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我国离散制造业智能工厂通用技术架构研究

来源:智能制造门户网   作者:陈荣 袁宁 王晗 曾侧伦 易飞  频道:    发布时间:2017-04-10

0 引言

以“互联网+”为技术支撑,新一轮全球经济变革正拉开序幕,工业领域的产业转型与升级已经成为各国努力的目标,德国提出了“工业40”国家战略,以巩固其制造业在全球的领先地位;美国提出了“再工业化”,以“工业互联网”为代表的先进制造业计划有序推进;日本等国家也出台相关智能制造振兴计划,积极抢占新的战略制高点。201558日,国务院公布李克强总理签批的“中国制造2025”—— 中国版“工业40”,为中国走向制造业强国开出了良方。

智能制造是上述各国战略规划的核心共性问题,因此,智能制造在工业各领域的转型升级中必然会发挥主导作用。离散型制造业在我国工业领域长期占据重要位置,但是传统的离散型制造企业在创新能力、生产效率和效益、生产模式、信息化建设、研发能力等方面仍有待于提高,制约着智能制造模式在我国工业中的快速发展。本文针对典型离散型制造业,构建智能工厂的顶层技术架构,为我国离散制造业的转型升级提供方向和技术指引。

1 智能工厂顶层技术架构设计

离散制造智能工厂体系架构由生产维护技术体系、企业运维技术体系、智能制造支撑环境体系及通用技术体系共同构成。生产维护技术体系是企业的核心,贯穿从设计到生产再到产品维保的整个环节,企业运维技术体系是企业运营管理的核心技术体系,智能制造支撑环境体系是支撑智能工厂正常运转的基础环境体系,通用技术体系出现在整个智能制造工厂中的每个环节,起着基础支撑作用。离散制造智能工厂顶层技术架构逻辑框图如图1所示。

l显示了智能工厂各关键模块间的逻辑关系,可以看出,整个智能制造工厂由4大体系、1O大模块共同构成,不同模块由自身功能决定,与其他模块存在协作、交互、反馈等关系。理想的离散制造智能工厂包含了图1中所示的所有模块,并形成完整体系,但是由于离散制造业中企业之间的生产水平参差不齐,且企业运营模式也有所差异,因此在离散制造业智能工厂的策划建设中,需根据企业实际情况,合理选择图1中所需模块为企业“量身定做”智能工厂,并进行点、线、面的滚动式智能化升级,以达到切实解决各企业实际问题、提高效益的目的。下文针对智能工厂技术架构中的智能研发、中央控制系统、柔性自动化生产线等关键环节进行阐述。

2 智能研发

在智能工厂环境中,智能研发在组织结构上主要包括产品设计和工艺设计,在逻辑和技术创新模式上可分为协同研发、全三维研发等。

21 协同研发

目前在研发过程中,主要存在横向信息孤岛和纵向信息孤岛两大突出现象,制约着创新能力与研发效率。为解决此类问题,需消除研发信息孤岛的现状,逐步打造集团级、全国级以及全球级的研发信息平台,打破设计、工艺、生产之间的信息孤岛,合理配置研发资源,提升企业创新能力和研发效率。

在智能工厂中,主要使用以下手段来实现协同研发:

(1)横向协同研发。打造横向协同研发信息平台,在产品研发时,根据项目实际情况,选择性地成立集团级、全国级或全球级的研发项目组;根据项目分工,将各子企业、部件厂、供应商的研发团队放置在此协同研发信息平台中,在设计过程中,项目成员之间可实时查阅对方的三维虚拟图纸及相关设计资料,实现项目组成员异地的互联互通,提高研发效率并合理利用研发资源。

(2)纵向协同研发。在智能工厂中,产品的设计部门、工艺部门、生产部门将处于同一个协同研发信息平台中,在设计部门设计过程中,工艺、生产相关部门能够在平台中随时查阅实时的设计图纸,消除研发部门与生产部门之间的时间差(设计过程中),使它们能够彼此协调,同步开展工作,从而使各方的配合更加默契。

通过以上措施,研发团队的工作将变得更加简单、高效,有效缩减研发周期及工艺设计周期,提高研发创新能力。

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1 离散制造智能工厂顶层技术架构逻辑框图

22 全三维研发

在智能工厂中,三维研发的各种相关资料将会为工艺、生产等部门提供帮助。

(1)对工艺设计的帮助。智能工,一的工艺设计需从传统的工艺设计模式平滑式地升级为三维工艺设计。在上述纵向协同信息平台中,三维装配工艺规划首先根据产品三维模型提取和构建零部件的几何特征、管理属性信息和物理特征信息等;通过产品的装配过程仿真确定零部件的装配顺序、路径、工艺要求、特殊装配操作技巧等信息,实现虚拟验证;以仿真结果为主干,将装配工艺以装配动画、交互式静态三维结果、动态三维装配动画等形式输出至生产部门。

(2)无纸化办公。从产品设计、工艺设计,再到生产部门,都是基于同一个数字化平台,产品设计阶段的三维模型及相关信息可直接传递至工艺及各生产部门,工艺部门完成的工艺流程、工艺方法、工艺参数、作业规程等通过显示器或智能终端以三维模型模拟装配的形式直接显示在各工位上指导工人操作,堆积如山的图纸及工艺文件将不再出现。

3 中央控制系统

中央控制系统重在实现IT管理下的订单生产。MES提供生产优化分析和物料分析,提升生产可执行性,利用条码扫描等手段实现生产进度管控、防呆防错、质量管理、关键物料追溯等数据采集和管理功能,实现从订单开始到产品产出的整个生产活动的信息化管控,优化生产执行过程中的事前计划、事中控制和事后分析与反馈,提供与ERPOAQMS等信息系统的集成。图2为智能工厂中央控制系统工作逻辑图。

4 柔性自动化生产线

柔性自动化生产线是基于自动化制造技术、信息技术、传感器技术及机器人协同技术等一体的现代先进技术的统称,实现在同一条生产线上自动加工制造不同产品的目标。

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2 智能工厂中央控制系统工作逻辑图

智能工厂柔性自动化生产线的新造工作逻辑图如图3所示。

柔性自动化检修线可与新造柔性自动化生产线并行,根据检修数量和检修工艺流程建立柔性生产线。柔性自动化检修线工作逻辑图如图4所示。

5 发展智能制造的预实施领域

从智能制造的具体实践和技术角度来说,在发展智能制造的过程中,建议首先将以下几方面作为主攻点:

(1)智能研发。产品研发需要消除信息孤岛,在PLM平台中实现异地协同设计、设计一制造并行设计;采用多学科集成的仿真技术、虚拟样机技术;进行模拟设计,在设计过程中进行模拟组装和性能测试。

(2)数字化在线检测与控制系统。依托计算机支持的协同工作技术(CSCW),对零件制造过程实行与计算机相结合的集检测、反馈、控制于一体的在线集成控制,及时发现制造过程中的质量变化趋势,并进行相应的调整,以预防废品的产生,使制造过程处于工艺稳定状态。

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3 柔性自动化生产线的新造工作逻辑图

6 结束语

本文在前期借鉴智能制造大量资料,实地调研智能工厂落地方案的基础上,搭建了适合我国国情的智能工厂顶层技术架构。并提出我国离散制造业发展智能制造的预实施领域,为离散制造企业发展智能制造提供了可参考的方向和依据,使智能制造的发展技术路线、方向、目标、实施方案等更有针对性,对于尽快实现我国离散制造业从中国制造到中国“智”造的转变有一定的参考价值。

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4 柔性自动化检修线工作逻辑图

 

 


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