房坤1 梁明軒1 陳子陽2

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2. 重慶交通大學(xué) 重慶 404100

專用汽車數(shù)字化車間的探索

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在追趕工業(yè)4.0的道路上，為進(jìn)行數(shù)字化車間建設(shè)的前期探索，著手打造了一條牽引銷總成機(jī)器人焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線，介紹了數(shù)字化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線的整體布置、物流自動(dòng)化、機(jī)器人焊接優(yōu)勢等，為數(shù)字化車間的建設(shè)提供了一種參考意見和方法。

工業(yè)4.0 數(shù)字化設(shè)計(jì) 自動(dòng)化生產(chǎn)線 物流自動(dòng)化 焊接機(jī)器人

1 前言

工業(yè)4.0是《德國2020高科技戰(zhàn)略》中所提出的十大未來項(xiàng)目之一，由德國政府在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出，目的是為了提升德國制造業(yè)的智能化水平。中國政府也于2015年5月正式印發(fā)《中國制造2025》，旨在提升中國制造業(yè)的質(zhì)量和水平，實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略?？梢姡鲊荚诜e極提高工業(yè)競爭力，以在新一輪的工業(yè)革命中占得先機(jī)。

工業(yè)4.0是將實(shí)體物理世界與虛擬網(wǎng)絡(luò)世界融合，綜合利用第一次和第二次工業(yè)革命創(chuàng)造的“物理系統(tǒng)”和第三次工業(yè)革命帶來的“信息系統(tǒng)”，將兩者融合，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。通過產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）以及制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等平臺(tái)集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)。

目前在專用汽車行業(yè)，絕大多數(shù)企業(yè)仍未達(dá)到工業(yè)2.0，面對(duì)巨大的市場競爭壓力，制造企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到提高效率、節(jié)約成本、提升質(zhì)量勢在必行，數(shù)字化工廠技術(shù)則為此提供了一種有效的解決方案，因此越來越多的中國企業(yè)開始積極籌備建設(shè)數(shù)字化工廠，以期在數(shù)字化引領(lǐng)的工業(yè)變革中提升企業(yè)的競爭力。某公司為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，推進(jìn)和探索數(shù)字化工廠的建設(shè)，驗(yàn)證并對(duì)比數(shù)字化技術(shù)在提高生產(chǎn)效率方面的作用，打通數(shù)字化設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的全鏈條通路，推動(dòng)建設(shè)了數(shù)字化教導(dǎo)車間這一項(xiàng)目。在這個(gè)背景下，該公司已先期建設(shè)完成了一條牽引銷總成機(jī)器人焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線，為正在打造的數(shù)字化教導(dǎo)車間進(jìn)行一種嘗試，并為后期整個(gè)數(shù)字化工廠的建設(shè)打下一定基礎(chǔ)。

2 數(shù)字化設(shè)計(jì)

首先，建立了全三維的參數(shù)化和模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)，將ERP系統(tǒng)中的訂單需求導(dǎo)入平臺(tái)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字化配置參數(shù)，快速生成產(chǎn)品的全三維設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)EBOM，并對(duì)產(chǎn)品零部件進(jìn)行全三維化的分析和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程知識(shí)數(shù)字化及電子流程化。

通過建設(shè)以BOM為核心的設(shè)計(jì)工藝一體化平臺(tái)，將EBOM轉(zhuǎn)化為工藝及制造視角的MBOM，并將傳統(tǒng)的工藝指導(dǎo)文件或卡片的工藝表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化工藝，實(shí)現(xiàn)三維化創(chuàng)建工藝，全面提升工藝設(shè)計(jì)的精細(xì)度及能力，提升設(shè)計(jì)、工藝數(shù)據(jù)的一致性及關(guān)聯(lián)性，加強(qiáng)變更的協(xié)同性，實(shí)現(xiàn)工藝的數(shù)字化設(shè)計(jì)。

通過產(chǎn)品可制造性仿真，仿真產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程，驗(yàn)證產(chǎn)品的工藝性，獲得完善的制造規(guī)劃，交互式或自動(dòng)地建立裝配路徑，動(dòng)態(tài)分析裝配干涉情況，確定最優(yōu)裝配和拆卸操作順序；通過機(jī)器人仿真，確認(rèn)利用設(shè)備完成工藝過程的可行性，規(guī)劃機(jī)器人的工作路徑，消除機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)干涉；根據(jù)產(chǎn)品的工藝時(shí)間和工藝路線，還可以進(jìn)行工廠物流仿真，從而評(píng)估整個(gè)工廠的產(chǎn)能、物流線路及成本，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)工廠的目的。

建立數(shù)字化模型，打通計(jì)劃、物料、設(shè)備、質(zhì)量全鏈條通路，同時(shí)引入現(xiàn)代化設(shè)備，以產(chǎn)品為中心通過軟件與軟件、軟件與設(shè)備的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。

數(shù)字化關(guān)鍵難點(diǎn)是工藝路線的確定形成結(jié)構(gòu)化工藝并能實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，準(zhǔn)確定義產(chǎn)品模塊配置。

3 生產(chǎn)線整體布局

整個(gè)牽引銷總成機(jī)器人焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線照片如圖1所示，主要包含物流自動(dòng)化和機(jī)器人焊接兩個(gè)部分。其中物流自動(dòng)化采用PLC程序控制，具有拼焊總成自動(dòng)輸送、自動(dòng)上下料、自動(dòng)定位裝夾等功能，并實(shí)現(xiàn)了物流自動(dòng)化和機(jī)器人焊接的無縫對(duì)接。該生產(chǎn)線投入生產(chǎn)運(yùn)營后，明顯減少了牽引銷總成吊運(yùn)周轉(zhuǎn)時(shí)間，基本消除了制造缺陷返工。

圖1 牽引銷總成機(jī)器人焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線

3.1 物流自動(dòng)化部分

該生產(chǎn)線物流自動(dòng)化部分采用PLC控制?？删幊绦蜻壿嬁刂破鳎≒LC）以其抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、編程簡單、故障率低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域，因此基于PLC控制的該工業(yè)生產(chǎn)流水線具有高效率和操作簡單等特點(diǎn)。在本條生產(chǎn)線中，工件在緩沖輥上的傳送、小車的上下料均采用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過接近開關(guān)對(duì)行程進(jìn)行控制，依靠PLC的邏輯編程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的全自動(dòng)輸送，替代原先的人工吊轉(zhuǎn)，效率明顯提升，緩沖輥道和小車上下料如圖2所示。

3.2 機(jī)器人焊接部分

焊接部分采用的是TM-G3系列焊接機(jī)器人，它是一種示教再現(xiàn)機(jī)器人，該機(jī)器人的編程通過實(shí)時(shí)在線示教來實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人再根據(jù)示教程序完成預(yù)期的動(dòng)作，因此可對(duì)多種不同大小的牽引銷總成進(jìn)行焊接，圖3為機(jī)器人焊接示意圖。

圖2 緩沖輥道和小車上下料

圖3 機(jī)器人焊接

由于機(jī)器人的焊接電源為雙脈沖數(shù)字焊接電源，焊接飛濺大大減少，打磨的工作量也明顯降低。采用了機(jī)器人焊接后，焊接電流、電壓以及焊接過程的穩(wěn)定性均得到明顯提升，焊接質(zhì)量得到有效保障，圖4為牽引銷人工與機(jī)器人焊接效果對(duì)比圖。

圖4 人工與機(jī)器人焊接效果對(duì)比圖

4 結(jié)語

數(shù)字化設(shè)計(jì)縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少了人為錯(cuò)誤，保證了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量；基于PLC控制的工件傳送代替了人工吊轉(zhuǎn)，工作效率顯著提升，焊接質(zhì)量更穩(wěn)定、可靠。該生產(chǎn)線投入使用后生產(chǎn)效率提高40%，訂單交付時(shí)間縮短40%，產(chǎn)能提高1倍，生產(chǎn)成本降低約10%。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)智能化程度得到不斷提高。本文介紹的自動(dòng)化生產(chǎn)線為目前數(shù)字化教導(dǎo)車間的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，數(shù)字化教導(dǎo)車間項(xiàng)目的實(shí)施為進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)字化工廠建設(shè)做好了前期探索工作，為其他工廠的數(shù)字化建設(shè)提供了參考樣板和實(shí)施基礎(chǔ)。

[1] 韓建海.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2015.

Exploration of Special Purpose Vehicle Digital Workshop

FANG Kun et al

On the way of chasing industrial 4.0, in order to carry out the preliminary exploration of digital workshop construction, an automated welding robot production line of traction pin assembly has been designed. The digital design, the overall layout of the production line, logistics automation, the robot welding superiority were introduced this article. It provided a reference for the construction of the digital workshop.

Industrial 4.0; digital design; automated production line ; logistics automation; welding robot

U469.2.02

A

1004-0226(2017)03-0093-02

房坤，男，1966年生，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事專用汽車設(shè)計(jì)工作。

2017-01-06