楊長春，管清富，逄增苗

（青島盛美機械有限公司，山東青島 266400）

制造業(yè)是我國的立國之本，建設(shè)制造強國是提升我國綜合國力、保障國家安全的必然選擇。未來制造業(yè)的發(fā)展是以信息技術(shù)革命性突破為基礎(chǔ)，反映了工業(yè)經(jīng)濟數(shù)字化、信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，即以互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)為核心，構(gòu)建智能工廠，實現(xiàn)智能制造。

圖1 智能工廠規(guī)劃

1 智能制造工廠的理念

1.1 什么是智能制造工廠

智能制造工廠（圖表1）要符合制造設(shè)備數(shù)字化、生產(chǎn)信息自動采集、生產(chǎn)資料可識別、生產(chǎn)現(xiàn)場可視化、工藝設(shè)計數(shù)據(jù)化、以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、相關(guān)信息綜合集成、工業(yè)信息安全可控等要求，集成制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）或其他生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)。

1.2 數(shù)字化工廠、智能工廠、智能制造工廠的區(qū)別

數(shù)字化工廠是由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計算機仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要作為溝通產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造之間的橋梁。

智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強信息管理服務(wù)，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，以及合理計劃排程。

智能制造本質(zhì)是人機一體化，系統(tǒng)可獨立承擔(dān)分析、判斷、決策等任務(wù)，突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在智能機器配合下，更好發(fā)揮人的潛能。

1.3 目前國內(nèi)智能制造方面的情況

制造業(yè)在智能制造的浪潮下也積極轉(zhuǎn)型，自動化、數(shù)字化、智能化水平大大提高，各行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)越來越重視生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和車間聯(lián)網(wǎng)，設(shè)備數(shù)據(jù)可視化程度顯著提高。多數(shù)制造企業(yè)，特別是鑄造類的工廠雖然花費巨資上了一些先進的裝備，但是數(shù)據(jù)采集靠筆、數(shù)據(jù)處理靠人、分析靠經(jīng)驗，設(shè)備管理維護、人員知識結(jié)構(gòu)仍未實現(xiàn)全配套，面對真正意義上的智能制造還有非常大的距離。

2 智能制造工廠中V 法鑄造裝備的選型

V 法鑄造是眾多鑄造工藝中的一種，是目前最綠色、最環(huán)保的鑄造工藝之一，下面介紹V 法鑄造裝備的選型。

2.1 做好規(guī)劃

建設(shè)生產(chǎn)線、建設(shè)工廠必須做好項目前期規(guī)劃，這項工作對項目投資的影響程度在70%～80%，相當(dāng)重要，但許多企業(yè)往往忽視這一重要環(huán)節(jié)，項目啟動前不對市場進行分析，項目不做總體設(shè)計，不在乎產(chǎn)品制造廠家以及設(shè)計者，這種想法是非常不科學(xué)的。

2.2 選擇適合自己企業(yè)發(fā)展的生產(chǎn)線

每一種鑄件都有一種最適合他的造型方式，選擇V 法工藝時必須要考慮到它的適用性、實用性、經(jīng)濟性等。要首先根據(jù)工藝確定砂箱規(guī)格，然后結(jié)合產(chǎn)能、環(huán)保、投資等因素確定生產(chǎn)線的樣式，目前國內(nèi)V 法線形式主要有以下三種。

2.2.1 穿梭式V 法造型線

穿梭式V 法造型線（圖2）設(shè)備投資較小，生產(chǎn)靈活，效率：4～6 型/h。它是靠移動震實臺來回穿梭，通常將模板（帶負壓箱）放置到移動震實臺上，移動震實臺不僅起到震實砂型的作用，而且是整個模板和砂型的載體。覆膜、噴涂料、扣空砂箱、涂料烘干、加砂震實、刮平、覆背膜、起模等多個工序都在移動震實臺上完成。

圖2 穿梭式V 法造型線

2.2.2 轉(zhuǎn)臺式V 法造型線

轉(zhuǎn)臺式V 法造型線（圖3）占地面積小，造型效率高。轉(zhuǎn)臺式V 法造型線將造型各工步環(huán)形分布，通過一轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)模樣在各工步間的移動，有兩工位、四工位、六工位、八工位等多種形式。工位越多，分工越細化，工序之間的干擾越小，造型的速率也就越高。

圖3 轉(zhuǎn)臺式V 法造型線

2.2.3 組合式V 法造型線

組合式V 法造型線（圖4）一般是大型開式自動化線，不但性能可靠、技術(shù)先進，而且自動化程度高，效率高，造型效率可達20 型/h。生產(chǎn)線由上下箱造型圈、下芯圈、澆注冷卻圈、砂處理、輔助的液壓、電控、氣動等部分組成。

圖4 組合式V 法造型線

2.3 實現(xiàn)設(shè)備運行的數(shù)據(jù)化采集

智能制造是以基層數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，如何收集數(shù)據(jù)、收集哪些數(shù)據(jù)是需要我們設(shè)備制造商要解決的問題，下面根據(jù)V 法造型的五個工部進行介紹。

2.3.1 造型工部

2.3.1.1 覆膜與展膜裝置

覆膜主要是通過對薄膜均勻加熱使薄膜能與模型緊密的貼合達到順利覆膜的目的。主要完成表1 中數(shù)據(jù)的采集。

表1 覆膜與展膜裝置采集數(shù)據(jù)

2.3.1.2 噴涂

目前已經(jīng)有鑄造廠家實現(xiàn)了機器人噴涂，可以實現(xiàn)對涂料成分、波美度、噴涂時間等數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)不同的模具掃碼自動運行各自的程序。

2.3.1.3 烘干

烘干用于模型噴完涂料以后的涂料烘干，主要完成表2 中數(shù)據(jù)的采集。

表2 烘干數(shù)據(jù)采集

2.3.1.4 加砂震實

此工序主要是型砂在震動加速度作用下產(chǎn)生相對運動，從而得到緊實而均勻的型砂。主要完成表3 中數(shù)據(jù)的采集。

2.3.1.5 覆背膜

現(xiàn)在有許多生產(chǎn)線已經(jīng)實現(xiàn)自動刮平覆背膜這項工作，在此工序主要完成表4 中數(shù)據(jù)的采集。

表3 加砂震實數(shù)據(jù)采集

表4 覆背膜數(shù)據(jù)采集

2.3.1.6 起模、合箱

在生產(chǎn)線中已經(jīng)大部分普及了機械手，在此工序要監(jiān)測表5 中的數(shù)據(jù)。

表5 起模合箱數(shù)據(jù)采集

2.3.2 砂處理工部

砂處理工部主要是為了解決砂子的溫度、粉塵、顆粒度和磁性物質(zhì)去除的問題。所以在砂處理工部中的落砂、輸送、提升、磁選、降溫、皮帶等設(shè)備都應(yīng)分別具有：效率檢測、溫度檢測（砂溫以及配套的水溫、氣溫、油溫等）、粉塵檢測、故障檢測、速度檢測與調(diào)整。

2.3.3 除塵工部

除塵是V 法鑄造中非常重要的環(huán)節(jié)，要根據(jù)選擇的砂子目數(shù)以及現(xiàn)場使用的環(huán)境進行配置，管道要盡量短，要遵循流體學(xué)原理，設(shè)計要科學(xué)、合理。特別是新上馬的鑄造項目一定要控制好排放濃度，不僅如此，在有機溶劑收集（圖5）、澆注除塵、VOC 處理等方面都要有相應(yīng)的設(shè)備，排放要符合當(dāng)?shù)卣沫h(huán)保和崗位衛(wèi)生的要求。我們要在主要的設(shè)備除塵口安裝流量和粉塵監(jiān)測裝置，在主管道上還要加裝消音器等。

圖5 噴涂除塵現(xiàn)場

2.3.4 真空工部

真空系統(tǒng)（見圖6）是V 法鑄造的核心，完整的真空系統(tǒng)主要由真空泵、水浴除塵器、穩(wěn)壓罐、水循環(huán)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等部分組成。在設(shè)計該系統(tǒng)時首先要確定真空泵的容量氣率，在使用過程中除了表6 中的點外，要監(jiān)測每個工序、每個點的真空變化，配有真空變頻節(jié)能控制后實現(xiàn)真空的匹配和調(diào)整。

圖6 智能澆注現(xiàn)場

表6 真空系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

2.3.5 工裝

這里介紹的工裝主要包括模具和砂箱兩部分。

2.3.5.1 模具

V 法造型用模具包括模型和放置模型的底板，在長度方向沿中心線兩側(cè)端部設(shè)有與砂箱配合的定位銷套，在模板下面設(shè)有抽氣室。要想實現(xiàn)生產(chǎn)線自動運行和主要數(shù)據(jù)收集，我們先要在模具上做上標識，模具進入生產(chǎn)線時可以自動掃描，在真空度、溫度等方面都要監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.3.5.2 砂箱

V 法造型的砂箱是專用砂箱，對砂箱要監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)見表7。

表7 砂箱數(shù)據(jù)采集

2.3.6 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制采用西門子S7 系列可編程控制器（PLC）控制，PLC 具有PN 通訊接口，可通過交換機實現(xiàn)與中控室的以太網(wǎng)通訊，實現(xiàn)在中控室上位機(本線不配備)上對生產(chǎn)線設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控，并與運行系統(tǒng)連鎖。系統(tǒng)配備遠程數(shù)據(jù)訪問模組，可通過4G/WIFI/以太網(wǎng)進行遠程數(shù)據(jù)訪問。通過此配置，可遠程協(xié)助用戶解決使用中遇到的故障。

3 如何實現(xiàn)V 法智能制造工廠

3.1 基礎(chǔ)數(shù)字化

3.1.1 制造裝備

我們的裝備要具備完善的檔案信息、通信接口、一定的可視化能力和人機交互能力，能接收執(zhí)行層下達的活動定義信息、能向執(zhí)行層提供制作的活動反饋信息，相關(guān)數(shù)據(jù)進入企業(yè)核心數(shù)據(jù)庫。

3.1.2 生產(chǎn)資源

用條碼及電子標簽等編碼技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)資源的可識別，對生產(chǎn)資源的編號、參數(shù)及使用對象等信息自動或半自動方式讀取，并自動上傳到相應(yīng)設(shè)備或者執(zhí)行層，可利用RFID 等進行設(shè)備及執(zhí)行層的數(shù)據(jù)寫入。

集成以上工廠底層數(shù)據(jù)（見圖7），對接工廠總體設(shè)計、布局信息，形成工廠系統(tǒng)模型，建立虛擬工廠，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實工廠同步。

圖7 電爐數(shù)字化加料系統(tǒng)顯示

3.2 裝備

通過嵌入射頻識別（RFID）、條碼識別、視覺檢測技術(shù)、激光傳感器等無線感知技術(shù)和視覺環(huán)境感知、閉環(huán)控制等全方位智能控制技術(shù)，使裝備具有自感知、自診斷、自適應(yīng)、自決策等能力。實現(xiàn)工廠內(nèi)部整套裝備系統(tǒng)、生產(chǎn)線、設(shè)施與移動操作終端的互聯(lián)，工廠互聯(lián)和信息安全具有保障。

3.3 工藝設(shè)計數(shù)字化

采用三維計算機輔助設(shè)計（CAD）、有限元分析（CAE）、計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP）等技術(shù)，進行工藝路線和工藝布局仿真、加工過程仿真和（或）裝配過程仿真，建立工藝知識庫（工藝相關(guān)規(guī)范、成功工藝設(shè)計案例、專家知識庫等），提供電子化的工藝文件，并可下達到生產(chǎn)現(xiàn)場指導(dǎo)生產(chǎn)，向制造執(zhí)行系統(tǒng)輸出工藝BOM。

3.4 工廠信息交互

3.4.1 通信網(wǎng)絡(luò)

采用現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)通信、無線通信等方式，建立工廠級的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制設(shè)備與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信。構(gòu)建工廠的全周期的信息數(shù)據(jù)鏈，以工廠級工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過軟件控制應(yīng)用和軟件定義機器的緊密聯(lián)動，促進機器之間、機器與控制平臺之間、企業(yè)上下游之間的實時連接和智能交互。

3.4.2 數(shù)據(jù)采集與存儲

在企業(yè)數(shù)據(jù)字典定義的數(shù)據(jù)采集內(nèi)容基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)的實時性要求，利用合理的網(wǎng)絡(luò)通信方式和數(shù)據(jù)存儲方式，配置符合設(shè)計要求的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，對工廠所需數(shù)據(jù)進行采集、存儲與管理（支持異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的格式轉(zhuǎn)換），并采用實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的存儲方式，采取工業(yè)信息安全策略，與企業(yè)級數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)對接。

3.4.3 數(shù)據(jù)字典

工廠應(yīng)按以下要求建立數(shù)據(jù)字典：包括工廠制造過程中需要交互的全部信息（設(shè)備狀態(tài)信息、生產(chǎn)過程信息、物流與倉儲信息、檢驗與質(zhì)量信息、生產(chǎn)計劃信息等），能描述數(shù)據(jù)名稱、來源、語義、結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)類型等各類數(shù)據(jù)基本信息，支持個性化定制。采取全流程可視化的用戶定制模式，實現(xiàn)信息的全流程共享，用戶在參與產(chǎn)品設(shè)計的同時，還可以隨時查看產(chǎn)品制造、訂單配送等所有環(huán)節(jié)信息。

3.5 制造運行管理數(shù)字化

建設(shè)協(xié)同云制造平臺、能源管理平臺、智能故障診斷與服務(wù)平臺及智能決策分析平臺等，無縫集成與優(yōu)化企業(yè)的虛擬設(shè)計，產(chǎn)品信息能夠貫穿于設(shè)計、制造、質(zhì)量、物流等環(huán)節(jié)，建立產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新平臺和網(wǎng)絡(luò)營銷服務(wù)平臺，用戶能夠參與設(shè)計、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)，滿足用戶個性化需求，實現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期管理（PLM）。工廠生產(chǎn)實現(xiàn)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的信息共享及優(yōu)化管理。

3.6 效益情況

提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，以及合理計劃排程。實現(xiàn)靈活和柔性的工廠生產(chǎn)組織，使工廠生產(chǎn)模式向規(guī)?；ㄖ粕a(chǎn)轉(zhuǎn)變，滿足用戶定制需求。全面提升智能工廠的工藝流程改進、資源配置優(yōu)化、設(shè)備遠程維護、在線設(shè)備故障預(yù)警與處理、生產(chǎn)管理精細化等水平，實現(xiàn)研發(fā)、生產(chǎn)、供應(yīng)鏈、營銷及售后服務(wù)等各環(huán)節(jié)的信息貫通及協(xié)同。

如圖8 所示：以信息化為手段、以數(shù)字化為根本，實現(xiàn)智能制造。

我們的智能制造工廠也是信息化和工業(yè)自動化的高層次的深度結(jié)合（圖9），是以信息化帶動工業(yè)自動化、以工業(yè)自動化促進信息化，走新型工業(yè)化道路。

圖8 數(shù)字為本

圖9 兩化融合

兩化融合的核心就是信息化為支撐，追求可持續(xù)發(fā)展模式。V 法鑄造應(yīng)以工藝為先、裝備保障，而這一切的重點是從業(yè)人員素質(zhì)和技能的提升。從工控、計算機通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面著手，系統(tǒng)學(xué)習(xí)、考慮如何與制造業(yè)結(jié)合，設(shè)計出更多智能、柔性的鑄造裝備應(yīng)用到使用工廠，立足工作崗位、設(shè)計出具有創(chuàng)新引領(lǐng)能力和明顯競爭優(yōu)勢的裝備。要讓機器、設(shè)備、集群和網(wǎng)絡(luò)組成，能夠在更深的層面和連接能力、大數(shù)據(jù)、數(shù)字分析相結(jié)合。實現(xiàn)智能制造的核心是工藝裝備與人工智能的融合，實現(xiàn)工藝裝備的智能化，是制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向。