智能制造与数字化工厂

智能制造与数字化工厂2013年08月华中科技大学制造装备数字化国家工程研究中心黄刚2013中国移动-高校学术论坛提纲一、两化融合下的数字化与智能化制造二、数字化工厂概述三、相关研究与案例大背景：信息化与工业化融合产品本身：信息技术（IT，InformationTechnology）的应用使机械产品本身向数字化转变，深刻改变了机械产品的内涵；生产活动：计算机辅助设计、工艺、制造、测试、管理等先进技术手段使企业生产的自动化、柔性化、智能化程度大大提高，全面提升了企业的能力；制造模式：信息技术向制造业的全面渗透，还产生了许多新的工业化理念，如“协同生产”、“敏捷制造”、“大规模客户化定制”等；未来发展：信息技术新的发展，如下一代互联网、云计算、无线传感、物联网等，将更加广泛而深刻地引起机械工业的变革。4德国法国英国西班牙机舱内装饰前后机身驾驶舱和中段机翼发动机机架垂直尾翼水平尾翼发动机工装美国其它供应商大背景：信息化与工业化融合18世纪末20世纪初70年代初至今第一次工业革命机械化生产蒸汽驱动第二次工业革命批量流水线生产电力驱动第三次工业革命高自动化柔性生产计算机信息技术驱动第四次工业革命智能化工厂智能装备及信息通信敏捷制造智能制造第四次工业革命：全面的智能化工厂蒸汽机、电动机曾给机械产品的发展带来革命数字化：信息化与工业化融合的重要手段智能化：装备和机械产品的发展趋势•蒸汽机的发明，机器动力的应用电动机的发明，电能的应用信息技术特别是数控技术的应用智能技术的应用，自适应、自我决策机械一代蒸汽机机械化智能一代数控一代电气一代普通机床电气化数控机床数字化智能机床智能化我国制造业发展的几个主要阶段使用数控织机，由原来3-4小时/毛衣，变为40分钟/毛衣，同时1个工人操作5-10台机器。手动式半自动全数控案例1：纺织机械案例1：纺织机械细纱机——纺纱过程中把半制品粗纱或条子经牵伸、加拈、卷绕成细纱管纱的纺纱机器。机械式细纱机数字式细纱机车头采用高精度油浴齿轮箱车尾配备同步牵伸传动机构带断线图像检测智能化细纱机采用单锭单电机，20000rpm配备细沙断头粗纱停喂装置，并与电锭运转联动整机数字化控制系统，监测纺纱张力变化案例2：印刷机械机械长轴传动最高速度：160米/分电子长轴传动以电子虚拟轴作为主导轴，机器各单元分散驱动；传动由智能化驱动器高精度控制的电子长轴；最高印刷速度：350米/分异型玻璃磨边机数控玻璃加工中心手工靠模加工平板玻璃的周边与斜边的磨削抛光异型内孔加工刀库智能管理全数字控制加工适用于不同厚度和尺寸的平板玻璃钻孔、铣形、写字、磨边及抛光具有砂轮磨损智能补偿功能案例3：玻璃加工机械伺服驱动系统数控技术的应用引起机械产品本身内涵发生根本性变化简化机械结构缩短制造周期提高制造精度提升装备性能齿轮箱动力源传动机构工作装置伺服驱动系统控制系统工作装置输入信息信息反馈传统机械产品数控机械产品制造装备智能化的基础1、平台全数字化现场总线、码盘到伺服的连接、驱动单元等全数字化高档系统普遍采用现场总线方式2、高速、高精、高可靠先进数控机床加速度可达10g，快移速度达720m/min普通数控加工精度5μm，精密级1μm，超精密0.01μm数控装置MTBF值达60000h以上，伺服系统达30000h3、智能化、网络化、复合化加工参数自调整、防碰撞、误差补偿、颤振预测抑制等从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发展同时完成复杂零件的主要乃至全部加工工序现场总线高速纳米插补加工参数自动调整制造装备智能化的内涵Prof.ShuZhangInstituteonAdvancedManufacturingTechnology,TongjiUniversity操作权限指纹确认加工任务完成情况和机床状态可用手机查询数码相机信息塔(e-Tower)机床信息化，具有语音、文本和视像等通讯功能。与生产计划调度系统联网，实时反映机床工作状态和加工进度操作权限指纹确认。工件试切时，可在屏幕上观察加工过程。故障报警显示、在线帮助排除。智能化与自主管理智能化制造装备—国内外进展知道本系统的加工能力和状态能够监控和自主优化加工过程能够自行度量工作（输出）的质量能够不断持续学习和提高自己的能力智能化与自主管理智能通讯单元智能化制造装备—国内外进展制造业的服务化趋势领先的制造企业不再只关注产品的生产加工，而是将市场拓展至产品的整个生命周期，包括产品开发或改进、生产加工、销售、售后服务、产品报废、产品解体或回收整车租赁紧急救援售后维修汽车美容整车及零部件设计、研发整车装配工厂环保与节能设备技术与维修检测技术与服务零部件及整车物流化学品管理旅行服务工具、设备管理供应链管理第三方采购交钥匙工程产品回收处理以汽车行业为例：根据德勤在全球80家大型制造业公司中的调研，服务收入占总销售收入的平均值超过25%；有19%的制造业公司的服务收入超过总收入的50%。全球制造业中服务业务所占比例全球工业在全部销售中服务业务所占份额平均值领先的企业航空和国防47%超过50%汽车制造37%超过50%电子信息产业19%超过50%生物和医药设备21%超过50%所有制造公司26%超过50%*数据来自德勤公司研究报告《基于全球服务业和零件管理调研》制造业的服务化趋势根据AndyNeely对全球13000家制造业上市公司研究的结果，发达国家制造业服务化的水平明显高于正处在工业化进程中的国家。美国制造与服务融合型的企业占制造企业总数的58%，而中国制造业的服务化进程相对落后，具备服务型制造能力的企业仅占所有企业的2.2％。制造业的服务化趋势IBM曾经仅是硬件制造商，经过十余年的业务整合，现已成功转型为全球最大的“提供硬件、网络和软件服务的整体解决方案供应商”。在IBM全球的营收体系中，目前大约有55%的收入来自IT服务。ROLLS-ROYCE是著名的发动机公司，是波音、空客等大型飞机制造企业的供货商。ROLLS-ROYCE并不直接向他们出售发动机，而以“租用服务时间”的形式出售，并承诺在对方的租用时间段内，承担一切保养、维修和服务。ROLLS-ROYCE通过改变运营模式，扩展发动机维护、发动机租赁和发动机数据分析管理等服务，通过服务合同绑定用户，服务收入达到公司总收入的55%以上。制造产业服务化的典型案例提纲一、两化融合下的数字化与智能化制造二、数字化工厂概述三、相关研究与案例什么是数字化工厂数字化工厂以MES为核心，对工厂内的制造资源、计划、流程等进行管控数字化工厂与产品设计层有紧密关联，是设计意图的物化环节通过系统集成，数字化工厂还与企业层和设备控制层实时交换数据，形成制造决策、执行和控制等信息流的闭环数字化工厂的工作范围−WIP跟踪(工位/工序/部件)−各工位关重件安装匹配查验−生产报工与节拍价值分析−各型号/各订单的完工情况−各工位/各关重件实作工时−安灯内容信息采集与发布−设备运行状态和运行参数−线边物料的消耗与配送−现场视频采集与近景分析−现场环境(光/温/湿/尘/气)−物流通道及设备监控−叉车/AGV/堆垛机运行情况−物流设备位置数字地图显示−配送执行状态跟踪及监控−仓库出入库/库存/缺料跟踪−质量统计分析报表及异常报告−质检现场数据/质检设施数据−主机及关重件流转过程监控−质量报表数据/统计分析数据−现场质量事故位置与性质分析−设备运行状态和运行参数−刀具/量具/模具在库/在工位−装运车辆的定位/跟踪/调度−关键岗位人员的定位/呼叫−资源的能力/效率跟踪分析生产过程数字化质量管控数字化制造资源数字化现场运行数字化物料管控数字化管控中心PCC生产质量物流ERPPDM设备数字化工厂的核心内容数字化工厂的分层管理数字化制造决策与管控层商业智能/制造智能（BI/MI）：可针对质量管理、生产绩效、依从性、产品总谱和生命周期管理等提供业务分析报告无缝缩放和信息钻取：通过先进的可定制可缩放矢量图形技术，使用者可充分考虑本企业需求及行业特点，轻松创建特定的数据看板、图形显示和报表，可快速钻取至所需要的信息实时制造信息展示：无论在车间或是公司办公室、会议室，通过掌上电脑、PC机、大屏幕显示器，用户都可以随时获得所需的实时信息数字化工厂的分层管理数字化制造执行层先进排程与任务分派：通过对车间生产的先进排程和对工作任务的合理分派，使制造资源利用率和人均产能更高，有效降低生产成本质量控制：通过对质量信息的采集、检测和响应，及时发现并处理质量问题，杜绝因质量缺陷流入下道工序所带来的风险准时化物料配送：通过对生产计划和物料需求的提前预估，确保在正确的时间将正确的物料送达正确的地点，在降低库存的同时减少生产中的物料短缺问题及时响应现场异常：通过对生产状态的实时掌控，快速处理车间制造过程中的生产过程中常见的延期交货、物料短缺、设备故障、人员缺勤等各种异常情形数字化工厂的分层管理数字化制造装备层（工位层）实时硬件装备集成：通过对数控设备、工业机器人和现场检测设备的集成，实时获取制造装备状态、生产过程进度以及质量参数控制的第一手信息，并传递给执行层与管控层，实现车间制造透明化，为敏捷决策提供依据多源异构数据采集：采用了先进的数据采集技术，可以通过各种易于使用的车间设备来收集数据，同时确保系统中生产活动信息传递的同步化和有效性生产指令传递与反馈：支持向现场工业计算机、智能终端及制造设备下发过程控制指令，正确、及时地传递设计及工艺意图设备控制电子看板按灯智能料架条码扫描RFID数字化工厂的典型应用场景数字化工厂的作用：以汽车工业为例2010年，国务院发展研究中心《汽车产业蓝皮书》发布比较结果：日本汽车工业91.62分，中国汽车工业54.33分自主品牌汽车工业发达国家品种效率3.5分钟/辆（江淮商务车）48秒/辆（日本本田轿车、商务车共线）质量1000多种变型共线4000多种变型共线（2000年丰田Coronas装配线）224个PP100（每百辆新车问题数）135个PP100（每百辆新车问题数）——2010年J.D.Power亚太公司中国新车质量研究报告数字化工厂的作用：以汽车工业为例设备能力生产过程管控与优化能力要实现上述目标，设备的智能化水平和生产过程管控与优化的能力缺一不可多品种高效率低成本高质量在设备能力逐步提升的情况下，制造环节的数字化管控与优化能力不足更显突出，已成为我国汽车工业与国外差距的主要原因之一。因上游车间供应不足引起的停线次数减少26%因下游车间能力不足引起的停线次数减少29%技术指标对比：实际工程应用前后对比应用车型实施前生产节拍实施后生产节拍瑞风商务车3.5分钟/辆2.5分钟/辆宾悦轿车120秒/辆88秒/辆重汽卡车7.8分钟/辆5.9分钟/辆上游供应不足下游能力不足物料短缺负荷超限设备故障次数051015202530354045优化前优化后实施数字化工厂带来的收益企业指标实施前实施后奇瑞汽车发动机装配出错率0.5‰0.03‰江淮汽车整车交验合格率91.57%93.73%一汽海马汽车总装线设备综合效率77%83%用于奇瑞、江淮、一汽海马等自主品牌汽车生产典型案例：汽车行业实施数字化工厂带来的收益实施数字化工厂带来的收益冲压在制品库存降低30%商务车生产节拍从3.5分钟缩短至2.5分钟，轿车生产节拍从96秒缩短至88秒基本消除了因为物料短缺导致的非正常停线典型案例：江淮汽车典型案例：奇瑞汽车发动机指标实施前实施后每月在制品库存4000万元2800万元每天物料短缺导致停线时间10分钟3分钟用于奇瑞汽车4大系列20余种发动机混流生产实施数字化工厂带来的收益实施数字化工厂带来的收益能为客户解决的问题制造现场：使制造过程透明化，敏捷响应制造过程中的各类异常，保证生产有序进行生产计划：合理安排生产，减少瓶颈问题，提高整体生产效率生产物流：减少物流瓶颈，提高物流配送精准率，减少停工待料问题生产质量：更准确的预测质量趋势，更有效的控制质量缺陷制造决策：使决策依据更详实，决策过程更