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華中數控助（zhù）力打造中國版（bǎn）“工業4.0”智能車間

2016-7-26 來源：武漢華中數控股份有限公司作者：

一、背（bèi）景（jǐng）

隨著“工業（yè）4.0”的熱潮從德國湧向全球（qiú），中國經濟經過（guò）30年（nián）兩位數的（de）高速發展，也（yě）到了發展的十字（zì）路口，需要（yào）轉型升級、提高製造業整體水平。2015年5月，國務院發布中國製造強國戰略的（de）第一個十年行動綱領《中國製造2025》，標誌著中（zhōng）國“工業（yè）4.0”時代開啟。“中國製造2025”的主攻方向是智能製造（zào），重點推進“智能化、數字化、網絡化”製造（zào），是信息化、工業化深度融合的主攻方向，是傳（chuán）統產業進行轉型升級（jí）的主要技術手段。

2015年，華中數控股份有限公司（以下簡稱：華中數控）攜手東莞勁勝精密構建集國產高端數控（kòng）機床、國產機器人、自動化設備（bèi）、國產係統軟件於一體（tǐ）的（de）3C產品智能工廠，實現了工業（yè）4.0縱向集成，形成智能製造（zào）工廠（chǎng）在（zài）3C行業的示範（fàn），實現高速高（gāo）精國（guó）產鑽攻數控設備、數（shù）控（kòng）係（xì）統與機器人的協同工作，在業內率先實現裝夾環節采用機器人代替人工操作，節省70%以上的人力；建立基於物聯網技術的製造現場（chǎng）“智能感知”係統，改造升級現有生產製造係統，建立全製造過程可視化集成控製中心，實現對鑽攻中心、機器人、物流裝備等的全麵支持，降低產品不良率，縮短產品研製周期，提高設備利用率，提升車間能源利用（yòng）率，最終實現少人化人機（jī）協同化（huà）生產（chǎn）。

二、項目概況

勁勝東城廠區智（zhì）能製造項目是（shì）2015年國家94家智能製造專項之一，項目名稱：移動（dòng）終端金屬加工智能製造新模式。項目由東莞勁勝精密組件股份有限公司牽頭承擔，聯合（hé）開發單位還（hái）包括科研單位、國內高校、設備研發製造商、軟件開發企業、金（jīn）融企業等，項目負責人為華中科技大學邵新宇教授。

項目實施目標是：實現生產（chǎn）效率提高20%以（yǐ）上，運營成本降低20%，產品研製周期縮短30%，產品不（bú）良品率降低30%，能源利用（yòng）率提高（gāo）15%。

整個項目曆時1年建設（shè），目前已建成擁有10條自動化鑽攻生（shēng）產線的智能車間（jiān），智能（néng）車間包括180台國產高速（sù）高精鑽（zuàn）攻中心、81台國產華數機器人（rén）、30台RGV、10台AGV小車、1套全自動配料（liào）檢測係統。同時搭載全國產化的工業軟件係統，包括雲數控係統平台、CAPP、APS高級排程係統、MES生產管理係統、三維虛擬仿真係統等。基於國產高檔數控（kòng）係統的良好開放性，建立了智能工廠設備（bèi）大數（shù）據平台，通過對設備實時大數（shù）據的采集、分析，實現了機床健康保障、G代碼智能優化、斷（duàn）刀監測等智（zhì）能化功能。另外還建（jiàn）設有 1條（tiáo）普及型自動化鑽攻推廣（guǎng）線（20台鑽攻中心機床和12台工業機器人），1條機器人自（zì）動拋光打磨生產線（12台工業（yè）機器人），1條用於智（zhì）能（néng）製（zhì）造人才培訓的（de）智能生產線（微縮版智能工廠（chǎng），具（jù）備（bèi）智能工廠各（gè）種要素）等。

車間建設圖

通過以上硬件和軟件的開發建設，實現了高速高精國（guó）產鑽攻數（shù）控設（shè）備（bèi）、數控係統與機（jī）器人的協同工作，在（zài）業內率（lǜ）先實現裝（zhuāng）夾環節采用機器人代替人工操作，節省人力；建立基（jī）於物聯網技術的製造（zào）現（xiàn）場“智能感（gǎn）知”係統，改造升級（jí）現有智能化係統，建立全製造過程可視化集成控製中心,實現對加工中心、機器人（rén）、物（wù）流裝備等的全麵支持。

三、項目特點

項目具有“三國（guó）”、“六化”、“一核心（xīn）”的特點。

“三國（guó）”是指智能工（gōng）廠（chǎng）全部使用國產智能裝備、國產數控係統、國產（chǎn）工業軟件；各參與單位（wèi）充分發揮各自（zì）的特長，實行協（xié）同創新機製，基於“三國”的核心技（jì）術優勢，各個硬件、軟件係統之間相（xiàng）互深度開放並互相融合，為智能（néng）工廠的信（xìn）息集成、數據集成以及各種智能化功能的實現奠定了基礎，同時也（yě）保障了（le）工業數據的安全可控。智能工廠最核心（xīn）的設備——配套國產數控係（xì）統的國（guó）產高速鑽攻中心機床，可與進口同類產品同台競技（jì），打破國外壟斷（duàn）。

國產智能裝備：國產高速鑽攻中心和國產工業機器人（rén）

國產數控係統：華中（zhōng）8型總線式高檔數控係統

國產工業軟件：雲數控、PLM、CAPP、MES、APS等

六化”是指：裝備自（zì）動化、工藝數字化（huà）、生產柔性（xìng）化、過程可視化、信息集成化、決策自主化。

1)裝備自動化：配套國產高檔數（shù）控係統的高速鑽攻中心機床，實現（xiàn）高速高（gāo）精加工，與進口同類產品同台競技，實現機床（chuáng）裝備高端化；利用6關節工業機器（qì）人取代現場操作工（gōng）人，實現（xiàn）加工過程自動化，提升產品一（yī）致性；通（tōng）過（guò）AGV定點、自動配送混流物料，實現車間物流自動化；現場采用非接觸光學自（zì）動（dòng）檢（jiǎn）測，自動采集檢測數據及時反饋結果，實現產品檢測（cè）自動化。

各種自動化設備

2)工藝數字化：采用三（sān）維（wéi）CAPP軟件係統實現機加工藝的（de）三維數字化設計與仿真，大大提升（shēng）工藝設計（jì）效率和設計質量；使用國產PLM軟件，實現從設計到生產製造的產品（pǐn）生命周期數字化管理（lǐ）。

3)生（shēng）產柔性化：實現多品種（zhǒng）、多（duō）工序混流生產（chǎn），不同產品快速切換。基於（yú）RFID係統進（jìn）行定點投料，實現物料有序配（pèi）送；采用機器人加RGV模（mó）式實現工時動態（tài）匹配；設（shè）計（jì）通用料盤和夾具，滿足產（chǎn）品快速換（huàn）線需求；使用APS智能排程係統，實現線體間、機台間混流生產排程，多目標協同優化。

4)過程可視化：通過車間底層各種傳感器和物聯網，實時采集並上傳數（shù）控機（jī）床、機器人、RFID料盤、AGV、RGV等各種設備數據、物料數據（jù）、生產狀態數據等各種數據，在本地雲服務器（qì）上建立工廠的“數字雙胞胎”，通過輕量化的三維仿真（zhēn）軟件（jiàn）係統，實時監控、管理、操作（zuò）車間設備；上層各種設計、管理軟（ruǎn）件係統通過網絡下發生產與物料（liào）指令、工藝（yì）數據、質檢標準等給車間設備，實現了工廠各種數據（jù）流的雙向流通，保證了生產過程的可（kě）視化、透明化。

智能工廠（chǎng）“數字雙胞胎”

5)信息集成化：車間（jiān）采用實時工業以太網技術，實現（xiàn）“一網到底”，實時采集現場所有信息，通過設計統（tǒng）一的數據模型、統一的接口規範、統一的（de）數據平台，實現各種多源異構數據和信息的集成，並使用服務器虛擬（nǐ）化技術，采用（yòng）健壯（zhuàng）性設計（jì）與配置，實現對海量（liàng）信息的存儲（chǔ）與處理。

6)決策自主化：基於車間大（dà）數據，實現設備狀況的自檢測、製（zhì）造過程自（zì）執行、生產（chǎn）管控自組織，企業管理自決策。

智能工廠的“一核心”是指智能工廠大數據，包括工（gōng）廠的人（rén）員數據、物（wù）料數據、設備數據、工藝數據、質量數據等等，通過對這些數據的集成（chéng）、統計分析和應用，最終實現工廠的數（shù）字化和智能化。

智能工廠“大數據”

四、華中數控主要工作

1)用自主化的國產設備（bèi）裝（zhuāng）備智能製造車間

高速鑽攻中心機床：

3C行業對數控機床的高速（sù）高精（jīng）加工性能有很高的要求，國外機床數（shù）控係統成本高、開放性（xìng）差、不能提供定製化開發。智能工廠180台鑽（zuàn）攻中心，全部配（pèi）置華中8型數控係統，自主研發，支持SOP、 RFID刀具（jù）實時管理（lǐ）、G代碼遠程管理，可采集機床實（shí）時毫秒級大數據，為（wéi）工藝優化、機（jī）床健康保障、斷刀監測提供（gòng）支持，同等（děng）條件下加工效率高於進口係統，打破國外壟斷。配套（tào）華中8型數控係統的高速鑽攻中心機床具有以下優良特性：

a)高速:快速（sù）移動可達60米/分鍾、單軸加速度1G、主軸從0加速到2000r僅需（xū）1.9s、刀具轉換僅需1s，能（néng）實現5000r/分鍾以上的（de）高速剛性攻（gōng）絲（sī）。

b)高精:加工精度達5 ‰mm,能連續運轉，加（jiā）工產品表麵光潔度高，可靠性高，高速通過拐角（jiǎo）不產生震動。

c)定（dìng）製化：可根據客戶需求配（pèi）置設備部（bù）件，如（rú）機械手、自動門、絲杆、主軸等核心零部件。

鑽攻機配備國產數控係統

工業機器人：

整（zhěng）個（gè）勁勝智能車間配置的是（shì）國產（chǎn）華數機器人，華數機器人整機產品的自（zì）主（zhǔ）國產化（huà）率（lǜ）已達到80%以上，除了RV減速機為進口，其餘核心零部（bù）件均為國產達到了安全可控（kòng）的條件（jiàn）。車間（jiān）目前已經使用了93台機器人用（yòng）於上下（xià）料，組成了柔性生產係統；使用了（le）12台機器人應用於手（shǒu）機殼打（dǎ）磨線，實現了國產機器（qì）人應用於複雜（zá）軌跡（jì）打（dǎ）磨的突破（pò），在（zài）國產機器人應用（yòng）上屬於首創。

華數機器人

目前華（huá）數機器人（rén）的（de）產品（pǐn）主要在衝壓、注塑、機床上下料、噴塗、焊接、裝配（pèi）、3C自動化等行業中大量使（shǐ）用。華數機器人目前發展勢頭迅猛，已經將華中數控多（duō）年機器人相關技術沉澱成功（gōng）產業化，機器（qì）人已經大批量生產，已在（zài）眾（zhòng）多客（kè）戶現場批量使用。

2)產線（xiàn）總控（kòng）係統

產線控製係（xì）統是智能工（gōng）廠“大（dà）數（shù）據”核心（xīn）層，主要負責產線設備數據采集、設備監控、生產計劃執行管理等，並將“大數據（jù）”、生產（chǎn）完工信息反饋至管理（lǐ）係統，幫助企業生產部門做出科學、有效的決策。

主要（yào）功能：

. 車間設備管理網絡化

. 數據采集（jí）：毫秒級實時數據

. 設備實時監控

. 生（shēng）產任務自組織自（zì）執行

. 產線運行前智能化檢測

. 生產派工（gōng）、報工、工單管理

產線控製係統架構：

產品總控係統（tǒng）架構

3)建立（lì）智能製造車間CPS

智能製造本質是基於“信息物理係統（CPS）”實現（xiàn）“智能（néng）工廠”, 核心是動態配置的生產方式。

信息物理係（xì）統CPS

CPS利（lì）用大數（shù）據、物（wù）聯網、雲計算等技（jì）術，將物理設備連接到（dào）互聯網上，實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合（數字雙胞胎），讓（ràng）物理設備具備計算、通信、精確控製、遠程協調、自治、數據采集（jí）等功能，從（cóng）而實現智（zhì）能製造。

信息物理係統CPS核心

基於指令域電（diàn）控大數據CPS模型體係架構如下：

基於指（zhǐ）令域電控大數據CPS模型體係（xì）架構

4)基於雲（yún）計算的數控機床大數據中心

以數（shù）控機床CPS模型、大（dà）數據采集與存儲、開放式雲（yún）計算應用架構、機床互聯通信協（xié）議為技術基礎，實現對數控機床7×24小時監控和實時（shí）數據采集，建立數（shù）控機床的“數字雙胞胎”，開創了大數據在數控加工領域應用的新途徑，為機床智能（néng）化應用集成（chéng）提供必要基礎。

基（jī）於雲計算的數控機床（chuáng）大數據中心

5)構建智能車間“雲數控”係統（tǒng）

雲數控係統是運用物聯網、大數據、雲數控等（děng）關鍵技術，圍繞數（shù）控機床加工效率和質（zhì）量的提升以及機床的智（zhì）能化管理，整合國內各（gè）項領先技術（shù）而開（kāi）發出（chū）的先進車間信息化管理係（xì）統（tǒng）。主要有“雲管家、雲維護、雲智能”三大（dà）功能，實現製造設備從日常（cháng）生產到維護保養、改造優化的全生命周期管理，為用戶提供設備及產品相關信息的“大數據（jù）”。

雲數控係統

6)產品加工品質問題攻關

影響產品品質的關鍵因素（sù）有：機床的穩定性、刀具磨損/斷刀、鋁屑問題。

針對機床穩定性問題，華中數控開（kāi）發了基於大數據的機床健康保障功能，通過（guò）“鐵人三項”對（duì）數控機床進行定期“體（tǐ）檢（jiǎn）”，提（tí）升機床穩定性、可靠性，保障加工產品質（zhì）量，通過“雲服務平台”可隨時隨地掌握機床健康狀態。

健康保障功能將數控係統與雲數控平台的優勢進行互補與整合，充分發揮雲數控平台的存儲、計算、管理、跨平台（tái）和遠程通信功能，對數控數控係統產生的海量（liàng）電控數據進行處（chù）理、分析（xī）與可（kě）視化，幫助用戶管理機床的健康狀態。

此外，用戶還可以通過手機、平板等移動終端掌握機床的健康狀態及其變化趨勢，及時作出決策，保障數控機床（chuáng）的健康。

雲服務（wù）平台健康保（bǎo）障（zhàng）

針對刀具磨損/斷刀問題，通過基（jī）於“RFID”及刀具管理係統實時監控刀具壽命，實現刀具（jù）從采購、倉儲、領用、使用、維修、報廢的全生命周期管理，機床RFID刀具管理與數控係統無縫集成，同時通（tōng）過（guò）基於周期1毫秒的機床 “大數據”實時（shí）監控刀（dāo）具壽命及斷刀（dāo）檢測，進行7×24小時監控，對機床（chuáng）斷刀情況進行準確判斷與及時反（fǎn）饋。

對數控（kòng）機床加工過程進行7×24小時監控，實時采集（jí）機床設備大數（shù）據，獲取機床設備“心電圖”，實現對機（jī）床斷刀情況進行（háng）準確（què）判斷與及時反饋，降低企業成本，提高零件直通率。

刀具斷裂檢測基於指令域分析方法，提（tí）取刀具斷裂時及斷裂後的機（jī）床（chuáng）主軸“心電圖”的（de）特征，並與正常切削時的“心電圖”模板比（bǐ）較，再結合機器（qì）學習算法進行學習與（yǔ）分類，進而實現刀具的斷裂與否（fǒu）的檢測。

基於大數據（jù）的數控機（jī）床智能化斷刀檢測技術

在零件的一個加工工序中，先後（hòu）會有不（bú）同直徑、不同類型的刀具（jù）參與加工，實現既定的加工任務。而在實（shí）際（jì）的生產加工（gōng）中，特別是在無人看守的自動（dòng）化車間中，往往會因為其中的一把刀具的斷裂而產生兩種主要（yào）的不良後果：①由於刀（dāo）具斷裂剩（shèng）餘的切削餘（yú）量將導致後續（xù）刀具（jù）的連續斷裂；②形成廢品，影響自動化線的產品（pǐn）直通率。以上兩種不良的後（hòu）果，均（jun1）直接增（zēng）加了企業的生產成本和降低了企業（yè）的生產效率。因此，刀具斷裂的自動檢測功能將具有（yǒu）非常直接的現實意義。

斷刀檢（jiǎn）測功能遵循CPS係統“感知→分析（xī）→決策→反饋”的閉環控製（zhì）原理：獲取數控係統內部的當前（qián）主軸功（gōng）率指令域數據，與數控（kòng）係統內存的曆史模板數據進行比較分析（xī），通過機（jī）器學習算法進行決策，如果決（jué）策出斷（duàn）刀則一方麵反（fǎn）饋給數控係統進行報警停機（jī），另一方麵反饋給產線控製器用於生產調度。

因此，斷刀檢測的功能將對刀具狀態做出（chū）及時的判斷，減少後續加工中的刀具斷（duàn）裂數量和零件廢品率，進（jìn）而降低企業的生產成本，提高零件生產的直通率，最終實現（xiàn）企（qǐ）業（yè）經濟效（xiào）益的（de）最大化。

針對鋁屑問題，原材料鋁材經過（guò）高速（sù）中心加工後產生鋁屑殘留，自動化作業無（wú）法判斷處理（lǐ），嚴重影響產品加工精度，導致產（chǎn）品良率低，一度阻礙了項目的推（tuī）進。後（hòu）來我們特別成立了攻堅小（xiǎo）組，曆時一個月嚐（cháng）試各種（zhǒng）辦法（fǎ），通過反複試驗驗（yàn）證，最後我們終於找到一套方法來克服鋁屑問題：設計專（zhuān）用夾具、設（shè）計機器人專用（yòng）自動化吹屑裝置，優化吹屑路徑、實時在線清洗。

通過反複試驗驗證，解決了鋁屑殘（cán）留的難題，良率由原來的70%多提高到現在98%。

7)加工效率問題（tí）攻關

影響加工效率的關鍵因素有：機床加工效率有待（dài）進一步挖掘提高；工藝加工參數（shù），人（rén）工設計，缺少優（yōu）化。

針（zhēn）對機床加工效率進一步挖掘，國產高速鑽攻（gōng）中心配套華中數控係統，加（jiā）工效率高於進口產品，經用戶使用驗證和第三方測試（shì），其功能、性能和（hé）可靠性達到國（guó）外同類係統水平，可替代進口，整體技術水平全麵達到國際先進水平。

華中數控係統與（yǔ）進口（kǒu）係統加工效率對比

針對工藝參加及工藝路徑優（yōu）化，通過采集數控（kòng）加工過程（chéng）中（zhōng）數控係（xì）統的（de）內部電控大數據，借助於指令域分析工具，建立實時數據、材料去除率和加工程序行之間的對應關係，基於（yú）實測數據（jù）優（yōu）化進給速度，在均衡刀具切削負荷的同時，可有效、安全地提高加工效率。

通過采用優化後的（de）加工代碼加工，可以將原始的主軸電流中（zhōng）的最大值降低、最小值提升、波動值減小，實現刀具負載均衡，而且粗加工效率可以提升10%~15%，精加工效率可以提（tí）升3%~5%。

3C行業對數控機（jī）床的高速高精加（jiā）工（gōng）性能有很高的要求，對加工效率（lǜ）尤其敏（mǐn）感。對一個3000台機床規模的（de）3C加工車間，若單件加工效（xiào）率提（tí）升10%，意味著可節省300台（tái）機（jī）床的費用。

基於大數據分（fèn）析的工藝參數智能優化方法

8)基於機器（qì）人離線編（biān）程係統，建設3C產品打磨線

機器人是實現智能製造的基礎，機器人離線編程是機（jī）器人技術發展的重要方向。研發的機器人（rén）離（lí）線（xiàn）編程係統與（yǔ）應（yīng）用（yòng）領域的工藝知識深度融合，滿足了機器人（rén）應用領域擴大和任務複雜程度（dù）增加的迫切需求。在3C產（chǎn）品金屬部件（jiàn）、航空航（háng）天零件、汽車覆蓋件、激（jī）光焊接與切割、模具製造、五金零（líng）件、噴塗、多軸加工、石（shí）材和板材加工等專業領域得到廣泛應用。係統主要特點包括：

. Robot/CAM/一體化

. 支持機器人庫的擴（kuò）展

. 工件和零件編程模式

. 速度和加速度的校驗

. 奇異點的（de）檢查與（yǔ）控製

. 工件的自（zì）動快速標定

. 外部軸運動協調優化

. 運動（dòng）仿真與（yǔ）碰撞檢（jiǎn）查（chá）

機器人離線編程係統

打磨拋（pāo）光線實現（xiàn）：濕拋模式，單（dān）線配置12台機器人。

優勢：

1.使（shǐ）用濕（shī）拋技術減少粉塵，有效改善作業（yè）環境。

2.使（shǐ）用離線編程技（jì）術，能實現產品“零切換”。

3.機器人替換人力作（zuò）業（yè），實現（xiàn）100%標準化作業（yè），品質穩定、效率高於人工。

4.無需過於（yú）依（yī）賴經驗豐富的技術工（gōng）人，節省人工成本。

華數機器人打磨線

五、總結（jié）

項目實施達到良好效果：1.人機比1：12，車間直接人力由實施前204人減少至33人；2.設備負（fù）荷稼動時間由20小時/天（tiān）提升（shēng）到（dào）24小時（shí）/天；3.產品良率由95%提升（shēng）至98%。

國產智能裝備、國產數控（kòng）係統、國（guó）產（chǎn）工業軟（ruǎn）件不僅能滿足（zú）企業的生產製造需求，而且能夠自（zì）主采集加工數據，並逐步形成大數據，確保（bǎo）大數據的安全可控（kòng）和應用。

國家正大力實施“中（zhōng）國製造（zào）2025”，全麵推進智能（néng）製造，實現製造業轉型升級，數控係統、機器人、工業大數據、工業（yè）雲平台等，具（jù）有廣（guǎng）闊的發展前景。華中數控將憑借（jiè）不斷創新智能製造車間經驗、和多年的豐富經驗，助推中國工（gōng）業在轉型升級過程中不斷提升（shēng）競爭力，為國家（jiā）實現從“工業大國”到“工業強國（guó）”的目標作出貢獻。

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