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新能源變速器的智能制造新模式

2019-06-09 20:41:14·  來源：EDC電驅(qū)未來  作者：徐俊  
　
1 數(shù)字化規(guī)劃工具應(yīng)用通常一款產(chǎn)品的制造過程開發(fā)，需要經(jīng)歷工藝路線規(guī)劃、設(shè)備方案鎖定、場地區(qū)域排布、物流路線策劃、專機設(shè)備制造、產(chǎn)線安裝調(diào)試和生產(chǎn)爬坡等
1 數(shù)字化規(guī)劃工具應(yīng)用
通常一款產(chǎn)品的制造過程開發(fā)，需要經(jīng)歷工藝路線規(guī)劃、設(shè)備方案鎖定、場地區(qū)域排布、物流路線策劃、專機設(shè)備制造、產(chǎn)線安裝調(diào)試和生產(chǎn)爬坡等一系列必不可少的過程。傳統(tǒng)制造模式中，許多制造問題要到生產(chǎn)爬坡過程中才會集中暴露，導(dǎo)致整個爬坡過程相當(dāng)漫長，影響了產(chǎn)能的快速提升。
數(shù)字化工具的應(yīng)用將大大改善這個問題，由數(shù)字化工藝、生產(chǎn)線仿真、物流路線仿真和設(shè)備動作模擬等信息化技術(shù)組成的智能制造開發(fā)端應(yīng)用，能早期發(fā)現(xiàn)問題，糾正問題，解決問題，從而減少大量的生產(chǎn)變更。
1.1 數(shù)字化工藝設(shè)計
智能制造過程開發(fā)新模式首先需要通過數(shù)字化工藝設(shè)計平臺，圍繞數(shù)字化工藝設(shè)計的核心要素3PR，即Product產(chǎn)品/Process工藝/ Plan工廠/Resource制造資源，將工藝設(shè)計過程中所涉及的各種要素納入平臺中進行有效管理，通過結(jié)合各種管理體系如APQP等，有序組織工藝設(shè)計過程，從而構(gòu)建符合企業(yè)工藝設(shè)計需求的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計平臺。
圖1 數(shù)字化工藝結(jié)構(gòu)化平臺
通過上述平臺，新能源變速器的智能制造模式需要實現(xiàn)的數(shù)字化工藝目標(biāo)如下。
1.1.1 構(gòu)建起結(jié)構(gòu)化的工藝設(shè)計平臺
數(shù)字化的PBOM構(gòu)建，是基于3PR的結(jié)構(gòu)化工藝，再通過工藝設(shè)計過程管理，規(guī)范化的各類數(shù)據(jù)表單。
通過平臺實現(xiàn)工藝文檔管理、流程管理、工藝變更管理、制造資源庫管理。
1.1.2 系統(tǒng)深化應(yīng)用與優(yōu)化擴展
⑴制造工廠推廣實施⑵表單調(diào)整與優(yōu)化⑶裝配工序卡UGNX集成⑷工藝參數(shù)卡管理⑸毛坯/工序模型管理⑹輕量化三維深化應(yīng)用⑺重整工藝資源數(shù)據(jù)⑻優(yōu)化工藝策劃過程⑼推行工藝任務(wù)管理⑽持續(xù)完善工藝知識庫⑾PLM系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)范化⑿SAP系統(tǒng)集成方案規(guī)劃
1.1.3 數(shù)字化工藝擴展應(yīng)用
⑴SAP/MES系統(tǒng)集成⑵三維裝配工藝手冊⑶QDAS質(zhì)量管理⑷零件及裝配工藝仿真⑸持續(xù)完善工藝知識庫⑹PLM系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)范化
1.2 可視化仿真應(yīng)用
21世紀(jì)隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在制造行業(yè)中，通過模型復(fù)現(xiàn)實際發(fā)生的本質(zhì)生產(chǎn)過程，不僅方便、靈活，而且能提前預(yù)判生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的大量問題。
圖2 產(chǎn)品裝配仿真應(yīng)用
1.2.1 數(shù)字化動態(tài)裝配仿真
傳統(tǒng)制造模式對于產(chǎn)品的裝配性分析主要采用實物開模試裝和經(jīng)驗判斷，該模式的問題在于：實物試裝的成本和產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。
采用數(shù)字化仿真裝配，僅通過軟件運算、模擬，即可在項目初期發(fā)現(xiàn)問題，盡早解決問題，避免后期成本較高的工程更改。
圖3 數(shù)字化裝配仿真干涉檢查
該仿真技術(shù)分析包含裝配環(huán)境因素的裝配過程和動態(tài)過程中的可能干涉，這樣既能判斷產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)干涉，又能提前預(yù)防產(chǎn)品制造過程干涉。
1.2.2 生產(chǎn)線規(guī)劃和優(yōu)化仿真
生產(chǎn)線的仿真是智能制造中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，規(guī)劃過程中的產(chǎn)線模型仿真有助于實際的設(shè)備規(guī)劃和布局；實際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)線仿真的模型又可以用在MES系統(tǒng)中動態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)。
在新能源變速器的產(chǎn)線規(guī)劃中，已經(jīng)充分運用西門子的Plant Simulation實現(xiàn)產(chǎn)線的仿真優(yōu)化。該系統(tǒng)允許產(chǎn)生復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)計算機模型以研究系統(tǒng)的特性和優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的性能。這種計算機模型能夠進行實驗和情景模擬而不用干擾現(xiàn)有的生產(chǎn)或者在實際生產(chǎn)系統(tǒng)建立以前在工藝規(guī)劃階段使用。（如圖4）
圖4 某新能源變速器生產(chǎn)線的布局仿真模型
仿真應(yīng)用將復(fù)雜系統(tǒng)進行清晰分析，利用實際數(shù)據(jù)的計算和比較，提供計算機支持的投資決策。同時生產(chǎn)線規(guī)劃仿真有利于：生產(chǎn)線方案比較分析、輸送設(shè)備數(shù)量控制、產(chǎn)線節(jié)拍瓶頸識別、資源利用率提高、每小時產(chǎn)量輸出、在制品及庫存減少。
圖5 某新能源變速器生產(chǎn)線的3D仿真模型
1.2.3 設(shè)備生產(chǎn)動作仿真
在驗證工藝規(guī)劃以及所用的各種資源，如場地、設(shè)備、工藝流程等，就需要裝配、人機、設(shè)備運動的綜合仿真能力和一體化的仿真環(huán)境和統(tǒng)一模型。
設(shè)備虛擬動作仿真可以提供一個集成環(huán)境來評估機械和電器系統(tǒng)的行為，更容易產(chǎn)生真實的虛擬生產(chǎn)環(huán)境。在設(shè)備制造前，提前檢查出設(shè)備設(shè)計問題和潛在風(fēng)險。
設(shè)備模型動作通過PLC編程模擬控制實現(xiàn)仿真，在實際設(shè)備未到位前，就可以檢查和測試PLC代碼。在實際設(shè)備制造后，直接導(dǎo)入PLC代碼，減少手工編制代碼時間，大大縮短了實際調(diào)試的工作。
設(shè)備模擬仿真另一大優(yōu)勢在于生產(chǎn)的優(yōu)化。在實際生產(chǎn)過程中，沒有時間缺口提供設(shè)備調(diào)試、試驗，這時利用原設(shè)備仿真數(shù)模就可以在不影響生產(chǎn)的情況下，驗證新工藝，進行仿真優(yōu)化。
數(shù)字化規(guī)劃軟件工具是智能制造模式的基礎(chǔ)，可以說缺少了這些軟件的應(yīng)用，根本實現(xiàn)不了智能制造。最關(guān)鍵的是這些數(shù)字化軟件工具，能對制造形成一個有效的閉環(huán)。（如圖7）在布局規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)物料仿真、設(shè)備PLC編程、實際產(chǎn)能優(yōu)化之間實現(xiàn)緊密聯(lián)系。
圖6 生產(chǎn)設(shè)備的3D仿真模型
圖7 數(shù)字化軟件輔助智能制造各環(huán)節(jié)
2 智能化裝備和生產(chǎn)線
新能源變速器產(chǎn)品目前最大的特點是小批量、多品種，產(chǎn)品迭代速度非?？?。往往某一型號的新能源變速器剛實現(xiàn)量產(chǎn)，它的升級變型產(chǎn)品也已經(jīng)完成設(shè)計開發(fā)，需要切換生產(chǎn)、改造產(chǎn)線。而傳統(tǒng)變速器產(chǎn)品，一般的生命周期在5年以上，所以過去投資設(shè)備和生產(chǎn)線都是以單一產(chǎn)品大批量為主。
在這種大背景下，智能化的裝備和生產(chǎn)線是新能源變速器可持續(xù)發(fā)展的制造新模式，能充分實現(xiàn)靈活性制造的優(yōu)勢。智能化產(chǎn)線的幾大特點：機器視覺相結(jié)合、混線生產(chǎn)模式、柔性智能切換、數(shù)據(jù)信息流。
2.1 智能視覺設(shè)備應(yīng)用
自動化生產(chǎn)線已經(jīng)在汽車行業(yè)中大量應(yīng)用，首先產(chǎn)品具有足夠大的產(chǎn)量需求，工藝穩(wěn)定可靠，才能確保產(chǎn)線能提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)能。工業(yè)機器人在自動化生產(chǎn)線中扮演重要角色，往往提到自動化，首先想到的就是機器人，重復(fù)穩(wěn)定的特點讓生產(chǎn)制造變得更簡單。
工業(yè)機器人需要確保產(chǎn)品能保持一致性，如產(chǎn)品特征和精確位置等，這顯然不能滿足智能制造靈活性的特點。這時將3D智能相機集成到機器人上，等于給了機器人一雙眼睛和大腦，能讓它自主進行對工件及環(huán)境的分析和判斷，最終實現(xiàn)智能抓取和裝配。
3D智能相機能準(zhǔn)確定位產(chǎn)品的坐標(biāo)位置，給機器人進行抓取坐標(biāo)和軌跡，實現(xiàn)了來料產(chǎn)品無需進行精確排列或放置即可定位抓取。同時通過預(yù)設(shè)的產(chǎn)品類型，機器人也能在不同產(chǎn)品間切換對應(yīng)的不同抓取位置，這些都可以通過智能相機讓機器人感知到。隨著大量數(shù)據(jù)的積累，自學(xué)習(xí)功能，還能提高速度，定位精度高，提高效率。
圖8 3D智能相機輔助機器人生產(chǎn)
2.2 柔性混線生產(chǎn)裝備
與傳統(tǒng)變速器生產(chǎn)模式不同，新能源變速器需要靈活多變的生產(chǎn)切換，柔性的混線生產(chǎn)模式能夠大大降低制造成本。
下面列舉幾類關(guān)鍵的柔性化智能裝備，應(yīng)用在新能源變速器的生產(chǎn)線中。
2.2.1 柔性化壓裝單元
傳統(tǒng)壓裝單元基本為專機專用，靈活性差，產(chǎn)量低時設(shè)備往往處于閑置狀態(tài)。即使通過后期改造以兼容其他型號，改造工作量大，改造周期較長，且需要人工更換工裝以實現(xiàn)換型。新能源變速器小批量、多品種的生產(chǎn)模式，使這一矛盾變得日益突出。
得益于數(shù)字化技術(shù)及可編程電機、機器人技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，柔性裝配單元在新能源變速器制造的應(yīng)用逐漸成熟，與傳統(tǒng)壓裝單元相比，柔性裝配單元具有以下優(yōu)點：自動化程度高，除了初始的上料基本可實現(xiàn)100%無人參與，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；設(shè)備利用率高，設(shè)備總量少，占用場地?。煌ㄓ眯詮?，應(yīng)用靈活，適用產(chǎn)品覆蓋范圍廣。
以常見的殼體柔性裝配單元為例，柔性裝配單元由上料盤，上料機器人，伺服電缸，壓頭庫及壓頭變位電機，反力支撐庫及反力支撐變位電機，殼體夾持機器人組成。
圖9 殼體柔性壓裝單元
工作時取料機器人根據(jù)生產(chǎn)計劃或托盤信息自動選擇工裝型號和對應(yīng)程序，將待壓裝零件從取料盤放到壓頭，然后變位電機帶動壓頭到伺服電缸正下方，變位電機帶動對應(yīng)反向支撐轉(zhuǎn)到壓頭正下方，傳感器檢測到零件擺放就位后，伺服壓機下行，將待壓裝零件壓入殼體。第一步壓裝完成后，殼體夾持機器人帶動殼體調(diào)整到預(yù)設(shè)位置，取料機器人將第二個待壓裝零件放到相應(yīng)壓頭，同時反力支撐也同步調(diào)整，完成第二步壓裝。以上過程循環(huán)往復(fù)，直到完成本工位所有壓裝任務(wù)，最后殼體抓取機器人將殼體從壓機上搬運到托盤上。
綜上柔性裝配單元自身特點，可在單工位裝配任務(wù)多，總產(chǎn)量低的新能源變速器項目進行實施，即使一個項目產(chǎn)量無法達到預(yù)期產(chǎn)量，也可通過簡單改造后完成其他項目類似裝配任務(wù)，從而最大程度提高設(shè)備利用率。
2.2.2 智能擰緊設(shè)備
為滿足新能源變速器不同擰緊位置技術(shù)要求，如不同產(chǎn)品的螺栓數(shù)量和螺栓分布無法保持一致，采用智能擰緊設(shè)備，實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)制造。
采用機器人+多軸變位擰緊技術(shù)實現(xiàn)柔性化擰緊，與傳統(tǒng)的多軸自動擰緊技術(shù)相比，機器人多軸擰緊技術(shù)具有成本低、精度高、柔性高等優(yōu)勢。
圖10 機器人柔性擰緊設(shè)備
系統(tǒng)由三軸聯(lián)動智能伺服擰緊軸、高精度定位懸掛平衡系統(tǒng)、高精度機器人組成。伺服擰緊軸可精確控制扭矩、角度、圈數(shù)等參數(shù)?？衫门ぞ乜刂品?、扭矩控制+角度控制法、屈服控制法對產(chǎn)品進行精確擰緊。同時具備總線通訊機能和I/O控制模式，可同步與主控系統(tǒng)配合，全程監(jiān)控每個螺栓的擰緊過程，上傳數(shù)據(jù)曲線至裝配線MES。
2.2.3 智能協(xié)作機器人
隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，智能協(xié)作機器人是該領(lǐng)域一個全新產(chǎn)品，采用協(xié)作機器人實現(xiàn)人機協(xié)作的新制造場景。智能協(xié)作機器人和傳統(tǒng)的機器人相比具備：簡單易用、靈活部署、安全可靠、降低成本等特點?？紤]到智能協(xié)作機器人對大扭矩螺栓反力的承受能力和設(shè)備的穩(wěn)定性。新能源變速器項目對扭矩小于15Nm的螺栓，采用智能協(xié)作機器人+擰緊軸方案，完成部分螺栓擰緊。
圖11 UR協(xié)作機器人
采用人機協(xié)作的工藝方式，可以減低設(shè)備投資，減少人力成本，提高工藝質(zhì)量。若螺栓分布和數(shù)量不統(tǒng)一，生產(chǎn)線系統(tǒng)通過PLC讀取托盤RFID中調(diào)用預(yù)設(shè)的不同的擰緊程序即可完成應(yīng)對，大大提供擰緊系統(tǒng)的柔性化程度。
2.2.4 模塊化設(shè)備規(guī)劃
根據(jù)新能源變速器的結(jié)構(gòu)特點，將生產(chǎn)工藝模塊化劃分：齒軸模塊、殼體模塊、電機模塊、控制器模塊、總成模塊等。模塊化工藝和設(shè)備規(guī)劃對這些特征相似的模塊進行標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)易改造、易復(fù)制、易擴能的智能制造模式。
模塊化工藝和設(shè)備規(guī)劃是個動態(tài)的過程，通過模塊化，配合柔性化生產(chǎn)設(shè)備，可以很好完成當(dāng)前多品種新能源產(chǎn)品相互混線的生產(chǎn)模式。產(chǎn)品設(shè)計端的系列化開發(fā)是也是實現(xiàn)工藝模塊化的有利條件，實現(xiàn)更能滿足多樣性混線制造的新模式，發(fā)揮工藝、設(shè)備模塊化的最大優(yōu)勢。
3 結(jié)語
應(yīng)對小批量多品種的新能源變速器制造，通過數(shù)字化工具和先進裝備，實現(xiàn)智能制造新模式，降低制造成本、縮短產(chǎn)品上市周期。數(shù)字化工藝和模擬仿真應(yīng)用，將虛擬和現(xiàn)實融合在一起，加速產(chǎn)品開發(fā)并降低實物試裝的浪費。應(yīng)對未來個性化的需求，智能產(chǎn)線需要具備柔性切換的特點，數(shù)字化控制的設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸、監(jiān)控，最終形成數(shù)字化工廠和透明工廠，為工業(yè)4.0和中國制造2025做準(zhǔn)備。
 
 
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