基于數字化工廠技術的水龍頭智能制造產線的設計與優化研究

陳浩齊

（江門職業技術學院，江門 529020）

江門地區集中了較多衛浴品牌，屬于衛浴重要生產、加工、銷售區域，其中水龍頭加工占據主導。在水龍頭生產中，機加工是核心環節。從現狀來看，半自動方式加工普遍存在。這種傳統工藝模式往往人工成本高，在實際生產環節效率提升難，并且伴隨有產品質量不穩定等現實問題。為了改善工藝，在原有技術的基礎上融合數字化工廠理念，借助仿真驗證規避質量不穩定性問題，大大提高了生產率。

1 數字化工廠技術

隨著科技的進步，智能化生產線核心思想被提出，制造業不斷升級。近幾年，在生產需求的推動下，數字化工廠不斷涌現，關鍵技術更加成熟。數字化工廠從某種角度來說，屬于先進技術的結合產物，其中囊括了數字化虛擬和仿真。在虛擬環境中，數字化工廠技術是指完成一系列優質的生產過程仿真，在仿真模型基礎上完成評估和持續優化，直到打磨出理想化工藝生產線，并逐步完善新型生產組織、加工方式，延長其生命周期，是產品制造、設計的紐帶，應用價值較高[1]。數字化工廠的核心理念是完成高質量的信息集成。在實際應用中，數字化工廠優勢突出，其仿真具有可視化的鮮明特征，且兼顧實時性和全面性，通過加工環節、物理建模以及模擬運行狀況等輸出仿真結果[2]，最終得到的數據可以用來指導后期運作，效果顯著。實踐證明，數字工廠作為發揮紐帶作用的先進制造技術，在減少不穩定性的同時，還可以增強設備安裝、運行的可靠性。

2 水龍頭生產線和工藝

2.1 工藝流程分析

水龍頭工藝流程較為復雜，涉及多項環節。為了滿足需求量，提升工藝品質，整個制造過程囊括了鑄造、機加工等內容，且在此基礎上還要進行磨拋、組裝。在上述的4個工序中，每個工序還可以進行細化。例如，制砂芯澆注、處理、粗加工等，在加工完成后還會涉及到進出水孔、閥芯孔試驗、剝皮、磨拋以及電鍍多項工序。結合傳統工序，發現工位作業時間存在非常懸殊的偏差，且各工位距離長，搬運花費時間較長，導致生產線效率低，不能實現流動生產。此外，一次合格率低。調查發現，電鍍和組裝對應的一次合格率分別為92%和86%，亟需進行工藝上的創新。

2.2 生產節拍分析

現實工作中，通過測量各工序所花費的時間可知，工序間的銜接并不順暢。以鑄造工序為例，在工作中需要43～45 s；等到機加工工序環節，需要48～50 s。另外，時間較長的還有磨拋工序，通常要耗費57～59 s。相比之下，組裝工序耗時短，只需40 s左右就可以完成。生產節拍為57 s，可見生產線整體平衡性不理想，導致大量制品庫存。

結合現狀來看，我國衛浴行業亟需發展轉型。從目前采用的水龍頭切削加工工藝來看，自動化程度低，半自動化方式普遍存在。在實際生產中，主要采用人工方式，并搭配使用數控機床的方法完成加工[3]。基于這樣的背景，數字化工廠理念被廣泛采納。它將其和水龍頭生產線整合，可以發揮智能制造產線的最大優勢。實踐證明，采用該技術可以控制資本投入，不斷優化和提高產線產能，以此提升企業的全方位管理能力。在此基礎上，還可以持續探索智能產線，確保充分發揮智能產線的優勢，研制物理樣機產線，最終提高效率，實現智能生產。

3 水龍頭智能制造產線優化設計方案

3.1 切削產線智能化設計方案

對目前的L型水龍頭切削技術及其影響因素開展深入、全面分析，結合生產現場要求，在了解切削生產線功能需求的基礎上，高質量完成了該自動切削生產線科學的工藝設備空間布局[4]。首先，采用虛擬設計（Virtual Design），搭配使用虛擬樣機（Virtual Prototype），完成虛擬實驗（Virtual Experiment）。其次，可以廣泛應用CAD、CAE、CAM等技術手段降低研究費用，盡可能縮短設計周期，在上述環節的基礎上完成真實產品的試驗加工。最后，結合實驗成果，可以逐步完善技術方案。整體規劃采用1套20 kg 10 m行走關節工業機器人（現有設備：廣數GSK RB20），配3臺立式加工中心（現有設備：沈陽機床廠VMC850E）、1套傳輸料道、1套抽檢臺、1套手爪模塊、1套總控、1套云科智能系統、1套人工操作臺、1套立體庫、RFID以及1套AGV組成自動化加工方案。L型水龍頭生產線包括虛擬現實、數字建模等多個模塊，如圖1所示。

圖1 L型水龍頭生產線

3.2 生產線數字化建模，進一步優化設計與仿真分析

項目組采用德國西門子公司研制的Tecnomatix數字工廠軟件建立產線的虛擬模型，采用GAwizard（GA）、Johnson以及JSP等算法工具進行工廠布局仿真、物料配送仿真、車間生產排成仿真、人機作業分析等工作，將水龍頭產品放在數字化虛擬環境中，模擬和預演生產制造過程，提前確認生產單位生產能力和生產缺陷，避免傳統自動生產線在產品規劃方面的不足。

3.2.1 建模方法

建模的代表方法有ARIS方法和工作流建模方法。實際應用中需要以過程模型為核心，借助多角度的控制視圖，完成邏輯關系描述和建立約束規則，形成系統運行的業務流，并有效控制物料流和信息流。

3.2.2 仿真流程

算法是整個仿真系統最關鍵的部分。在實際仿真過程中，依據模型中元素類型的不同，會選擇不同的算法。圖2顯示了數字仿真流程，涉及到事件模塊（基礎模塊）、功能模塊（核心模塊）、邏輯模塊以及空模塊等多個類型模塊。處理事件模塊時，通常會抓取狀態屬性，同時科學計算仿真結果。處理功能模型時，參照概率分布（功能模型的）產生隨機數序列，并且充分參與仿真計算。

圖2 數字仿真流程

3.2.3 水龍頭機加工工藝研究

水龍頭生產較為復雜，涉及的內容較多，由4大部分組成，其中鑄造占據主導，其次是機械加工、表面處理和最終的組裝。在機械加工階段，要綜合考量各項因素，等到銅鑄件退火后，再搭配使用CNC數控機床車進行各種切削加工。需要注意，在加工階段，一定要保證尺寸精度達標，且形狀位置符合圖樣要求。實際工作中，項目組要結合現實需求，對水龍頭常見型號產品加強材料組成控制，并且注重前工序的鑄造質量和后工序的表面處理，確保滿足工件圖樣要求，最終為項目產線制定清晰、明確的生產指標。

3.2.4 產線總控系統的開發

項目研制的產線初步規劃，總控軟件采用分離式設計（CNC與UI），邏輯運動控制方面采用ST編程語言。實踐證明，采取ST編程語言可以讓程序更加簡潔、緊湊。研究發現，在水龍頭生產環節，運用數字化工廠理念具有一定的前瞻性，應用價值較高。為了發揮這種智能生產線的優勢，需要綜合考量各項因素，攻克技術難關。實際應用中，需要克服以下的難點。第一，L型水龍頭切削產線的高質量數字化建模，還需要完成產品模型以及相關管理模型的構建，逐步完善工藝模型。工藝模型覆蓋面較廣，包括工藝規劃、制定生產路線等多項內容。第二，在數字化環境中，采取合理措施進一步優化生產制造系統，運用運動學、動力學等核心知識，完成動態和靜態不同角度的仿真[5]。第三，解決信息化的核心技術難題，包括智能化設計改造等，并在此基礎上實現和設備的數據互聯，提高核心數據利用率。實踐證明，想要運用好數字化工廠，不僅智能設備控制技術要過硬，還要掌握基本的信息化生產理念。

4 優化方案的可行性

4.1 數字化建模，并搭配仿真分析

通過對生產線的虛擬模型，可以全面掌握水龍頭產品生產的各項參數，將其樣品放在虛擬環境中進行模擬和預演，盡可能還原制造過程，進一步提升系統的可行性和穩定性。借助該項技術，可以減少轉換成本（從研發設計到生產），在傳統自動生產線的基礎上，合理規劃，彌補過去產品規劃方面的短板。

4.2 采用智能生產管理系統搭建產線總控平臺

采用信息化車間生產管理系統（Manufacturing Execution System，MES）搭建智能制造產線，效果顯著。研究發現，該項技術成果斐然，可以為今后的制造業加工提供借鑒，提高生產線運作能力，打造出優質產品，幫助企業發展、轉型，將傳統生產線和智能生產管理系統融合，完成優質總控平臺的搭建。

5 結語

在經濟與科技的雙重帶動下，水龍頭生產需要數字化技術的幫助。通過研究發現，傳統的生產工藝耗時費力，產品質量不穩定，更無法保障效率。為了提高水龍頭生產能力，需要引進數字化技術，將其作為工藝創新點。在實際工作中，著力研究L型水龍頭切削階段的全過程管理，打造智能化平臺和自動化系統，借助數字化工廠理念，提升裝備整體水平，靈活運用數字化車間技術。為了達到預期目標，還要加強管理，從企業等不同層面深入鉆研，提高生產效益。