智能制造單元設計流程與關鍵要素淺析

黃超　王文理

摘 要：為推動智能制造單元的科學建設，提出了智a能制造單元方案的設計流程和體系架構，梳理了智能制造單元設計所涉及的重點內容和關鍵要素，對于發展智能制造技術、構建智能制造單元和落實智能制造在生產中的應用具有較好的參考價值。

關鍵詞：智能制造;數控加工;加工工藝;生產管控

中圖分類號：TP317.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0035-02

0引言

隨著新一代信息技術的快速發展，以及與先進制造技術不斷深度融合，以智能制造為代表的產業升級正在興起，數字化、網絡化、智能化日益成為未來制造業發展的主要趨勢。隨著“中國制造2025”的持續深入推進，智能制造技術在研究和應用方面均取得了較大進展，大量文獻闡述了智能制造的內涵[1]、架構[2]和關鍵技術[3]，并已開始實踐、建設了一批智能工廠[4]和智能制造生產線/單元[5]。

制造單元是企業進行生產活動的最基本組織，而智能制造單元是發展智能制造的基礎載體，因此很多學者圍繞智能制造單元做了大量的研究工作，特別在具有多品種、變批量特點的航空航天等離散制造領域，智能制造單元越來越多的被應用于零部件的制造、裝配工序中。目前，國內很多企業都在設計、籌建智能制造加工單元，通常的步驟是[6]：

（1）零件選型、工藝規劃、車間布局等頂層總體設計;

（2）智能化設備、物流、倉儲、機器人等硬件選型、建設;

（3）系統控制接口、物聯網建設，運行控制軟件設計開發;

（4）系統集成、聯調。

可以看出，智能制造單元方案總體設計作為智能制造單元建設的基礎，是智能制造單元建設中首先要開展的。基于此，本文提出一套智能制造單元方案設計流程，并對其中的重點內容和關鍵要素進行分析探討。

1智能制造單元方案設計總流程

設計智能制造單元方案的流程如圖1所示，首先根據產品的設計輸入與產能需求，設定系統目標，分析現有制造現狀，明確未來產量等目標;其次分析并明確智能制造單元在人員、場地、生產組織方式、安全環保等具體約束;再次在系統約束下進行各關鍵工序的典型工藝開發、優化，使生產流程適用于智能制造單元的穩定、順利運行;然后基于上述工藝，完成設備選型與工藝、生產仿真，評估制造單元的運行效能;隨后基于生產運行仿真結果，以及精益生產等原則，優化并完成制造單元的布局;最后基于不同產品、不同企業的生產管理流程，完成管控軟件規劃，開發集成控制方案，形成完整的智能制造單元整體解決方案。

2智能制造單元系統目標設定

建設智能制造單元首先要明確應用對象。一般而言企業會選擇需求最迫切、亟需大幅提高產能的產品。但這些產品是否能夠通過智能制造單元生產，首先就要判別其制造工藝以及生產現狀。智能制造是在工業互聯網與數字化制造的基礎上發展起來的，其典型特征是“狀態感知—實時分析—自主決策—精準執行”，即依靠高精度快換工裝系統、機器人自動裝卸運輸、立體倉庫存儲、生產信息數字化等技術手段，實現自動調度、無人干預自動運行、生產狀態智能分析決策等。所以，智能制造單元可應用的產品必須滿足其生產工藝能夠適應無人自動化生產等要求。

以機械加工行業為例，目前我國機械加工的技術水平基本上處于“工業2.0”至“3.0之間”。產品制造仍大量使用普通機床手動加工，自動化數控設備成本較高，部分關鍵工序才采用數控加工。另一方面，產品制造存在大量的現階段難以自動化加工的工序，例如鉗工、研磨及熱表處理等。因此對于智能制造單元內產品的選擇，其制造工藝應該達到以下基本條件：（1）各類基礎工藝成熟可靠，加工質量較穩定;（2）能夠將普通制造工序改為數控加工;（3）能夠采用自動裝夾，可精確定位;（4）人工干預及手工工序盡可能少，如無法進入加工單元，可調整這些工序至線外。

3智能制造單元工藝開發優化

一般而言，制造企業的現有工藝是基于已有的設備，其間穿插大量的手工操作，制造流程較為分散，且嚴重依靠操作者的自身水平，而這種過于繁雜的制造流程會對智能制造單元的高效運行產生極大負影響。因此，智能制造單元所用的加工工藝必須經過重新開發優化，甚至推倒重來，通過融合整合現有工序，充分利用智能制造單元內的自動化設備優勢，基于工序集中原則，減少制造工序與裝夾次數，依靠設備的功能優勢來實現產品一致性及質量，實現零件在單元內的高效加工與流轉。此外，通過先行開展的工藝設計，可起到如下效果：（1）明確產品的制造流程，以及在單元內各設備之間的流轉順序;（2）直接影響制造單元的設備種類與數量，進而可確定最大的投資項;（3）制造參數決定了產品的加工質量及生產節拍，進而可預估產品合格率，并計算出毛坯數量、刀庫容量、緩沖站數量等生產物資數量;（4）減少了對人工技能的依賴，發揮了設備的優勢。

例如，某鈦合金機匣結構復雜、加工精度高，現有制造路線異常繁瑣，大量的非數控加工及手工工序穿插其中。這種復雜的傳統工藝顯然不適合智能制造，必須使其制造路線適用于智能制造單元，依據“可智能生產調度、可利用自動化設備制造、可采用快換工系統、可自動裝夾及物流配送、工序需集中”等原則重新設計制造流程。該機匣工序將原來30多道壓縮為10道，并把熱表處理及特種檢驗等工序都放在制造單元外，從而適用于智能制造流程。

適用于智能制造的工藝開發還需考慮自動化運行帶來的新問題，例如工裝夾具必須滿足加工穩定和自動化等要求，就需要增加零點定位快換系統，將該系統直接嵌入設備工作臺與工裝上，形成唯一的零基準，無需人工進行調整校正。同時由于具備標準化接口，通過智能制造單元管控軟件中的夾具管理模塊，實現與設備通訊并完成基準智能調整與自動化傳遞，完成單元內不同設備之間的高精度、高效率轉換。此外還有刀具等生產物資的壽命管理，由于加工過程中無人值守，所以刀具必須在即將崩刃或斷裂前更換，或者在加工過程中監測到刀具異常時立即處理。

4智能制造單元設備選型與布局設計

智能制造單元一般由若干工位構成，各工位有實現特定功能的設備，在各工位之間依靠機器人等自動化物流裝置實現生產的流動。整個單元依據產品流動形式，常選擇一字、環形等布局形式。因此，智能制造單元需選擇主要關鍵設備作為精準執行機構，輔以信息在線采集和分析決策等軟硬件模塊，具備自動裝卸料、柔性夾持、精準定位、加工執行、在線檢測、實時分析和智能決策調整等功能。

其中，精準執行機構涵蓋數控加工/檢測設備、機器人上下料系統、柔性自動裝夾裝置、定位夾緊快換工裝和在線監控裝置等，可實現產品的精確制造、加工過程實時檢測、制造過程的自動上下料、加工件的柔性裝夾、工裝狀態的自動判斷及自動定位調整、加工完成后的自動檢驗評價，以及生產狀態的實時監控等功能。柔性自動裝夾裝置主要實現不同尺寸產品的可靠裝夾，滿足多品種、變批量等生產需求。信息在線采集系統將“精準執行機構”產生的制造狀態數據、質量結論、物流信息、加工進度和設備運行參數等數據進行采集。分析決策模塊將上述采集的信息進行分析，基于當前制造單元是否按時完成加工任務、運行過程中的工藝參數是否滿足產品質量要求、工裝裝夾狀態和位置等是否滿足加工要求、單元所含的設備是否運行平穩等問題，進行智能判斷與決策，并將修訂指令反饋給精準執行機構，對存在的問題形成解決措施和及時調整，最終實現工藝參數分析及實時調整、工裝狀態判斷及自適應調整、設備故障預測及自我修整和制造單元的生產狀態評估等閉環運行。

5智能制造單元管控系統規劃

智能制造單元管控系統基于生產實際過程和企業相關要求，構建生產運行管控邏輯，實現對制造單元集中管控和資源統一配置。首先，通過制造單元內的各類傳感器構成的信息采集系統，對智能制造單元進行狀態感知和數據信息實時采集，主要包括生產計劃、工藝規程、生產執行、制造資源、擾動情況、質量檢測、物料物流和設備運行等數據。其次，獲取數據后，管控系統需對其中有價值的數據進行篩選和整合，構建基于數據挖掘的單元運行狀態、生產進度、加工質量和設備故障等關鍵要素和數據之間的關聯模型，進一步明確基于時序的單元運行狀態、生產進度、加工質量和設備故障隨時間的演化規律，并對未來發展進行科學的預測。最后，建立智能制造單元相對應的數字孿生模型，實現物理現實和虛擬現實的精確映射，通過基于生產進度的演化規律預測，利用決策規則庫和決策算法對設備狀態、制造進度、生產資源平衡、波動因素（產量變化、質量問題、設備故障、生產物資短缺）等進行智能評估和決策，并生成調度依據與調整指令，反饋給精準執行機構，從而實現對智能制造單元生產的優化調整。

6結語

智能制造已成為我國制造領域未來發展的重點方向之一，如何落實智能制造成為當前的研究重點。本文圍繞具有多品種、變批量特點的產品生產，以自動生產工藝技術為牽引，以制造執行裝備為核心，以生產運行管控為靈魂，以自動物流配送為紐帶，研究了智能制造單元的主要設計原則，凝練一套智能制造單元方案設計流程，梳理了其中的重點內容和關鍵要素，對于發展智能制造技術、建設智能制造單元具有較好的參考價值。

參考文獻

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[6] 王文理，康永峰.工藝在智能制造生產線設計與運行控制中的重要作用[J].航空制造技術，2016（16）：48-51+62.