离散型特种制造业数字化转型建设路径探究

武逸凡,吴亚渝,陈仕勇,谢 峰,米长富,罗其贵,徐正军

(1.重庆铁马工业集团有限公司,重庆 400050;2.陆军装备部驻重庆地区军事代表局驻重庆地区第六军事代表室,重庆 400042)

当前国际环境和科技竞争态势日趋严峻,推动武器装备向信息化、数字化、无人化方向快速发展,功能复杂和快速迭代已成为新一代武器装备的显著特点[1-2],在管理、研制、保障等方面对特种制造企业提出了更高要求。特别对受制于数字化转型发展与企业传统生产间固有矛盾约束的离散型特种制造业而言,在企业数字化转型升级、提升产品研制能力和兼顾企业生产经营间探索合理的数字化转型发展路径已成为首要问题。因此,加快实现离散型特种制造业管理研制体系的数字化转型升级已成为提升国家综合实力和国防装备发展的关键[3]。

1 数字化转型发展分析

1.1 数字化转型顶层部署

1.1.1 国外数字化转型战略发展

美国在2011年发布先进制造业伙伴计划和《实现21世纪智能制造报告》,2012年发布《美国先进制造业战略计划》促进政企校合作强化智能制造产业,推进配套体系建设;2017年发布《智能制造2017-2018路线图》提出商业实践、使能技术、智能制造和劳动力开发4个规划;2018年发布《先进制造业美国领导力战略》提出先进制造技术研发、教育培训和供应链拓展三大目标;2019年发布《未来工业发展规划》和《国家人工智能研究和发展战略计划》重点关注人工智能、先进制造、量子信息等内容,推进产业数字化发展;2020年发布《工业数字化转型白皮书》明确基于物联网的数字化转型策略;2022年发布《量子网络基础设施和劳动力发展法案》旨在提高量子计算工业场景的应用;2023年发布《美国国家半导体技术中心愿景和战略》致力于扩大美国在半导体、先进制造等方面的竞争力。

德国于2011年公布《高技术战略2020》,旨在打造基于信息物理系统的智能制造新模式,抢占第四次工业革命战略导向位置;2014年通过了《国家工业战略2030》重点布局人工智能等产业,打造数字强国和全球竞争力;2015年发布《中小企业数字化计划》重点扶持中小企业数字化转型建设;2016年颁布《数字战略2025》、2018年发布《德国高科技战略2025》、2019年发布《德国工业战略2030》,重点围绕工业基地数字化转型建设、加强新技术研发,致力于将德国建成最现代化的工业国家。

2013年日本通过《产业竞争力强化法》提出“日本再兴”战略,强调以科技创新驱动传统产业结构调整;2015年发布《新机器人战略》提出促进信息技术、大数据、人工智能和机器人技术协同发展,扩大机器人技术领先地位;2016年日本发布《第五期科学技术基本计划》首次提出“社会5.0”概念,强调要通过促进政产学研融合强化科技创新能力、提升制造业竞争力;2017年提出“工业互联”概念,指出要通过系统、设备与操作者交互的数字空间;2018年发布《日本制造业白皮书》强调要通过人工智能、物联网等技术,实现传统制造业的数字化转型发展;2021年日本发布《第六期科学技术基本计划》及《日本制造业白皮书》,提出持续深化政产学研融合、推进数据共享等具体措施,推动日本制造型企业数字化转型[4-8]。

1.1.2 国内数字化转型战略发展

我国的数字化转型研究起源于20世纪90年代,最早由科技部试点实施CAD和CIMS工程普及了自动化、信息化相关理念;2002年提出“以信息化带动工业化,以工业化促进信息化”的发展理念,并于“十五”期间启动了制造业信息化工程;2007年提出“信息化与工业化融合发展”,初步完成传统工业向自动化、信息化方向发展的顶层部署,为与世界主要经济体在数字化转型中同台竞技建立了技术基础。

2015年国务院颁布《中国制造2025》提出,以智能制造为主攻方向,着力发展智能装备、智能产品和生产过程智能化的要求。同年发布《国务院关于积极推进“互联网+”行动指导意见》,推动互联网与其他行业融合发展,推动制造业转型升级;“十三五”期间我国启动国家科技创新规划,2016年发布《国务院关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》和《智能制造发展规划(2016-2020)》,2017年颁布《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,积极构建工业互联网基础,搭建制造业数字化转型互联网平台;2018、2019年发布《工业互联网平台建设及推广指南》《5G+工业互联网512工程推进方案》,重点打造工业互联网生态体系,推进百万企业上云;工信部于2020和2021年颁布的《“十四五”智能制造发展规划》和《“十四五”大数据产业发展规划》,提出数字技术与实体经济深度融合赋能传统产业转型升级的要求;2022年《政府工作报告》指出要加快发展工业互联网、人工智能等数字产业,提升软硬件技术创新、供给能力和应用能力,赋能数字经济发展[9-10]。

1.2 离散型特种制造业数字化转型必要性分析

1.2.1 武器装备数字化发展趋势

进入21世纪以来,世界主要军事强国纷纷开展武器装备数字化转型研究[11]。美军确立了覆盖武器装备开发、研制、维保等阶段的数字化发展目标[12],俄军组建了以军事智能发展为目标的国防部直属单位,北约和欧盟开展了数字化转型实施战略及数字化部队战略实施计划。为适应外部环境变化,我国也在包括军事理论、人员素质和装备研制等方面提出数字化转型发展目标[13]。特种制造业作为武器装备研制主体,应立足国防态势和武器装备数字化发展趋势,建设以协同研发为基础,以数据交互和信息共享为核心的数字化研制管理体系[14],持续推进特种制造业数字化转型发展。

1.2.2 我国制造业数字化转型发展分析

工业发展历经基于工具的1.0阶段、计算机辅助的2.0阶段、机器人协作的3.0阶段以及基于数字化技术的4.0阶段[15]。由于我国工业发展起步晚,工业自动化、信息化发展不足,使得我国工业数字化转型必须采取两化融合发展与数字转型同步并举、协同发展的方式。

总体来说,我国工业数字化建设呈两极分化且整体认知不足的现状。一方面,少数龙头企业数字化建设高度发达,“灯塔工厂”数量排名全球第一,形成了以三一重工18号工厂、美的灯塔工厂、比亚迪智慧工厂等为代表的数字化转型范例。另一方面,截止2022年我国实现数字化转型的企业占全行业比例仅达23.03%,且有高达78%的企业认为数字化转型对经营与研制能力提升不足[16]。

此外,与流程式制造业数字化转型发展不同,离散型制造业受制于产品型号复杂、小批多次、混线生产等因素,与以追求系统化、整体性发展为目标的数字化转型建设间存在先天性屏障。因此,如何将数字化转型布局、生产实践与企业经营状况有机整合[17],实现因企而异的离散型特种制造业数字化升级改造,对提升国家综合实力和武器装备高水平发展意义重大。

1.3 小结

通过对国内外数字化转型顶层部署、特种制造业发展趋势以及国内工业特别是离散型制造业的发展分析发现,离散型特种制造业数字化转型已进入关键阶段。在战略引领、产品升级和兼顾研制保障能力的要求下,探索合理的数字化转型发展路线是特种制造业企业转型升级的难点和重点。

2 企业数字化转型建设实例

离散型特种制造业受制于数字化转型与传统生产模式间固有矛盾约束,导致系统化、规模化的数字化转型建设往往难以推进。本文以重庆铁马工业集团有限公司为例,通过介绍企业工业互联网平台建设、生产能力改造及数据拓展应用实例,对离散型特种制造业的数字化转型路径进行剖析。

2.1 工业互联网平台搭建

2.1.1 整体规划

工业数字化和互联网技术的有机整合,有助于企业研制管理模式完成由静到动的体系化转变,为实现以数字模型为中心的数据深度应用、构建全周期数字孪生、产品快速迭代和精益生产建立底层基础。

铁马集团于2000年初开始积极探索计算机辅助研发技术应用,通过开展基于多数据源的串行研发实践、零部件三维数字化设计应用等研究,在数字化转型探索及应用等方面积累了丰富的经验,并于2015年基本实现了基于PDM的项目、数据、流程管理能力。随着物联网技术和工业设备数字化技术发展,铁马集团通过对工业互联网技术的深度研究,结合生产实践确立了由总到分的数字化转型总体布局和由分到总的实施办法,进行数字化转型发展的统筹规划。

在宏观层面上,铁马集团以研发协同化、管理精益化、制造智能化、服务产业化为总体目标,搭建了集成PLM、ERP和MES等系统的工业互联网平台,打通了生产管理→设计→工艺→制造→交付→服务的核心流程,实现了基于单一数据源的产品全生命周期管理。

在微观层面上,铁马集团立足企业经营状况和实际需求,规划由小及大的数字化升级改造路线,以产线为单位逐步进行设备设施的数字化替换。同时结合企业技术改进和持续创新,基于协同研发平台实现了以仿真分析模块为代表的数据深度应用能力。经统计,系统搭建及设备改造完成后,集团产品设计周期和工艺设计效率提升均超30%,实物试制成本降低达90%以上。

2.1.2 部署实施

工业互联网平台可实现设计/工艺模型、文档信息、管理流程等多结构数据汇总及分析,是打造产品设计优化、工艺动态优化、车间智能排产、资源优化配置和产线数字孪生等多场景集成应用,实现离散型特种制造业数字化转型的基础框架。

铁马集团在由总到分的数字化转型规划指导下,聚焦业务模式、管理过程、产品研制等关键业务环节的协同化发展需求,搭建了以PLM为核心的三维数字化协同研发平台、以ERP为核心的全流程数字化精益管控系统和以MES为核心的智能制造执行系统,并有机整合为工业互联网平台,平台架构如图1所示。

图1 铁马集团工业互联网平台架构

1)三维数字化协同研发平台。

三维数字化协同研发平台基于TCM结构化数据管理模块开发,集成了建模、制造、仿真等应用,并通过建立工艺资源数据库,形成了以模型为基础的产品设计、工艺设计、工序建模、过程仿真与产品制造的高效流程[18],单型产品可缩短设计周期超30%、节省人工80人次以上。

2)数字化精益管控系统。

数字化精益管控系统通过物联网技术实现了数控机床、机器人、信息射频设备等硬件设施与工业互联网平台的高效集成与资源共享,可有效指导工艺规程编制及生产制造。同时智能制造执行系统采集的生产大数据可向协同研发系统进行反馈,用以验证设计/工艺端仿真结果,实现数字化协同研发体系的迭代和优化。

3)智能制造执行系统。

铁马集团在进一步完善信息安防措施及车间硬件设施数字化替换的基础上,将各车间独立的制造执行系统融合构建为企业级智能制造执行系统,打通了企业资源与各执行单元之间的联系,实现了车间层与平台层的云边协同,为工业互联网平台建立了互通、高速、可靠的网络链路。

2.1.3 拓展应用

随着计算机仿真与大数据、云计算、物联网等技术的深度融合,赋予了传统制造型企业在数字化转型态势下实现“快速高效、精准映射、动态预测”的新内涵。铁马集团以工业互联网平台数据互通能力为依托,以企业工艺信息资源库为基础,同时结合试验方法建立材料特性模型,对企业常用钢板的自由折弯行为进行研究,开发了钢板折弯数值仿真模块。

钢板折弯数值仿真模块开发研究如图2所示。

a)试验测试

基于该模块,可对钢板折弯过程中板料厚度分布、缩颈、开裂等过程进行精确仿真,并可基于该方法对不同工艺参数下的钢板折弯行为进行模拟,在减少工艺试制过程的同时达到探明零件的折弯开裂原因的目的。通过开发该应用模块,可针对性优化产品结构设计及工艺成型方法,对建立完善的工艺资源数据库、提升公司核心制造能力意义重大。同时,依托集团工业互联网平台,可对生产数据和仿真数据进行分析对比,从而持续优化功能模块,为工业数据深度应用、实现数字孪生建立底层基础。

2.2 悬挂臂组件柔性制造线

铁马集团基于智能制造执行系统(MES)与数字化精益管控系统(ERP),运用柔性夹持、焊缝路径自适应规划、在线检测等数字化技术对悬挂臂类组件老旧产线进行优化再造,搭建了悬挂臂组件柔性制造线。改造后,产线生产效率和制造成本均得到大幅改进,劳动强度和工位平衡率得到有效改善。产线建设情况如图3所示。

图3 悬挂臂组件柔性制造产线

工厂通过将悬挂臂组件柔性制造线接入MES系统可以实现对关键制造过程、设备、产品及人员等信息的实时追溯,可兼容最多14种产品的混线制造需求,且仅需两名工人配合作业,其余工序均由机器人自动完成,基本实现了机器换人,并同时实现了制造风险的识别防范与生产信息的实时跟踪。此外,通过基于工业互联网平台的MES+ERP系统实时联动,可实现上下游工序灵活调度与零部件智能排产,充分释放产线生产潜力。产线功能模块如图4所示。

a)柔性快换工装

2.3 车体数字化柔性拼装系统

在以往生产模式下,车体拼装需设计专用工装并定位安装在平台上实现车体制造。其自动化程度低、夹具数量多、焊接一致性差、产品换产效率低等问题亟待解决。

特种车辆车体数字化柔性拼装系统基于工厂工业互联网平台搭建,通过数字化协同研发平台调用车体模型,以平台算力为依托在虚拟空间内解算各部件相对位置参数;得到求解参数后,MES系统通过工业互联网平台调用解算数据,以扫描模块测量车体在平台上的绝对位置,联合求解通用夹持工装位置参数并通过柔性拼装系统实现统一调度和自动定位。产线建设情况如图5所示。

a)拼装系统总体布局

车体数字化柔性拼装系统实现了车体加持工装的柔性自动定位、夹装及闭环调校,改变了传统生产方法,减少了夹具数量和生产过程。该系统通过构建仿真-定位-拼装一体化流程,降低了生产成本,提高了生产效率和焊接质量一致性。此外,该系统还可通过MES+ERP系统实时准确地获取涵盖车体制造零部件、物流、设备、产品、质量的现场数据,实现智能排产、实时监控、及时预警、快速响应等功能,以优化车间排产,提高设备及产能利用率。

2.4 小结

重庆铁马工业集团有限公司从两个维度对制造型企业的数字化转型进行探索。宏观层面上,基于信息化、数字化技术搭建工业互联网平台,实现了企业经营和产品研发的协同、精益化管理;微观层面上,企业结合生产实际,以产线为单位对硬件设施进行数字化升级改造,提高了工厂的自动化生产和管理能力。同时,基于工业互联网平台和三维数字化协同研发平台的数据交互功能实现并具备了一定的虚拟辅助装配及数据深度应用能力,是推动特种制造业企业数字化转型的良好例证。

3 数字化转型关键技术与发展建议

3.1 关键技术

3.1.1 物联网与大数据技术

进入数字化时代,物联网和大数据技术已深度融入各个行业。物联网是指基于传感设备及通信协议将互联网单元延伸到物品之间进行信息交互的技术[19],大数据是指使用特定方法及工具对不同结构、类型海量数据进行处理及应用的方法[20]。在工业生产中可利用物联网技术对设备、环境、人员等对象产生的数据进行采集和传送,进而实现基于物联网的工业大数据应用。

制造型企业涉及诸多复杂的结构化、非结构化数据类型:一是以产品设计、工艺设计、试验测试等数据为代表的产品类数据;二是以组织管理、生产管理、质量控制等数据为代表的管理类数据;三是以供应链、业务营销、产品服务等数据为代表的价值类数据。

使用分散的数据处理方法进行管理,需要耗费大量的人力及硬件资源,且无法通过数据整合及深度挖掘实现“1+1>2”的应用效果。因此借助物联网及大数据技术,通过链接各硬件层级为PLM、ERP、MES等核心业务系统提供数据支撑,可为实现数据融合、智能制造、辅助决策等功能提供底层运行框架,是制造型企业实现数字化转型的基础。

3.1.2 机器人技术

机器人是一种基于编程和自动控制技术,使传统机械机构具备一定的感知、决策和执行能力,可以半自主或完全自主的方式辅助甚至完全替代人力执行重复、繁重、危险工作的机器[21],是实现人机隔离、机器换人,建设“黑灯工厂”的核心技术,是制造型企业发展的必然趋势。

机器人技术具有成本低、效率高、重复精度好、环境适应性强等特点,作为工业生产过程中的最后执行单元,是工厂生产运作的“骨骼”。随着自动化、信息化技术的进步,机器人也开始越来越多地承担如识别、检测、测试等高精密协同工作。

在当前我国制造业面临产品科技含量提高、产业高端转型及人口老龄化进程加速引起的人工成本升高等问题,提高机器人技术的研发和应用水平已成为助力我国工业技术发展、加快实现制造业数字化转型和智能制造的决定性因素。

3.1.3 数值仿真和虚拟装配技术

数值仿真技术指利用先进计算机技术,基于多学科耦合对复杂现象、结构或工艺方法进行高精度计算的过程[22],包括计算流体力学、计算结构力学、虚拟样机等新技术应用。随着我国制造业数字化转型不断发展,大力运用基于数值仿真技术的正向设计方法,可有效减少工艺试制过程以实现降本增效。

同时,虚拟辅助装配技术的运用可在虚拟空间内对制造过程进行映射,在规划层面对装配参数、装配节拍及现场调度进行平衡优化,从而为产品迭代、智能排产、提高企业管理、生产及运营效率等方面的应用构建扎实的底层基础,已成为贯彻于产品设计、研制、使用、检修和回收全生命周期的重要工具和流程。

3.2 发展建议

通过对国内外数字化转型顶层部署、国内工业发展特点以及特种制造业发展趋势的分析可知,数字化转型已成为特种制造业发展的迫切需求。同时,结合铁马集团数字化转型实例,对离散型特种制造业企业的数字化转型建设提出建议如下。

3.2.1 持续推进两化融合与数字化转型协调发展

面对我国工业发展起步晚,工业自动化、信息化建设基础差等现实因素,应持续推进两化融合发展,将国内5G、互联网等优势技术深度融入工业发展,同时坚定两化融合与制造业数字化转型同步并举、协同发展的方式,赋能我国工业数字化转型升级。

3.2.2 正确认识数字化转型技术特点及发展意义

制造业数字化转型不等同于单纯的加工制造数字化改造,应明确数字化转型发展是不断迭代优化的过程,克服转型阵痛是企业在数字换转型建设中的必由之路;其次,应明确数字化转型是企业发展工具而非建设目标、是建立在企业实体上的适应性改进。在企业数字化转型过程中,不能忽略企业自身的技术改进和持续创新,应将数字化转型建设深度融入企业经营管理、技术开发及生产活动中并不断优化。

3.2.3 制定合理的数字化转型路径

以重庆铁马工业集团有限公司数字化转型发展为例,离散型特种制造业受诸多因素制约,不宜盲目追求全方位、高水平的数字化改造升级,应结合企业实际以工厂生产能力和实际需求为立足点统筹规划由总到分的数字化转型总体规划和由分到总的实施办法。

1)确立先总后分的转型总体规划。离散型特种制造业数字化转型应建立在业务需求、市场需求、产品迭代和技术提升等要素基础上,统筹规划企业级工业互联网平台,为构建统一的管理规程、硬件设施设备、数据格式及技术规范提供总体指导,以避免子系统间组织模式、数据格式或硬件兼容等问题,提高企业数字化转型效率并提升转型效果。

2)确立先分后总的改造过程规划。离散型特种制造业的数字化转型改造过程应结合实际生产状况、技术水平和需求,从单台设备的数字化改造入手,探索转型方法与生产实践的合理融合方案,并逐步拓展到加工单元、产线、车间直至企业的数字化改造。

3.2.4 拓展数字化转型成果应用

1)持续推进平台优化和应用建设。加强对工业互联网平台边缘层、架构层、应用层等框架的深度优化与能力挖掘,促进数据、资源、技术、应用在顶层规划与局部建设间的双向创新与持续迭代;同时应加强企业技术改进和持续创新能力,拓展应用二次开发、子系统信息交互、技术横向移植等项目建设,不断挖掘企业数字化转型潜能。

2)严格落实数字化转型建设成果。利用工业互联网平台数据源单一、信息准确、传递及时的特性,充分发挥工业互联网平台跨体系、跨部门便捷性和数字化办公扁平化、柔性化优势,提高信息交互效率,推动企业组织形式革新;把企业技术突破作为核心突破口,主动适应新设备、新工艺变革,扎实推进生产能力数字化改造和先进制造能力建设。

4 结语

本文首先对国内外数字化转型发展顶层部署进行对比分析,结合我国工业发展特点和武器装备发展趋势阐述了离散型特种制造业数字化转型发展的必要性。随后以重庆铁马工业集团有限公司数字化转型建设为例,从总体平台搭建、生产能力改造和拓展应用等方面对特种制造业的数字化转型路径进行剖析,最后以关键技术为线索为离散型特种制造业的数字化转型探索与实践提出发展建议。