节能发动机智能车间/工厂

■清华大学机械学院副院长 郑 力■机械科学研究总院顾问 陈长年

节能发动机智能车间/工厂

■清华大学机械学院副院长 郑 力
■机械科学研究总院顾问 陈长年

著名智能物流、智能信息系统专家郑力教授

汽车制造领域资深专家陈长年顾问

近年，国内各主流发动机工厂大都在建设数字化车间/工厂，智能化车间/工厂是数字化车间/工厂的升级，其重要区别在于后者只要求数字装备（数控机床）组成的生产线，而前者则要求生产线采用智能装备。

节能发动机主要包括汽油机缸内直喷技术、柴油机高压共轨技术。科技部发布的“关于征集高新技术发展及产业化领域国家科技计划预备项目的通知”中，汽车动力总成技术领域课题第一、第二就是汽油机缸内直喷、柴油机高压共轨技术。以喷油嘴为代表的节能发动机精密加工，需求微纳级智能机床：喷油器体深孔钻铣高精多轴复合加工中心；喷油器体柱面成型和螺纹滚压加工高精复合数控车削中心；数控硬车削机床；精密电火花喷孔机床；精密数控中孔座面磨床；高精度小孔珩磨及配珩机床；高精度数控内凹端面磨床；高精度数控凹圆弧凸轮轴磨床；高精度数控精密偶件外圆磨床等。这些零部件加工生产线需要采用智能机床。

节能发动机智能车间/工厂由智能工艺装备系统、智能车间/工厂物流系统和智能车间生产信息系统三大系统组成。

智能工艺装备系统

1. 生产线数字设计技术——协同仿真技术

数字化制造技术的核心是生产系统的仿真——在真实生产之前验证生产系统的各种细节：物流、设备和布局等及其对产能、成品率和成本的影响；在真实生产之后提供几乎是无限的生产柔性，测试对不同生产控制策略或新产品生产的影响；仿真可以使得工厂设计成本降低50%；采用了数字化制造技术的汽车制造企业，其产品推向市场的速度增加了30%，重复设计减少了65%，生产规划流程精简了40%，平均产量增长了15%。

新一代自动生产线的虚拟制造技术发展很快，采用数字化工厂应用软件，建立起自己的产品制造工艺过程信息化平台，再与本企业的资源管理信息化平台和车身产品设计信息平台结合，构成支持本企业产品完整制造过程生命周期的信息化平台，进行制造过程管理（MPM）。

生产线仿真设计主要内容：生产系统仿真将车间内的各种生产单元作为基本对象，建立一个

车间的生产系统总体模型，对于单元之间的能力匹配与协同运作，研究优化的总体布局方案和运作模式，决定生产单元之间的缓冲区的设计。面向指定的生产能力水平，以建设成本和运行成本的总和最小为目标，进行优化设计，主要包括：①机器人（机械手）作业过程仿真。建立机器人（机械手）与工具系统、装夹系统和搬运装置协同运行的模型，进行仿真研究，优化自动化作业单元的布置与运行顺序。②生产物流的规划与仿真。对生产车间内的物料存储与搬运设施，建立仿真模型，考察生产环节的匹配与协调，以及时、精确供应物料为目标，优化设计物流设施与人员的配置和布局，优化运行模式。③生产系统可靠性分析。保障生产系统发挥设计产能目标是生产系统设计的重要目标，然而由于各种原因，在设备可靠性、产品成品率等方面不可能达到100%，需要研究合适的方法，对生产系统的实际产能和可靠性进行分析与设计，这也是组成生产系统的关键技术之一。

2. 智能机床

智能机床能对自己进行监控，可自行分析众多与机床、加工状态、环境有关的信息及其他因素，然后自行采取应对措施来保证最优化的加工。即机床可自适应柔性和高效生产系统的要求。

智能机床还能实现生产线自动控制、工件自动调度和自动监控，部分关键工序实现工件质量自动检测，刀具实现在线磨损监控、自动补偿和自动报警等。

国外智能机床的主要智能模块包括：主动振动控制——将振动减至最小；智能热补偿系统——动态控制和补偿加工中由热量引起的漂移；智能安全屏障——防止部件碰撞；移动通信系统——使机床与用户始终保持联络等。

（1）主动振动控制。各坐标轴运动时的加、减速度产生的振动，影响加工精度、表面粗糙度、刀尖磨损和加工时间。具有此项智能的机床可使振动减至最小。

例如，日本MAZAK公司智能机床，在采用主动振动控制技术后，进给量为3 000mm/min，加速度为0.43g时，最大振幅由4μm减至1μm（见图1、图2）。

图1　实时记录的原程序加工时主轴的振动曲线

图2　经过优化后的程序加工时主轴的振动曲线

（2）智能热补偿系统ITC。高速加工中热量的产生不可避免，优质的高速机床会在机械结构和冷却方式上作相关的处理，但仍然不能100%地解决问题。所以在高度精确的加工中，机床操作人员通常需要在开机后等上一段时间，待机床达到热稳定状态后再开始加工，或者在加工过程中人为地输入补偿值来调整热漂移。瑞士米克朗公司通过长期对切削热对加工造成影响的研究，积累了大量的经验数据。内置了这些经验值的智能热控制模块能自动处理温度变化造成的误差（见图3）。

图3　装载ITC系统后对Z轴漂移量的影响

（3）智能安全屏障——防止部件碰撞。当操作工人为了调整、测量和更换刀具而手动操作机床时，一旦“将”发生碰撞时（即在发生碰撞前一瞬间），运动立即自行停止。

（4）移动通信系统和语音提示功能。瑞士米克朗公司的移动通信系统：为了更好地保障无人化自动加工的安全可靠性，该公司将移动通信技术运用到了机床上。只要将机床配置SIM卡，它便可以按照设定的程序，实时地将机床的运行状态，比如加工完毕或出现故障时，发送给存贮在机床联系人表里的相关人

员的手机上（见图4）。

MAZAK公司的语音信息功能：当工人手动操作和调整时，用语音进行提示，以减少由于工人失误而造成的问题。

MAZAK公司最新推出的“Smooth Technology”（流畅技术），是其智能机床的新发展。采用新一代数控系统MAZATROL Smooth：装载了Windows8 PC 的CNC和先进的软件，极大地提高了加工效率，可对直线轴和转动轴的最佳加速度进行控制，可使5轴联动加工的效率提高30%，利用简单调谐功能，可根据加工工件自由调整加速度、转角精度和平滑度等参数，使之最优化。客户自身可简单方便地进行加工时间优先、加工面精度优先，或加工形状优先等个性化选择。此外，还具有“全面工厂经营支持”功能：通过开放的系统结构设计，借助智能手机、平板电脑等外部终端可对设备的运转状况进行监控，并可连接机器人、测量仪器等外部设备，实现智能工厂。

沈阳机床集团研发的i5系列智能机床（i5指Intelligent、 Industry、Information、Internet和Integrate五I集成）攻克了CNC运动控制技术、数字伺服驱动技术等核心底层技术，依托互联网实现智能校正、智能诊断、智能控制和智能管理，实现了工业化、信息化、网络化、智能化和集成化的有效集成。开拓了制造模式转变为互联网+制造模式的先河。

该系统使机床满足了用户个性化需求，加工效率提升20%，实现了“指尖上的工厂”——指尖轻点，通过手机或电脑，即可实现对千里之外的i5智能机床下达各项指令。i5云制造平台，以创新的商业模式、管理模式和盈利模式，转身向制造业的“阿里巴巴”发展，向个性化服务发展（见图5）。

（6）智能机床特点汇总：①数控系统的智能化——由迁就以插补最慢的一个轴的初级数控系统提升为精度、效率和系统成本的智能控制系统。②将传感器与智能诊断和决策软件集成到机床中。③开放式数控系统支持了制造模式转变为互联网+制造模式，向个性化服务发展，由智能机床组成的云制造平台，实现了异地设计制造。④智能机床成为超精密机床、高速机床。实现了高效切削，切削参数优化，提升了制造质量，成倍增加效益。

3. 智能检测技术与装备

智能制造装备包括了精密和智能仪器仪表与试验设备。如高精度、高稳定性、智能化压力、流量、物位、成分仪表与高可靠执行器及新型无损检测仪器等各类试验、检测设备。

国内汽车发动机先进自动线的智能在线检测技术与设备长期依赖进口。近年，机械科学院检测技术研究所开发了一些发动机精密零部件智能检测与装配设备。图6所示为其制造的增压阀/减压阀自动检测装配系统，集成了自动上料、机器视觉防错识别、精密压装、多种参数检测、激光焊接、激光打标和自动分选下料，实现了装配制造的无人化和数字化。

图4　米克朗公司的移动通信系统

图5　沈阳机床集团的i5智能机床云制造平台

图6　增压阀/减压阀自动检测装配系统

智能车间/工厂物流系统

（1）先进的工厂物流系统被视为“第二类生产”，越发受到人们的重视，不管风靡一时的丰田

JIT生产哲学，还是精益化生产体系，以及大规模定制，都离不开一个强大的支撑体系，那便是工厂物流系统。智能工厂物流系统是现代发动机生产实现精益和敏捷制造的关键；极大地提高现代发动机生产的效率和可靠性。BMW专有的物流厂房，物流系统面积达20%～50%。

智能车间物流技术还包括无线拣选系统（大大提高小批配送的效率和准确率）；实时追溯技术（可以精确地追溯人和物，为零库存提供可能）。以RFID为代表的普适计算环境下的智能实时物流技术，将极大提高现代发动机生产的效率和可靠性。比如：无线拣选系统大大提高小批配送的效率和准确率，实时追溯系统可以精确地追溯人和物，为零库存提供可能。

发动机加工生产线的物流系统，由原材料处理、存储、上下料装置和机床间工件传输装置组成。在单台数控机床配备工件库或原材料库和自动上下料装置（含机械手、机器人）的条件下，即在与物料存储与传送及其自动控制集成的条件下，构成柔性制造单元（FMC）。在多台数控机床配备自动上下料与物料存储和传送及与生产计划调度用计算机集成的条件下，构成柔性制造系统（FMS）。在不含计划调度系统和工件单向流动时，组成柔性生产线。

（2）工业机器人作为智能物流的核心装备，最能体现智能制造高端、智能的特点。

发达国家广泛应用机器人自动化生产线，已形成了巨大产业，年市场容量约为1 000亿美元。国际上的著名公司ABB、KUKA、FANUC和安川等，都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。

国外机器人公司开发的高速总线型机器人控制器的具体情况如下：ABB推出迄今为止最小的IRC5系列控制器——IRC5紧凑型控制器，这款产品将控制器的控制单元与驱动单元分离，其主控单元模块内部使用的是PCI通信总线，其模块间的通信是基于100M以太网的实时工业现场总线，一个控制单元可以通过总线同时控制多个机器人驱动模块，这样的架构设计为其机器人的协同控制打下了坚实的基础，使其在减小体积的同时，具有很好的运动控制能力、较强的通信能力等。

我国沈阳新松机器人公司新研制出的iSNRC型第三代机器人控制器产品，实现了对于机器人动力电检测与控制、系统中各种急停、安全门互锁、安全IO、系统限位、安全速度检测、运动控制、逻辑控制及工艺过程控制等功能，增加了视觉、力觉等智能传感器信号采集与控制的功能，并且采用新型高速实时总线技术提升了机器人的控制速度和工作效率，同时，采取了一系列降低系统功耗的方法，实现了控制器的节能与环保。

智能机器人的一个关键配套件是柔性抓手。无锡柴油机厂发动机装配生产线使用的KUKA机器人配备了重载高强度柔性抓手，一部1t重的发动机被轻轻举起，旋转360°（见图7）。

图7　重型发动机装配机器人抓手

近年，AGV无人搬运小车（搬运机器人）在汽车及发动机装配生产线应用广泛。AGV的显著特点是无人驾驶，AGV上装备有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。智能搬运机器人配备有智能视觉识别系统、机器人智能协同系统、基于工业总线技术的可编程控制系统、智能切换定位装置（重复精度0.05mm）和闭环伺服位置传感装置（重复精度0.1mm）。

AGV的另一个特点是柔性好、自动化程度高和智能化水平高，AGV的行驶路径可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变，并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送线相比非常低廉。AGV一般配备有装卸机构，可以与其他物流设备自动接口，实现货物和物料装卸与搬运全

过程自动化。此外，AGV还具有清洁生产的特点，AGV依靠自带的蓄电池提供动力，运行过程中无噪声、无污染，可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。AGV在制造业的生产线中能够高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务，并可由多台AGV组成柔性的物流搬运系统，搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，使一条生产线上能够制造出十几种产品，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。

德国2013年展示了全自动装卸机器人，可以令运输机器人根据最新货物摆放位置及周边环境条件，得出最佳行驶路线，以保持运输的高效。

1974年瑞典的Volvo Kalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性，采用基于AGVS为载运工具的自动轿车装配线。该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS组成，采用该装配线后，装配时间减少了20%，装配故障减小39%，投资回收时间减小57%，劳动力减小了5%。

目前，AGV在世界的主要汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒和大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用。

我国机械科学研究总院机科股份公司使用功率电线导航方式，利用非接触供电平台的AGV产品，已在汉诺威工业博览会展出，并成功应用于国际著名的汽车和发动机制造企业。

智能车间生产信息系统

智能车间生产信息系统主要包括PDM （Product D a t a M a n a g e m e n t，产品数据管理）系统、CAPP（Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺过程设计）系统、ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）系统和MES （Manufacturing Execution System，制造执行系统）系统等。

1. 关键智能信息技术——MES

MES（制造执行系统）是近十几年来在国际上迅速发展并在中国制造业得到快速推广、面向车间层的生产管理信息系统。

MES对从订单下达到产品制成的整个生产过程进行优化管理，对工厂事件及时做出响应、报告、跟踪及处理，对生产状态的快速响应使MES能够优化工艺流程、提高管理效率，可有效地指导工厂的生产运作过程（见图8）。

图8　MES基本功能模块

MES系统是精益生产、精益物流等管理思想在企业的良好载体和实践平台。

2. 关键智能信息技术——RFID

射频识别技术——RFID （Radio Frequency Identification），用于智能物流和供应管理；生产制造及装配；RFID在数字车间主要用于刀辅具管理、设备智能诊断、车间/生产线混流制造（见图9）。

图9　RFID与物流与供应管理、生产制造的关系

国内外汽车发动机生产线广泛应用RFID技术，提高生产效率10%，生产质量事故下降80%以上。如丰田、福特、宝马，以及天津丰田、上汽通用五菱、江淮汽车和玉柴等公司，都采用了RFID技术。国内目前多局限于MES+RFID数据集成，以监控全程生产过程。

收稿日期：（20150601）