工业4.0在汽车零部件生产线的探索与实践

作者:上汽大众汽车有限公司 张书桥 冯波 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:2302 发布时间:2018-08-30
上汽大众汽车有限公司 张书桥 冯波
工业4.0在汽车零部件生产线的探索与实践

随着互联网、云计算和智能硬件等技术的发展,世界制造业强国和大国相继提出了智能制造的概念。作为世界制造业强国,德国率先提出“工业4.0”的概念,即通过广泛应用互联网技术,实时感知、监控生产过程中产生的海量数据,实现生产系统的智能分析和决策,使得生产过程变得更加自动化、网络化和智能化,德国准备打造德国制造业在21世纪新的核心竞争力。中国于2015年提出“中国制造2025”的发展战略,美国也提出过“国家制造网络创新计划”。各国关于制造业发展趋势的概念描述稍有差异,但核心思想是一致的,即在围绕传统自动化制造的基础上,插上网联化、智能化的翅膀,为用户提供更好的产品和服务,同时追求更低的成本。

汽车制造业,包括汽车零部件制造业,对产品质量、成本和效率的极致要求使其一直保持在制造业技术发展的前沿。德国大众描绘的未来工厂是一个通过物联网连接起来的智能生产系统,以挖掘生产过程中更多的潜力。图1为德国大众未来工厂的实现途径。该系统能够实现更高效的工艺规划、稳定的爬坡工艺、更高的运行效率、更少的重复劳动、柔性化生产工艺、更好的人机工程和更短的制造
周期。

图1  德国大众未来工厂实现途径

图1  德国大众未来工厂实现途径

汽车零部件装配线的网络规划

目前汽车零部件装配线在进行工艺规划时,除完成作业内容必需的装配设备规划以外,还必须同步规划与之匹配的车间网络系统,在智能制造的发展趋势下,生产线网络在工艺规划中显得越来越重要。它是生产线工艺系统和生产系统的大脑和中枢神经。在传统自动化生产线条件下,网络系统已经具备产品和零件的物料信息、质量信息的追溯和处理功能。在智能制造发展的趋势下,车间网络将具备更强大的功能和更灵活的扩展性,以满足用户对生产过程中不断提高的使用要求。

首先是生产线网络的无线性发展趋势。随着用户要求连入网络设备的不断增加和使用过程中的新增要求,汽车零部件装配生产线的网络系统已经实现无线化。装配生产过程中的拧紧设备、测试设备、输送机器人和AGV小车全部通过无线网络连接到同一个网络系统。无线网络的优势十分明显,能够高效地实现生产线的优化布置需求,如工艺设备的位置优化和新增设备、设施的联网需求。

其次是生产线网络对内和对外的扩展性应用。对内,生产线网络结合终端设备和各种信息库能满足工位示教操作指导、操作权限控制、生产偏差流程的系统处理和闭环处理。对外,生产网络通过MES(制造执行系统)与生产计划系统、物料系统和库存管理系统连接,真正成为工厂智能制造系统的一部分。局部网络系统只有连入工厂整体网络系统才能实现智能制造意义上的网联化,为达到资源的协同高效流转、追求最大的生产价值创造条件。

汽车零部件装配生产线的MES系统应用

网联化是智能制造的一个重要特征。MES是基于生产制造网联化的一种生产运营管理工具。在整车制造领域已经有成熟的解决方案,来实现高效的订单式柔性生产计划管理,如德国大众FIS系统。但在零部件生产领域,目前尚没有成熟的MES系统应用案例。究其原因,不在技术方面,主要在成本和投资收益方面。相对于整车来说,建设汽车零部件MES系统可能无法产生立竿见影的显著收益,但是在智能化制造的发展趋势下,零部件生产也必须要提高至整车相同的水平,以提高整个制造产业链的协同效应。

汽车零部件生产线实施MES系统后,能实现全过程的透明化生产。所以,决策实施MES系统,首先要有暴露生产过程问题的勇气。任何一个生产过程在MES系统运行过程中,都会经历一个长期的痛苦改进过程。其次,MES系统对过程本身的运行可靠性提出了更高的要求。因为过程透明化以后,势必会消除原来可能存在的管理“灰色”地带,任何生产过程的中断,都可能会牵一发而动全身,造成整个需求过程的波动。譬如,实施MES系统以后,生产计划是以订单方式下发至生产线,意味着生产线必须按时按量完成订单需求(否则就会产生订单延误,需要进行分析整改),而且订单的完成过程能够做到完全透明。而没有实施MES系统以前,生产线以成品实际产出后再匹配计划需求,一般不会产生完成计划需求的情况,当然过程中会以增加若干不透明的灰色库存为代价。简单地说,实施MES系统以后,能帮助其实现“拉动式”精益生产过程的控制。

智能制造技术实践案例

目前,在汽车零部件生产线应用或准备应用智能制造技术,并不都是全新的技术,也不是只应用于智能制造环境,只不过在智能制造发展的趋势下,各个企业都在比以往更主动地应用这些技术,因为在网联化的条件下,应用智能制造技术有事半功倍的效果。

刀具管理领域,通过将刀具、加工设备、零件测量、刀具修整调整和刀具测量的相关数据联网共享和分析,可以实现对刀具的自动修整和对设备加工产生的自动补偿,改变以往人工修整和人工补偿的过程,提高刀具管理的效率和可靠性。图2所示为智能化刀具管理过程。

图2  智能化刀具管理过程

图2  智能化刀具管理过程

在设备管理领域,MES系统采集到的设备运行数据,可以针对停机或设备异常中断的TOP问题进行自动化统计分析,根据设定的分析逻辑自动输出进一步处理的需求,提高处理问题的效率,并实现同类问题解决措施有效性的自动跟踪。图3是基于MES系统的可持续问题解决过程。

图3  基于MES系统的可持续问题解决过程

图3  基于MES系统的可持续问题解决过程

网联化技术的质量数据分析在质量管理领域已经有非常多的成功实践。譬如,德国大众的Q-Das系统,能够将生产过程中的全部质量控制点联网,实现实时测量数据的自动采集分析,生成过程能力Cp/Cpk等质量控制趋势,自动分发给相关用户,能够提高质量控制的响应进度和精准性。图4是MES系统在生产质量控制过程中的应用。

图4  MES系统在生产质量控制过程中的应用

图4  MES系统在生产质量控制过程中的应用

智能制造技术还有很大一部分应用为持续改善人机工程和提高防错水平,从而提升过程质量。譬如人机合作机器人,能在无围挡环境下,配合摄像头和内置吸盘,从料盒中拾取零件并传递到装配工手中。通过3D摄像头捕捉操作者的手势动作,自动记录被拾取零件的质量状态。

结语

以工业4.0为代表的智能制造是未来制造业的发展趋势,不断涌现的以网联化为特征的制造新技术是实现智能制造的基础。在汽车制造领域已经深入人心的精益生产理念,对智能制造规划将继续具有重要的指导作用。汽车零部件生产过程要实现工业4.0设想的生产目标,就必须脚踏实地,从基础自动化和精益生产做起,网联化技术给业界创造了互相赶超的机会。