文/何強，胡健，劉偉召·中機中聯(lián)工程有限公司

張黎·重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 機械工程學院

本文針對某已建曲軸精鍛工廠進行綠色化、數(shù)字化、智能化改造設(shè)計思路，運用ERP軟件系統(tǒng)—訂單式管理—分配生產(chǎn)任務(wù)—MES系統(tǒng)—指導獨立生產(chǎn)；通過鍛造車間的數(shù)字化建模，完成物流系統(tǒng)及工藝過程的可視化仿真；通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)鍛造工廠的制造裝備與信息化系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。

某已建曲軸精鍛工廠具備年產(chǎn)112萬支（10萬噸）發(fā)動機曲軸精密鍛件（毛坯鍛件70～200kg）的生產(chǎn)能力，為國內(nèi)外30多家知名的汽車、發(fā)動機及車橋企業(yè)配套，部分產(chǎn)品進入國際知名汽車制造商全球采購體系。運用 ERP軟件系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、從產(chǎn)品特點分析，到工藝方案制定，再到鍛造工廠工藝布置和物流運輸，生產(chǎn)線設(shè)備及精密鍛件的數(shù)字化采集、建模，采用模擬仿真技術(shù)進行驗證。將14000t、8000t熱模鍛壓力機和庫卡機器人、應達感應加熱爐、起重機、機加工設(shè)備等國內(nèi)外最先進的技術(shù)裝備，通過自動化總線控制技術(shù)將整個生產(chǎn)工序串聯(lián)起來，實現(xiàn)棒料切割→感應加熱→輥鍛制坯→預鍛終鍛→熱處理（調(diào)質(zhì)/正火）→拋丸處理（去毛刺、氧化皮、應力）進行工序間上下料全自動傳送，實現(xiàn)鍛造工廠生產(chǎn)全過程的數(shù)字化、智能化、少人化（或無人化）。

數(shù)字化改造目標

⑴綠色。圍繞環(huán)保、節(jié)能、高效的目標，打造新型綠色工廠、大力推進新型核心技術(shù)推廣。

⑵透明。圍繞制造大數(shù)據(jù)整合的目標，打造透明的數(shù)字工廠，生產(chǎn)、運營、銷售、服務(wù)全面透明化，使工廠始終處于自我提升優(yōu)化的進程中。

⑶高效。掌控所有的生產(chǎn)資源、現(xiàn)場數(shù)據(jù)，包括設(shè)備、人員、物料信息等，能快速應對生產(chǎn)現(xiàn)場的緊急狀況，實現(xiàn)遠程操控，保證整體生產(chǎn)運營的高效高質(zhì)。

⑷智能。建設(shè)統(tǒng)一的智能制造平臺，各類信息系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、裝備系統(tǒng)實現(xiàn)無縫對接，經(jīng)過自主運算、分析、控制，實現(xiàn)全面智能柔性生產(chǎn)。

鍛造工廠信息采集

數(shù)字化建設(shè)包括軟件的集成，即生產(chǎn)線智能化集成、智能制造管控系統(tǒng)、智能物流系統(tǒng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

鍛造工廠信息采集包括MES系統(tǒng)采集、設(shè)備控制系統(tǒng)采集，如圖1所示。MES系統(tǒng)能夠全面規(guī)劃、管控、展示產(chǎn)品制造過程；MES系統(tǒng)（SACDA或MDC模塊）必須提供實時收集生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的功能，并作出相應的分析和處理；MES系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物流的協(xié)同管理，包括基于計劃的生產(chǎn)資源預先準備和建立、生產(chǎn)物流故障快速響應等方面；MES系統(tǒng)可以對整個車間制造過程進行優(yōu)化。

圖1 鍛造工廠信息采集

設(shè)備采集信息主要包括設(shè)備產(chǎn)能、狀態(tài)及報警信息。通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)及服務(wù)器采集設(shè)備控制系統(tǒng)（PLC或工控機）及數(shù)字化儀表的信息，通過上位機、工業(yè)觸屏、攝像頭、PDA、掃碼槍等手段采集生產(chǎn)現(xiàn)場管理信息。

數(shù)字化建設(shè)主要內(nèi)容

改造前鍛造工廠情況

曲軸精鍛工藝流程（圖2）：棒料（非調(diào)質(zhì)鋼/調(diào)質(zhì)鋼）→材質(zhì)檢查→精密下料（棒料剪/帶鋸、稱重）→感應加熱（中頻感應加熱爐）→輥鍛（輥鍛機）→預鍛終鍛（熱模鍛壓力機）→切邊（機械壓力機）→扭拐（扭拐機）→校正（校正液壓機）→熱處理（通過式正火/調(diào)質(zhì)設(shè)備）。

曲軸精鍛的技術(shù)難度包括以下5點：

⑴加熱——中頻感應、表里一致。

采用中頻感應加熱，坯料氧化少，加熱質(zhì)量高，適用于大批量生產(chǎn)。中頻爐設(shè)置溫度檢測裝置，符合加熱規(guī)范要求的坯料直接由輸送帶送到下一工位，溫度過高或過低的棒料坯料做廢料處理。為保持棒料加熱的表里一致性和溫度精密控制，中頻加熱爐采用美國應達公司。

⑵熱模鍛——舉重若輕、運行穩(wěn)定。

采用工藝成熟、高效節(jié)能的熱模鍛壓力機進行曲軸的預鍛和終鍛。14000t熱模鍛壓力機線國內(nèi)尚無引進先例，但該機在國際上已有多例成功使用經(jīng)驗，使用效果良好，設(shè)備運行穩(wěn)定。目前國際上生產(chǎn)此類熱模鍛壓力機的主要是德國EUMUCO公司和俄羅斯TMP公司，而德國EUMUCO公司此類設(shè)備的價格是俄羅斯TMP公司的2倍。

⑶連線控制——“人機”同步、遙控操作。

熱模鍛生產(chǎn)線最大的難點和核心是自動化連線。生產(chǎn)線從加熱、輥鍛、鍛造、切邊、扭拐、校正，全部采用德國KUKA鍛造機器人進行工序間的傳送，所有線上設(shè)備實現(xiàn)全線總線控制，實現(xiàn)全自動化鍛造生產(chǎn)線。生產(chǎn)工人不到設(shè)備旁操作，由技術(shù)工人在總控臺遙控操作。

⑷熱處理——余熱正火、控溫節(jié)能。

鍛造后工件溫度約960℃，如何將如此高溫的工件上掛到熱處理生產(chǎn)線的懸鏈上，是本項目鍛造余熱利用技術(shù)上實現(xiàn)的難點。現(xiàn)在國內(nèi)采用的辦法是不利用這部分余熱，待工件冷卻至室溫后再進入熱處理生產(chǎn)線，采用人工上掛，效率低，工人工作環(huán)境惡劣。本項目中采用德國KUKA機器人上掛，定位準確、運行穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖2 曲軸精鍛工廠下料-加熱-鍛造-熱處理工藝平面布置圖

⑸大功率配電——合理供配、經(jīng)濟給力。

本工程用電量大，供配電系統(tǒng)比較復雜，供配電系統(tǒng)的合理選擇和設(shè)計，是保證生產(chǎn)線正常運行和產(chǎn)品質(zhì)量的基本保證，同時最大限度的減少單件產(chǎn)品的耗電成本。

企業(yè)硬件平臺搭建

⑴產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)——三維建模是基礎(chǔ)。

在產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)利用數(shù)字化建模技術(shù)為產(chǎn)品構(gòu)建三維模型，能夠有效減少物理實體樣機制造和人員重復勞動所產(chǎn)生的成本。同時，三維模型涵蓋著產(chǎn)品所有的幾何信息與非幾何制造信息，這些屬性信息會通過PDM/cPDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理/協(xié)同產(chǎn)品定義管理）這種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，伴隨產(chǎn)品整個生命周期，是實現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同研制、產(chǎn)品從設(shè)計端到制造端一體化的重要保證。

⑵生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)——工藝仿真是關(guān)鍵。

在生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)，基于PDM/cPDM中所同步的產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，利用虛擬仿真技術(shù)，可以對于工廠的生產(chǎn)線布局、設(shè)備配置、生產(chǎn)制造工藝路徑、物流等進行預規(guī)劃。

⑶生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)——數(shù)據(jù)采集實時通。

這個環(huán)節(jié)的數(shù)字化，體現(xiàn)在制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES）與其他系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通上。MES與ERP、PDM/cPDM之間的集成，能夠保證所有相關(guān)產(chǎn)品屬性信息從始至終保持同步，并實現(xiàn)實時更新。

數(shù)字化工廠的集成（圖3），首先需要強大的界面和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，將不同復雜層次之間和不同運作功能領(lǐng)域之間的實際數(shù)據(jù)和模塊進行聯(lián)合使用，常見的應用有：布局規(guī)劃與仿真——布局確認與優(yōu)化；零件流的靜態(tài)分析與動態(tài)仿真；裝配過程平衡；復雜的物流操作仿真；機器人及復雜運動仿真；零件加工仿真；人力資源仿真；人機工效仿真；生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真；控制軟件測試仿真；生產(chǎn)動作控制仿真。

圖3 數(shù)字化工廠的集成

企業(yè)軟件平臺搭建

PDM包含了產(chǎn)品從設(shè)計到制造過程的所有信息（產(chǎn)品、工藝和資源），確保數(shù)字化工藝規(guī)劃仿真、3D數(shù)據(jù)化工藝仿真、工廠物流仿真得到有效集成，同時數(shù)據(jù)能夠為整個車間共享?？梢则炞C產(chǎn)品的可制造性、可維護性，并且在產(chǎn)品的實際生產(chǎn)前充分地驗證生產(chǎn)工藝，以保證產(chǎn)品合格率，大大減少制造成本。

企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)一般采用企業(yè)內(nèi)部私有云運行，與外部產(chǎn)業(yè)云交互可采用API交互協(xié)議及安全機制（如VPN加密）實現(xiàn)與公有云上的產(chǎn)業(yè)云平臺進行交互，如圖4所示。同時針對多基地集團管多信息化系統(tǒng)聯(lián)合運行，可采用數(shù)據(jù)中臺或者MDM主數(shù)據(jù)管理協(xié)議的形式，實現(xiàn)不同信息系統(tǒng)之間信息交互。

圖4 私有云與公有產(chǎn)業(yè)云交互

工作流程及系統(tǒng)集成

工作流程及系統(tǒng)集成包括以下內(nèi)容：銷售訂單進入ERP系統(tǒng)后，生成生產(chǎn)計劃；PDM根據(jù)訂單需求進行產(chǎn)品開發(fā)工程，并將工藝BOOM返回ERP系統(tǒng)，把生產(chǎn)工藝要求（設(shè)備運行參數(shù)、作業(yè)指導書、工藝BOOM）發(fā)送至MES。在ERP的計劃、倉儲、采購模塊及SRM系統(tǒng)運行完成生產(chǎn)資料準備，并生成工單；MES系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計劃進行派工、生產(chǎn)組織及報工，并將報工質(zhì)量信息、物料信息及生產(chǎn)進度信息反饋ERP，如圖5所示。

生產(chǎn)過程質(zhì)量追溯

該數(shù)字化系統(tǒng)通過接口，協(xié)同所有數(shù)據(jù)、所有制造要素及資源，達到“人機料法環(huán)”協(xié)同的目的。并通過數(shù)據(jù)采集及報工要求，形成制造信息數(shù)據(jù)流的閉環(huán)。通過工單串聯(lián)產(chǎn)品生產(chǎn)制造的全過程，實現(xiàn)對每批次產(chǎn)品進行可靠標識和追溯（包括正向追溯及反向追溯），為后期大數(shù)據(jù)學習奠定基礎(chǔ)。

圖5 工作流程及系統(tǒng)集成

全線使用自動工裝及機器人，代替人工操作，并實現(xiàn)鍛造自動化；傳送控制系統(tǒng)與MES系統(tǒng)相結(jié)合，在上線端、輸送線上設(shè)置先進的RFID識別裝置，能根據(jù)訂單要求自動進行排序并選擇料盤上線順序，如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)過程與質(zhì)量追溯系統(tǒng)

智能化改造成果

虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的應用為智能化的實現(xiàn)提供了保障，鍛造工廠通過智能化改造還可以看到：盈利能力大幅度提高，產(chǎn)品投產(chǎn)時間縮短，產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高，交流透明化，規(guī)劃過程標準化，勝任的知識管理能力提高。具體表現(xiàn)為生產(chǎn)效率提高10～15%、運營成本降低5%、產(chǎn)品研制周期縮短10%、產(chǎn)品不良率降低15%、單位產(chǎn)值能耗降低10%、設(shè)備數(shù)控化率95%、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率95%?？偨Y(jié)起來，從四個方面對鍛造工廠進行了提升 ，如圖7所示。

圖7 鍛造工廠通過智能化改造成果表現(xiàn)

⑴數(shù)字化。產(chǎn)品設(shè)計、制造生命周期管理數(shù)字化；主要工藝裝備數(shù)字化；所有數(shù)控加工設(shè)備實現(xiàn)MDC、DNC等數(shù)字化管理；實現(xiàn)工單與工藝過程的協(xié)同數(shù)字化；質(zhì)量信息采集及管理數(shù)字化；實現(xiàn)主要加工工藝過程無人為干預；生產(chǎn)裝備與信息系統(tǒng)數(shù)字化互聯(lián)；信息化系統(tǒng)之間數(shù)字化互聯(lián)。

⑵標準化。主要加工程序及刀具標準化；主要結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)工時標準化；生產(chǎn)過程管理標準化。

⑶智能化、集成化。加工設(shè)備可實現(xiàn)一次裝夾完成所有加工內(nèi)容；質(zhì)量過程控制集成化；信息管理智能化、手段裝備智能化及處理集成化。

⑷精益化。項目完成后，企業(yè)管理層就可以在ERP終端的電子屏幕清楚看到，物流從哪里來，到哪里去，設(shè)備狀況，生產(chǎn)情況，質(zhì)量物料管控，產(chǎn)品完成、庫存和出貨情況等等。

結(jié)束語

“數(shù)字化鍛造工廠”貫穿整個工藝設(shè)計、規(guī)劃、驗證、直至鍛造工藝整個制造過程，在實施過程需要注意系統(tǒng)集成方面的問題，它不是一個獨立的系統(tǒng)，規(guī)劃時需要與設(shè)計部門的CAD/PDM系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，并對設(shè)計產(chǎn)品進行可制造性驗證（工藝評審），還要考慮工廠資源情況。所以，“數(shù)字化鍛造工廠”與設(shè)計系統(tǒng)CAD/PDM和企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP必須是集成的；“數(shù)字化鍛造工廠”還有必要把企業(yè)已有的規(guī)劃“知識”集成起來，整個集成的底部是產(chǎn)品壽命周期管理PLM構(gòu)架。