陳浩齊

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江門 529020）

江門地區(qū)集中了較多衛(wèi)浴品牌，屬于衛(wèi)浴重要生產(chǎn)、加工、銷售區(qū)域，其中水龍頭加工占據(jù)主導(dǎo)。在水龍頭生產(chǎn)中，機(jī)加工是核心環(huán)節(jié)。從現(xiàn)狀來看，半自動方式加工普遍存在。這種傳統(tǒng)工藝模式往往人工成本高，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)效率提升難，并且伴隨有產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等現(xiàn)實(shí)問題。為了改善工藝，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上融合數(shù)字化工廠理念，借助仿真驗(yàn)證規(guī)避質(zhì)量不穩(wěn)定性問題，大大提高了生產(chǎn)率。

1 數(shù)字化工廠技術(shù)

隨著科技的進(jìn)步，智能化生產(chǎn)線核心思想被提出，制造業(yè)不斷升級。近幾年，在生產(chǎn)需求的推動下，數(shù)字化工廠不斷涌現(xiàn)，關(guān)鍵技術(shù)更加成熟。數(shù)字化工廠從某種角度來說，屬于先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，其中囊括了數(shù)字化虛擬和仿真。在虛擬環(huán)境中，數(shù)字化工廠技術(shù)是指完成一系列優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)過程仿真，在仿真模型基礎(chǔ)上完成評估和持續(xù)優(yōu)化，直到打磨出理想化工藝生產(chǎn)線，并逐步完善新型生產(chǎn)組織、加工方式，延長其生命周期，是產(chǎn)品制造、設(shè)計(jì)的紐帶，應(yīng)用價(jià)值較高[1]。數(shù)字化工廠的核心理念是完成高質(zhì)量的信息集成。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字化工廠優(yōu)勢突出，其仿真具有可視化的鮮明特征，且兼顧實(shí)時(shí)性和全面性，通過加工環(huán)節(jié)、物理建模以及模擬運(yùn)行狀況等輸出仿真結(jié)果[2]，最終得到的數(shù)據(jù)可以用來指導(dǎo)后期運(yùn)作，效果顯著。實(shí)踐證明，數(shù)字工廠作為發(fā)揮紐帶作用的先進(jìn)制造技術(shù)，在減少不穩(wěn)定性的同時(shí)，還可以增強(qiáng)設(shè)備安裝、運(yùn)行的可靠性。

2 水龍頭生產(chǎn)線和工藝

2.1 工藝流程分析

水龍頭工藝流程較為復(fù)雜，涉及多項(xiàng)環(huán)節(jié)。為了滿足需求量，提升工藝品質(zhì)，整個(gè)制造過程囊括了鑄造、機(jī)加工等內(nèi)容，且在此基礎(chǔ)上還要進(jìn)行磨拋、組裝。在上述的4個(gè)工序中，每個(gè)工序還可以進(jìn)行細(xì)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(jìn)出水孔、閥芯孔試驗(yàn)、剝皮、磨拋以及電鍍多項(xiàng)工序。結(jié)合傳統(tǒng)工序，發(fā)現(xiàn)工位作業(yè)時(shí)間存在非常懸殊的偏差，且各工位距離長，搬運(yùn)花費(fèi)時(shí)間較長，導(dǎo)致生產(chǎn)線效率低，不能實(shí)現(xiàn)流動生產(chǎn)。此外，一次合格率低。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電鍍和組裝對應(yīng)的一次合格率分別為92%和86%，亟需進(jìn)行工藝上的創(chuàng)新。

2.2 生產(chǎn)節(jié)拍分析

現(xiàn)實(shí)工作中，通過測量各工序所花費(fèi)的時(shí)間可知，工序間的銜接并不順暢。以鑄造工序?yàn)槔?，在工作中需?3～45 s；等到機(jī)加工工序環(huán)節(jié)，需要48～50 s。另外，時(shí)間較長的還有磨拋工序，通常要耗費(fèi)57～59 s。相比之下，組裝工序耗時(shí)短，只需40 s左右就可以完成。生產(chǎn)節(jié)拍為57 s，可見生產(chǎn)線整體平衡性不理想，導(dǎo)致大量制品庫存。

結(jié)合現(xiàn)狀來看，我國衛(wèi)浴行業(yè)亟需發(fā)展轉(zhuǎn)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(shí)際生產(chǎn)中，主要采用人工方式，并搭配使用數(shù)控機(jī)床的方法完成加工[3]?；谶@樣的背景，數(shù)字化工廠理念被廣泛采納。它將其和水龍頭生產(chǎn)線整合，可以發(fā)揮智能制造產(chǎn)線的最大優(yōu)勢。實(shí)踐證明，采用該技術(shù)可以控制資本投入，不斷優(yōu)化和提高產(chǎn)線產(chǎn)能，以此提升企業(yè)的全方位管理能力。在此基礎(chǔ)上，還可以持續(xù)探索智能產(chǎn)線，確保充分發(fā)揮智能產(chǎn)線的優(yōu)勢，研制物理樣機(jī)產(chǎn)線，最終提高效率，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)。

3 水龍頭智能制造產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1 切削產(chǎn)線智能化設(shè)計(jì)方案

對目前的L型水龍頭切削技術(shù)及其影響因素開展深入、全面分析，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場要求，在了解切削生產(chǎn)線功能需求的基礎(chǔ)上，高質(zhì)量完成了該自動切削生產(chǎn)線科學(xué)的工藝設(shè)備空間布局[4]。首先，采用虛擬設(shè)計(jì)（Virtual Design），搭配使用虛擬樣機(jī)（Virtual Prototype），完成虛擬實(shí)驗(yàn)（Virtual Experiment）。其次，可以廣泛應(yīng)用CAD、CAE、CAM等技術(shù)手段降低研究費(fèi)用，盡可能縮短設(shè)計(jì)周期，在上述環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上完成真實(shí)產(chǎn)品的試驗(yàn)加工。最后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)成果，可以逐步完善技術(shù)方案。整體規(guī)劃采用1套20 kg 10 m行走關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人（現(xiàn)有設(shè)備：廣數(shù)GSK RB20），配3臺立式加工中心（現(xiàn)有設(shè)備：沈陽機(jī)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(tǒng)、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(chǎn)線包括虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字建模等多個(gè)模塊，如圖1所示。

圖1 L型水龍頭生產(chǎn)線

3.2 生產(chǎn)線數(shù)字化建模，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析

項(xiàng)目組采用德國西門子公司研制的Tecnomatix數(shù)字工廠軟件建立產(chǎn)線的虛擬模型，采用GAwizard（GA）、Johnson以及JSP等算法工具進(jìn)行工廠布局仿真、物料配送仿真、車間生產(chǎn)排成仿真、人機(jī)作業(yè)分析等工作，將水龍頭產(chǎn)品放在數(shù)字化虛擬環(huán)境中，模擬和預(yù)演生產(chǎn)制造過程，提前確認(rèn)生產(chǎn)單位生產(chǎn)能力和生產(chǎn)缺陷，避免傳統(tǒng)自動生產(chǎn)線在產(chǎn)品規(guī)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(shí)際應(yīng)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(guān)系描述和建立約束規(guī)則，形成系統(tǒng)運(yùn)行的業(yè)務(wù)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(gè)仿真系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分。在實(shí)際仿真過程中，依據(jù)模型中元素類型的不同，會選擇不同的算法。圖2顯示了數(shù)字仿真流程，涉及到事件模塊（基礎(chǔ)模塊）、功能模塊（核心模塊）、邏輯模塊以及空模塊等多個(gè)類型模塊。處理事件模塊時(shí)，通常會抓取狀態(tài)屬性，同時(shí)科學(xué)計(jì)算仿真結(jié)果。處理功能模型時(shí)，參照概率分布（功能模型的）產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列，并且充分參與仿真計(jì)算。

圖2 數(shù)字仿真流程

3.2.3 水龍頭機(jī)加工工藝研究

水龍頭生產(chǎn)較為復(fù)雜，涉及的內(nèi)容較多，由4大部分組成，其中鑄造占據(jù)主導(dǎo)，其次是機(jī)械加工、表面處理和最終的組裝。在機(jī)械加工階段，要綜合考量各項(xiàng)因素，等到銅鑄件退火后，再搭配使用CNC數(shù)控機(jī)床車進(jìn)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(dá)標(biāo)，且形狀位置符合圖樣要求。實(shí)際工作中，項(xiàng)目組要結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，對水龍頭常見型號產(chǎn)品加強(qiáng)材料組成控制，并且注重前工序的鑄造質(zhì)量和后工序的表面處理，確保滿足工件圖樣要求，最終為項(xiàng)目產(chǎn)線制定清晰、明確的生產(chǎn)指標(biāo)。

3.2.4 產(chǎn)線總控系統(tǒng)的開發(fā)

項(xiàng)目研制的產(chǎn)線初步規(guī)劃，總控軟件采用分離式設(shè)計(jì)（CNC與UI），邏輯運(yùn)動控制方面采用ST編程語言。實(shí)踐證明，采取ST編程語言可以讓程序更加簡潔、緊湊。研究發(fā)現(xiàn)，在水龍頭生產(chǎn)環(huán)節(jié)，運(yùn)用數(shù)字化工廠理念具有一定的前瞻性，應(yīng)用價(jià)值較高。為了發(fā)揮這種智能生產(chǎn)線的優(yōu)勢，需要綜合考量各項(xiàng)因素，攻克技術(shù)難關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，需要克服以下的難點(diǎn)。第一，L型水龍頭切削產(chǎn)線的高質(zhì)量數(shù)字化建模，還需要完成產(chǎn)品模型以及相關(guān)管理模型的構(gòu)建，逐步完善工藝模型。工藝模型覆蓋面較廣，包括工藝規(guī)劃、制定生產(chǎn)路線等多項(xiàng)內(nèi)容。第二，在數(shù)字化環(huán)境中，采取合理措施進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)制造系統(tǒng)，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等核心知識，完成動態(tài)和靜態(tài)不同角度的仿真[5]。第三，解決信息化的核心技術(shù)難題，包括智能化設(shè)計(jì)改造等，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)和設(shè)備的數(shù)據(jù)互聯(lián)，提高核心數(shù)據(jù)利用率。實(shí)踐證明，想要運(yùn)用好數(shù)字化工廠，不僅智能設(shè)備控制技術(shù)要過硬，還要掌握基本的信息化生產(chǎn)理念。

4 優(yōu)化方案的可行性

4.1 數(shù)字化建模，并搭配仿真分析

通過對生產(chǎn)線的虛擬模型，可以全面掌握水龍頭產(chǎn)品生產(chǎn)的各項(xiàng)參數(shù)，將其樣品放在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬和預(yù)演，盡可能還原制造過程，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。借助該項(xiàng)技術(shù)，可以減少轉(zhuǎn)換成本（從研發(fā)設(shè)計(jì)到生產(chǎn)），在傳統(tǒng)自動生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃，彌補(bǔ)過去產(chǎn)品規(guī)劃方面的短板。

4.2 采用智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)搭建產(chǎn)線總控平臺

采用信息化車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）搭建智能制造產(chǎn)線，效果顯著。研究發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)技術(shù)成果斐然，可以為今后的制造業(yè)加工提供借鑒，提高生產(chǎn)線運(yùn)作能力，打造出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，幫助企業(yè)發(fā)展、轉(zhuǎn)型，將傳統(tǒng)生產(chǎn)線和智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)融合，完成優(yōu)質(zhì)總控平臺的搭建。

5 結(jié)語

在經(jīng)濟(jì)與科技的雙重帶動下，水龍頭生產(chǎn)需要數(shù)字化技術(shù)的幫助。通過研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝耗時(shí)費(fèi)力，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，更無法保障效率。為了提高水龍頭生產(chǎn)能力，需要引進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，將其作為工藝創(chuàng)新點(diǎn)。在實(shí)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(tǒng)，借助數(shù)字化工廠理念，提升裝備整體水平，靈活運(yùn)用數(shù)字化車間技術(shù)。為了達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，還要加強(qiáng)管理，從企業(yè)等不同層面深入鉆研，提高生產(chǎn)效益。