黎水平,張 青
LI Shui-ping, ZHANG Qing
(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,武漢 430070)
中國是全球制造大國,但近幾年陸續(xù)發(fā)生的缺工、勞資關(guān)系緊張等問題,引發(fā)了一波“制造業(yè)回流”的熱潮,如美國總統(tǒng)奧巴馬主動(dòng)提出高階制造業(yè)回流政策,包括福特、蘋果、英特爾等已逐步將高階制造業(yè)生產(chǎn)線移回美國境內(nèi)[1]。種種大環(huán)境促使制造業(yè)急需進(jìn)行轉(zhuǎn)變,而智能化生產(chǎn)線可以很好的解決這些問題。
隨著新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的到來,物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)大量涌現(xiàn),新產(chǎn)業(yè)層出不窮,尤其制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化趨勢愈發(fā)明顯,全球制造業(yè)格局發(fā)生重大調(diào)整,我國也全面推進(jìn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略。2015年,《中國制造2025》規(guī)劃出臺(tái),智能制造成為主攻方向。2016年,《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》出臺(tái),明確“十三五”期間我國智能制造的發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)。隨著《智能制造工程實(shí)施指南(2016-2020年)》、《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2015年版)》以及《中國制造2025》“1+X”規(guī)劃體系等相關(guān)政策的發(fā)布和實(shí)施,智能制造試點(diǎn)示范專項(xiàng)行動(dòng)持續(xù)推進(jìn)以及地方政府支持政策的逐步落實(shí),我國企業(yè)發(fā)展智能制造的內(nèi)生動(dòng)力進(jìn)一步激發(fā),智能工廠、數(shù)字化車間加速建設(shè),智能制造新模式不斷涌現(xiàn)[1]。
本文以鋁合金門窗智能化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)分析為例,從產(chǎn)線功能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)這四個(gè)方面,提出一種智能化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案,為實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的規(guī)范化、流程化提供參考。
生產(chǎn)線必要性及可行性分析是設(shè)計(jì)智能化生產(chǎn)線的基礎(chǔ),是決策層判斷及審定的依據(jù),對(duì)項(xiàng)目是否立項(xiàng)起著決定性的作用。因此,企業(yè)在開始投資建設(shè)一條智能化生產(chǎn)線之前,必須先進(jìn)行生產(chǎn)線的必要性與可行性分析[3]。
必要性分析說明建設(shè)智能化生產(chǎn)線對(duì)企業(yè)的發(fā)展是必要的。針對(duì)企業(yè)當(dāng)前狀況,如生產(chǎn)能力不足、現(xiàn)有的生產(chǎn)條件對(duì)工人的技能要求過高、勞動(dòng)條件太差、勞動(dòng)強(qiáng)度太高等,對(duì)這些情況進(jìn)行必要性分析;針對(duì)企業(yè)發(fā)展預(yù)期,隨著科技水平的進(jìn)步,企業(yè)必須更新生產(chǎn)手段,提高企業(yè)的生產(chǎn)能力、提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn),以滿足未來市場的需求,利于企業(yè)未來的發(fā)展。
確定了建線的必要性,企業(yè)也不一定能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的建設(shè),或?qū)崿F(xiàn)的成本太高不合算。因此,還要進(jìn)行可行性分析,一般從經(jīng)濟(jì)可行性、技術(shù)可行性及運(yùn)行可行性三個(gè)方面進(jìn)行分析,其中技術(shù)可行性是從技術(shù)層面進(jìn)行分析,包括加工對(duì)象、加工工藝、生產(chǎn)設(shè)備、物流路線、總體布局、系統(tǒng)控制、生產(chǎn)管理等其他技術(shù),是可行性分析的關(guān)鍵。
隨著建筑節(jié)能工作的推進(jìn),鋁合金門窗在建筑門窗市場上的使用比例有較大的提高,產(chǎn)能得到大規(guī)模擴(kuò)張,《2018年版鋁合金門窗行業(yè)深度調(diào)研及市場前景分析報(bào)告》對(duì)此進(jìn)行了全面的闡述與論證。但是國內(nèi)鋁合金門窗制造業(yè)在科研、技術(shù)及研發(fā)費(fèi)用上的投入與這樣的大規(guī)模需求不成正比,大部分鋁合金門窗生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化程度較低,需要大量的工人手動(dòng)操作完成,工人勞動(dòng)的條件較差、勞動(dòng)強(qiáng)度較大。因此,根據(jù)某企業(yè)的實(shí)際需求,計(jì)劃建設(shè)一條鋁合金門窗智能化生產(chǎn)線,這對(duì)于鋁合金門窗市場具有重大意義。
設(shè)計(jì)一條智能化生產(chǎn)線,首先要明確該生產(chǎn)線所加工的產(chǎn)品,然后根據(jù)產(chǎn)品的加工工藝要求,定義該生產(chǎn)線的功能要求,并確定所需的技術(shù)條件,從而進(jìn)行智能化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)。
智能化生產(chǎn)線的一般功能要求如下[4]:
1)具有自動(dòng)加工功能。根據(jù)實(shí)際需要,提升系統(tǒng)、軟件及伺服驅(qū)動(dòng)配置,實(shí)現(xiàn)加工自適應(yīng)功能。
2)具有自動(dòng)上料、定位、夾緊、下料功能。
3)具有工件自動(dòng)轉(zhuǎn)移功能??刹捎脵C(jī)械手結(jié)合主機(jī)的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),也可采用智能化工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)。
4)具有自動(dòng)監(jiān)控、檢測和干涉性運(yùn)動(dòng)互鎖功能。如夾緊動(dòng)作是否到位、工件轉(zhuǎn)移過程的干涉規(guī)避等。
5)具有主要尺寸在線測量、自動(dòng)補(bǔ)償、誤差分析和處理功能。
6)具有加工參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化功能。根據(jù)工件狀況、設(shè)備狀況、刀具狀況、生產(chǎn)節(jié)拍等因素,實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化。
7)具有生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)規(guī)劃和優(yōu)化功能。根據(jù)生產(chǎn)總計(jì)劃及生產(chǎn)線狀況,自動(dòng)規(guī)劃、選擇相對(duì)最優(yōu)的生產(chǎn)計(jì)劃。
8)具有與生產(chǎn)線上下位數(shù)據(jù)交換和處理功能,通過互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)智能化軟硬件技術(shù),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線信息化、智能化管理和控制。
9)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況需要的其他智能化功能。
鋁合金門窗的制造加工是指生產(chǎn)工人利用鋸切設(shè)備、端面銑床、仿形銑床、沖床、鉆床等加工設(shè)備,進(jìn)行鋁合金型材的上料、定位、夾緊、轉(zhuǎn)移、緩存、切割、端銑、鉆沖孔等加工,并完成相應(yīng)的工裝、檢測與包裝全過程[5]。因此,鋁合金門窗智能化生產(chǎn)線除需具備上述一般功能要求,還需要具備加工過程中鋁屑的自動(dòng)清潔功能、鋸切噪聲控制等其他功能。
根據(jù)智能化生產(chǎn)線的一般功能要求,將其劃分為若干個(gè)功能模塊,如圖1所示,其中左邊部分是生產(chǎn)線的基礎(chǔ)和主體,滿足生產(chǎn)線的功能需求;右邊部分是生產(chǎn)線功能的進(jìn)一步提升,體現(xiàn)生產(chǎn)線的智能化加工。
圖1 智能化生產(chǎn)線功能模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)智能化生產(chǎn)線的功能要求分析,確定加工產(chǎn)品的工藝流程。工藝流程是指在生產(chǎn)過程中,利用生產(chǎn)設(shè)備將加工產(chǎn)品按一定的順序進(jìn)行連續(xù)的加工。首先根據(jù)產(chǎn)品的加工特點(diǎn)和技術(shù)要求,對(duì)加工方法及工藝路線進(jìn)行分析,將完整的工藝流程分成若干個(gè)工序,每個(gè)功能模塊完成一道工序的加工;然后利用流程改善法ESIA/ESCRI,綜合考慮工序的集中性、合理性、選擇性及成組技術(shù)原則,簡化、合并相應(yīng)工序,減少不必要的操作,最后采用新技術(shù)完成工藝流程的智能化、優(yōu)化改進(jìn)。
鋁合金門窗是典型的由訂單驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè),屬于多品種、小批量的生產(chǎn)線。隨著個(gè)性化生產(chǎn)趨勢的流行,不同系列和結(jié)構(gòu)的鋁合金門窗生產(chǎn)工藝存在部分差別,但總體的工藝流程基本一致,主要包括鋸切、機(jī)加工、組裝、包裝等流程。下面以鋁合金平開窗為例,其制作工藝流程如圖2所示。
圖2 鋁合金平開窗制作工藝流程
根據(jù)加工產(chǎn)品的工藝流程,結(jié)合智能化設(shè)備的功能,可以進(jìn)行智能化生產(chǎn)線的工位設(shè)計(jì)。通過分析加工產(chǎn)品的材料、加工內(nèi)容、加工精度要求等,明確加工過程中的加工設(shè)備、工序標(biāo)準(zhǔn)、操作要求、工藝參數(shù)等內(nèi)容。
其中,智能化加工設(shè)備是基礎(chǔ)與關(guān)鍵,對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)感知、智能監(jiān)測、智能調(diào)控和智能維護(hù),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的高效、低耗、優(yōu)質(zhì)等目標(biāo),決定整個(gè)智能化生產(chǎn)線運(yùn)行邏輯與策略的落地和實(shí)現(xiàn)。其中,自動(dòng)感知是智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化的前提,通過嵌入各種類型的傳感器,實(shí)時(shí)采集加工過程中的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù),同時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警;智能控制系統(tǒng)分析采集到的數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)調(diào)控設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)加工。
根據(jù)鋁合金平開窗的工藝流程,可以確定鋁合金門窗智能化生產(chǎn)線工位應(yīng)包含上料,掃碼,鋸切加工,端銑加工(型材端面銑削榫口),鉆銑加工(排水槽、執(zhí)手孔、安裝孔等孔槽加工),穿膠條,窗框拼接組裝、窗扇組角,安裝五金件,窗扇裝玻璃,成品包裝,檢驗(yàn)入庫等工位,表 1列出主要工位的作業(yè)內(nèi)容。對(duì)應(yīng)的設(shè)備包括鋸切加工中心,端銑設(shè)備,數(shù)控鉆銑機(jī)床,穿膠條機(jī),數(shù)控組角機(jī),自動(dòng)檢測設(shè)備,自動(dòng)包裝機(jī),柔性輸送系統(tǒng),RFID掃描系統(tǒng),視覺識(shí)別系統(tǒng),鋁屑集中輸送系統(tǒng),安全防護(hù)裝置等。
表1 鋁合金平開窗主要加工工位
生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)主要是依據(jù)生產(chǎn)線的功能模塊及工藝流程,綜合考慮物料的運(yùn)輸、工廠占地面積等因素,使生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)的功能較多、使用的設(shè)備較少、占地面積較少。合理的布局不僅可以提升場地的利用率,而且能有效地集成生產(chǎn)線的物料流、信息流,促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高。因此,生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)非常重要。
根據(jù)工位的作業(yè)內(nèi)容,合理地選擇能滿足功能需求的加工設(shè)備,然后依據(jù)主要工位設(shè)備的生產(chǎn)效率及產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍要求,計(jì)算每種設(shè)備所需的數(shù)量。生產(chǎn)節(jié)拍的計(jì)算公式如下:
式中:t為生產(chǎn)節(jié)拍,min/件;T為產(chǎn)線每天工作時(shí)間,h;N為每日計(jì)劃完成產(chǎn)量,件;n為工位所需設(shè)備數(shù)量,臺(tái);Tn為單臺(tái)設(shè)備完成工序所需的時(shí)間。
按一年252個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作日進(jìn)行計(jì)算,生產(chǎn)線采用三班制,每個(gè)工作日工作24h,根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃要求,鋁合金門窗生產(chǎn)線需要滿足N件/天的產(chǎn)能,鋁合金門窗智能化生產(chǎn)線主要工位設(shè)備信息如表2所示。
表2 鋁合金門窗智能生產(chǎn)線主要工位設(shè)備信息表
確定設(shè)備的類型及數(shù)量后,通過建模進(jìn)行布局設(shè)計(jì)。定義以下符號(hào):m為設(shè)備數(shù)量;n為零件數(shù)量;j為第j臺(tái)設(shè)備;fjk為物料從設(shè)備j到設(shè)備k的運(yùn)輸頻率;Cjk為設(shè)備j和設(shè)備k間傳送每單位距離的運(yùn)輸成本;Sj為設(shè)備j的長度;Qj為設(shè)備j的寬度;S為車間的長度;Q為車間的寬度;dxkj為設(shè)備k和設(shè)備j在X方向的最小間距;dykj為設(shè)備k和設(shè)備j在Y方向的最小間距;Xj為設(shè)備j的X軸中心坐標(biāo);Yj為設(shè)備j的Y軸中心坐標(biāo);Git為第i個(gè)零件在第t個(gè)工序的加工設(shè)備;令Git=F,Gi(t+1)=T。
設(shè)備間的物流運(yùn)輸頻率用矩陣f表示為:
設(shè)備間的距離用矩陣d表示為:
設(shè)備間單位距離的物流成本用矩陣c表示為:
使設(shè)備布局模型的物流效率最高,則相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)為:
約束條件為:
通過上述模型可求出每臺(tái)設(shè)備的位置信息,按照該數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)。
在智能化生產(chǎn)線中,物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料的輸送、工序間工件的轉(zhuǎn)移、中間儲(chǔ)存等過程。資料顯示,在中等批量的車間里,物料在機(jī)床上的加工時(shí)間僅占生產(chǎn)時(shí)間的5%,而95%的時(shí)間消耗在物流運(yùn)輸及等待上。而合理的物流系統(tǒng)可以充分利用場地資源、減少流轉(zhuǎn)時(shí)間、優(yōu)化物流路徑、提高生產(chǎn)效率,可見物流系統(tǒng)對(duì)智能化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)有很大影響。
物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)物料的輸送型式、輸送設(shè)備等做出合理安排??紤]物流系統(tǒng)的規(guī)模、輸送柔性、投資等因素,選擇合適的輸送型式,常用的輸送型式有直線型、環(huán)型、網(wǎng)型、樹型等,其中應(yīng)用較多的是環(huán)型,其次是直線型。
常見的輸送設(shè)備有輸送軌道、皮帶、輸送鏈、關(guān)節(jié)臂機(jī)器人、桁架機(jī)械手、堆垛機(jī)、物料運(yùn)輸小車AGV/RGV等。其中AGV的應(yīng)用較多,主要包括自動(dòng)小車、車載控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)及導(dǎo)航系統(tǒng)。車載控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)自動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)航、裝卸操作、路徑選擇等,目前主要的導(dǎo)航技術(shù)包括坐標(biāo)導(dǎo)引、電磁導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、慣性導(dǎo)航及GPS技術(shù)等;地面控制系統(tǒng)主要解決車輛管理、交通管理、通信管理等問題,是AGV系統(tǒng)的核心。
圖3 智能化生產(chǎn)線信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖
在設(shè)計(jì)物流系統(tǒng)時(shí),還需要考慮以下幾點(diǎn)[6]:
1)運(yùn)輸方向應(yīng)與工藝流程一致,盡量減少中間停頓、轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié);
2)考慮工廠的占地大小及分布方式,合理布置物料的進(jìn)出;
3)綜合考慮各工序的加工時(shí)間,使物料在各工序的輸送及加工時(shí)間趨于均衡;
4)盡量使物料運(yùn)輸?shù)穆烦套疃?,減少輸送時(shí)間,不影響物料的加工;
5)物料的輸送應(yīng)方便機(jī)械手的取放,使機(jī)械手在取放的過程中能更好的適應(yīng)物料的姿態(tài),避免避讓輸送設(shè)備時(shí)造成過多運(yùn)動(dòng)。
智能制造的基本特征是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程和生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化,信息系統(tǒng)是智能化生產(chǎn)線的核心組成部分。在信息、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享的基礎(chǔ)上,構(gòu)建中心數(shù)據(jù)庫及各專業(yè)數(shù)據(jù)子集,通過大數(shù)據(jù)分析,集成產(chǎn)品訂單信息、資源信息、設(shè)備信息、生產(chǎn)信息、質(zhì)量檢測信息等,實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)過程的控制與管理。
智能化生產(chǎn)線信息系統(tǒng)包括產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)PLM、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)ERP、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS、自動(dòng)化設(shè)備及過程控制系統(tǒng)PCS,各個(gè)部分的功能如圖3所示。
其中,MES系統(tǒng)是智能化生產(chǎn)線信息系統(tǒng)的核心,通過MES系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的集成與交互,提供制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排產(chǎn)管理、庫存管理、質(zhì)量管理、現(xiàn)場設(shè)備管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成、上層數(shù)據(jù)分解等管理模塊。
生產(chǎn)管理系統(tǒng)接收生產(chǎn)任務(wù)指令后,通過PLM系統(tǒng)調(diào)取制造BOM信息及工藝文件數(shù)據(jù),依據(jù)BOM信息向ERP系統(tǒng)發(fā)送生產(chǎn)排程指令,生成生產(chǎn)計(jì)劃;同時(shí),向WMS系統(tǒng)發(fā)出物料領(lǐng)取指令,生成領(lǐng)料計(jì)劃;MES系統(tǒng)將工藝文件數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)至生產(chǎn)線中控系統(tǒng)[7];中控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的忙閑狀態(tài)及加工能力綜合決定所需的加工設(shè)備,進(jìn)一步分析零件的工藝特征及設(shè)備的性能,確定設(shè)備的最佳工藝參數(shù);同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況向物流、刀具等系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的指令,實(shí)現(xiàn)智能化加工及生產(chǎn)任務(wù)均衡分配。
搭建生產(chǎn)線前,首先在計(jì)算機(jī)中利用仿真軟件構(gòu)建與實(shí)際生產(chǎn)一致的生產(chǎn)模型,模擬生產(chǎn)、控制、決策、數(shù)據(jù)處理等過程。軟件中不僅可以模擬真實(shí)生產(chǎn)線的運(yùn)行效果,當(dāng)運(yùn)行出錯(cuò)時(shí),只需要在軟件中進(jìn)行修改,避免實(shí)際模型設(shè)備的浪費(fèi),降低開發(fā)成本;而且通過計(jì)算機(jī)仿真,可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的瓶頸問題,監(jiān)控生產(chǎn)效率等重要性能指標(biāo)[8]。因此,完成鋁合金門窗智能化生產(chǎn)線的上述設(shè)計(jì)后,參照其工藝結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計(jì),利用EM-Plant軟件進(jìn)行仿真分析。
根據(jù)系統(tǒng)的功能需要建立相應(yīng)的對(duì)象類型庫,依據(jù)功能模塊劃分為若干個(gè)子模型模塊,參照生產(chǎn)線的工藝流程與設(shè)備布局情況,將子模型放入總模型的相應(yīng)位置上,通過物料輸送子模型進(jìn)行連接,完成相應(yīng)屬性和邏輯策略的設(shè)置,將訂單數(shù)據(jù)輸入仿真模型中運(yùn)行,基本的仿真模型如圖4所示。
圖4 鋁合金門窗智能化生產(chǎn)線基本模型
設(shè)置生產(chǎn)線各部分功能參數(shù),使其按生產(chǎn)計(jì)劃要求完成每天N件的工作量。通過對(duì)仿真模型連續(xù)多個(gè)工作日的仿真,從模型的資源統(tǒng)計(jì)信息圖5中可以看出,該生產(chǎn)線部分功能模塊能保持較高的工作效率,如鋸切、數(shù)控鉆銑機(jī)加工、穿膠條等工位,而組框工位的等待空閑時(shí)間較長,可見該生產(chǎn)線各功能模塊負(fù)荷不是特別均衡,但能正常的按要求完成每天的工作量。如果企業(yè)的要求較高,可以進(jìn)一步對(duì)該生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。
圖5 鋁合金智能化生產(chǎn)線仿真信息
隨著科技的快速發(fā)展,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線智能化在加工制造業(yè)中具有越來越重要的作用。本文提出的一種智能化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案,為智能化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程化、規(guī)范化提供了理論參考,具有非常重要的指導(dǎo)意義。目前,鋁合金門窗智能化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)工作正在按照此方案穩(wěn)步推進(jìn),為企業(yè)的智能化升級(jí)制造打下基礎(chǔ)。