工藝設計在自動化生產線中的重要性

王宇璇，周 新，吳玉月，郭 飛

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

1 工業發展進程概述

自17世紀蒸汽機出現，人類從依靠人力、畜力等原始動力中解脫了出來，實現了機器大生產[1]，繼而引發了18世紀60年代的工業革命，自此人類進入了工業化時代。

此后伴隨社會經濟的發展，制造技術經歷了從手工到機械化到電氣自動化，再到機電一體化更新換代的變革。業內普遍將18世紀引入機械制造設備稱為“工業1.0”時代，20世紀初的電氣化與自動化稱為“工業2.0”時代，20世紀70年代開始的信息化稱為“工業3.0”時代[2]。

制造技術的水平和制造業的實力反映一個國家生產力水平、國防能力，決定著國家的經濟競爭力和綜合國力的強弱[3]，因此進入21世紀后，世界上幾乎所有的制造強國和大國為提高各自的經濟競爭力，紛紛發布戰略計劃將制造業向智能化轉型：美國在2012年發布《先進制造業國家戰略計劃》；英國在2013形成“工業2050”戰略；德國在2013年正式推出“工業4.0”戰略；日本在2015年組建“產業價值鏈主導權”聯盟機制；中國在2015年5月19日正式印發《中國制造2025》，開始實施制造強國戰略。以上各國的表現標志著利用信息化技術促進產業變革的時代已到來，工業發展正式進入4.0——智能化時代。

2 工業自動化和機器人

工業自動化是得以啟動“工業4.0”的重要前提之一，生產制造只有實現了自動化，智能化才有實現的基礎和可能。

智能裝備作為自動化生產線上不可或缺的一環，越來越受到重視和發展，其中工業機器人和機械手作為智能裝備的代表，其使用數量的多少，反映現時代制造業生產線自動化、智能化水平這樣的理念已為人們所接受。言及智能制造，必提機器人。但也形成了一個誤解，將機器人的使用和智能化等同。有了工業機器人并不是智能制造，最多只算是自動化生產，我國的制造業技術水平基本處于“工業2.0”到“工業3.0”之間[4]，即我國目前制造業的生產線還不能做到無人自動化生產，工廠現有工藝路線是基于現有的設備，工序十分分散，還有大量的手工工序，嚴重依賴于操作者的技能。

圖1 空調自動檢漏生產線

在我國的家用空調行業，格力、美的、海爾三大品牌公司在經過30多年的技術發展和資本累積，紛紛進行了產業升級和裝備更新。格力在2018年開始規劃布局工業機器人研究領域。美的自2015年起通過一系列的合作和并購，正在補齊機器人制造產業鏈的核心能力。海爾智能互聯工廠于2016年投產，可實現客戶個性化、定制化生產。盡管3家企業各自在智能制造和工業機器人領域有了一定的發展，也掌握了相當的智能技術，但在產品的制造生產中，依然做不到高水平的全自動無人化生產。能查閱到的有詳實數據的公開資料，顯示人工和工業機器人對比的有：位于武漢開發區楓樹四路的美的工業園，在130 m長的空調外機智能制造示范線上，46臺單臂工業機器人揮舞著“手臂”焊接、組裝，30名操作工人配合機器人作業[5]。該生產線作為示范線，投資巨大，尚且需要大比例的工人參與生產，可想而知行業的普遍生產狀況如何。因為產品工藝未能得到顛覆性的變革，人工依然在生產線上占據很高的比例。

在工業化進程中，任何一個國家都不可能將所有舊機器砸碎，而用新機器代替。一般總是在原有機器的水平上不斷改進和提高，一半采用新技術[6]。離開生產工藝的重新深化設計，為了追求更高的自動化噱頭而一味的濫用機器人，得不償失。“無人工廠”或“黑燈工廠”的概念固然誘人，但是達成“最后一公里”的自動化可能必須付出高昂的代價[7]。而工藝設計的參與至關重要。

3 工藝設計的重要性

近年來，國內制造業企業紛紛致力于生產線的自動化改造，但采用的方式往往是“頭痛醫頭、腳痛醫腳”的做法，更多的是關注于工序本身的需求，進行著機器換人的改造，雖然是減輕了工人的勞動強度，提高了生產效率和產品的一致性，卻因為未從工藝設計層面進行調整改進，從而帶來額外的設備投入，增加了設備的動作，并引起設備故障率提高、生產節拍加長等問題。

以國內某企業的自動化改造工作為例，在家用空調包裝后的檢漏工藝上，使用機器代替人工操作，要求設備故障率低于1%。因受廠房空間限制，定位檢漏裝置只能放置于產品前進方向的右側，碼垛機器人只能放置于線體的末端（圖1）。產品在上個工藝工序完成后，以縱向位置進入檢漏工序，而工藝要求在產品的端面進行檢測，因此需要增加前旋轉平臺，將產品旋轉90°。檢測結束后需要以產品縱向位置進入碼垛工序，則又需將產品旋轉90°，故增加后旋轉平臺。因為前端的故有工藝和現場空間限制，導致需要額外增加2臺旋轉平臺設備，如按照每臺設備故障率1%計算，則改造后的工藝功能段可能故障率會提高到3%。除了投資成本提高，也會帶來維修成本的增加。

如果進行自動化改造時，能統籌規劃、科學布局，合理優化前段工藝，就能有效降低成本，降低設備故障率，提高產能。

機器人和機器臂只是實現自動化生產的途徑和手段，而工藝設計才是智能化生產的根和魂。

智能制造對生產工藝設計提出了更高的要求，加工工藝必須重新編制，對現有工序進行大幅度整合，充分利用智能制造線的自動化設備優勢，采取工序集中原則，大幅減少工序，減少裝夾次數，利用設備的功能優勢保證加工的一致性及加工質量，減少對操作技能的依賴，實現零件在線內的高速加工與流轉[4]。

4 結束語

我國制造業需要基本實現工業化，邁入制造強國行列。就目前的制造業發展進程而言，后面還有大量的工作要做，尤其需要重視基礎工藝技術的研發，基于柔性制造系統的設計思路，進行生產工序的布局和配置，以減少生產線的設備使用，提高效率、降低故障率。