產(chǎn)品等現(xiàn)階段不容易接入的節(jié)點連接到網(wǎng)絡(luò)中。

發(fā)那科在今年4月聯(lián)合思科、羅克韋爾和PFN公司共同發(fā)布的FIELD(Fanuc Intelligent Edge Link & Drive)系統(tǒng)就是一個專業(yè)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺。這個系統(tǒng)可以接入數(shù)控機床、機器人、PLC以及傳感器等眾多現(xiàn)場設(shè)備(不局限于發(fā)那科品牌)。在現(xiàn)在非常熱的“云計算”之外，F(xiàn)IELD系統(tǒng)更強調(diào)離用戶現(xiàn)場更近的“霧層”的應(yīng)用。因為“云”服務(wù)通常都部署在遠(yuǎn)離用戶現(xiàn)場的地方，甚至是其他國家。在應(yīng)用時，如此長距離的大數(shù)據(jù)傳輸就有數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)安全方面的風(fēng)險。而且，很多時候?qū)Υ髷?shù)據(jù)的處理無需發(fā)送到“云端”。在離用戶現(xiàn)場更近的“霧層”通過合適的應(yīng)用軟件就能完成數(shù)據(jù)的分析處理。另外，F(xiàn)IELD系統(tǒng)是一個開放的平臺，它就好比是智能手機的iOS或者安卓操作系統(tǒng)，允許第三方公司在其上開發(fā)應(yīng)用軟件(APP)，滿足多種多樣的智能制造需求。比如，發(fā)那科的SCADA軟件Link-i和ZDT就可以視為FIELD系統(tǒng)上的APP。同時，F(xiàn)IELD系統(tǒng)還支持PFN公司開發(fā)的人工智能應(yīng)用，將機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到工廠的實際生產(chǎn)中。

2 更好的質(zhì)量一致性

隨著我國軸承行業(yè)的發(fā)展，我國生產(chǎn)的軸承產(chǎn)品逐漸進入了國內(nèi)外一些非常注重產(chǎn)品質(zhì)量的用戶的采購范圍。不過這些客戶不僅重視產(chǎn)品的質(zhì)量等級，更看重產(chǎn)品的質(zhì)量一致性。比如美國通用汽車公司，如果產(chǎn)品能滿足其GMW14840和GMW16311軸承檢測標(biāo)準(zhǔn)，則意味著有很高的質(zhì)量水平。不過，一旦有一件產(chǎn)品被通用汽車發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，則供應(yīng)商就會面臨極大的換貨成本壓力。做一件高質(zhì)量的產(chǎn)品不難，難的是高質(zhì)量地生產(chǎn)每件產(chǎn)品。而未來，將有越來越多的客戶注重這方面的要求。

另外，軸承套圈和滾動體的精密磨削工藝是一個經(jīng)過了多年應(yīng)用、實驗和分析的，非常成熟的工藝過程。到目前為止，很多應(yīng)用磨削工藝的公司都認(rèn)為這一技術(shù)已經(jīng)接近頂峰，幾乎沒有什么新的或重大的技術(shù)發(fā)展空間了。然而一臺典型的軸承磨床生產(chǎn)的套圈和滾動體的質(zhì)量，會隨著砂輪的磨損而發(fā)生惡化。隨著砂輪的磨損，被磨削工件的表面質(zhì)量的變化將會增加。對于軸承套圈和滾動體來說就意味著表面粗糙度、工件直徑和錐度的變化。而且，這些質(zhì)量不一致的零件在裝配后又將導(dǎo)致更大的偏差。

可見，實現(xiàn)更好的產(chǎn)品質(zhì)量一致性是軸承行業(yè)未來的一個挑戰(zhàn)。要克服這一挑戰(zhàn)，可以從如下幾個方面著手。

(1)改善磨削加工的一致性。現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)具備智能機床控制的一些功能，可以通過在磨床上增加一些過程傳感器和測量設(shè)備，來獲取一些信息。比如聲發(fā)射、磨削功率和磨削力等。再將這些信息發(fā)送到數(shù)控系統(tǒng)控制器，以便持續(xù)評估每一個砂輪的過程狀態(tài)，并自動且及時地調(diào)整機床設(shè)定。當(dāng)然，如何調(diào)整機床設(shè)定需要軸承企業(yè)總結(jié)多年的制造經(jīng)驗。如果設(shè)置得當(dāng)，即意味著每一個零件都有自己獨特的磨削參數(shù)，從而使每一個零件達(dá)到完全一致的表面質(zhì)量。

(2)提高產(chǎn)品檢測的自動化程度。檢測是保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性的重要手段，而首先要實現(xiàn)的應(yīng)該是對產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中100%檢測。如果100%檢測對生產(chǎn)效率產(chǎn)生了影響，則應(yīng)考慮改善檢測的方式，提高檢測的自動化程度。另外更為關(guān)鍵的是，不論是自動檢測還是人工檢測，都應(yīng)盡早實現(xiàn)將檢測設(shè)備接入物聯(lián)

Some considerations of bearing intelligent manufacturing in the future

JING Xirui