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基于产品全生命周期智能化改造的实践(上)

2022-01-10闫广军

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豫新公司智能化改造主要涵盖了智能设计、智能经营和智能生产,并通过工业网络的构建和安全保障体系的完善实现MES与PLM、ERP的系统高效协同集成。本部分主要对豫新公司智能化改造项目的实施与运行过程及主要解决的问题进行了全面介绍。
       航空工业新航豫新汽车热管理科技有限公司(以下简称豫新公司)位于河南省新乡市,公司成立于1993年,前身为豫新机械厂,隶属于中国航空工业集团公司。豫新公司主要经营范围为各类汽车热管理系统的生产和销售。

       豫新公司是国内知名汽车空调生产供应商,2019年被认定为国家高新技术企业,拥有国家级企业技术中心、省级工程技术研究中心及国家认可的实验中心。公司连续16年荣获全国百佳汽车零部件供应商,先后承担国家智能制造新模式应用项目、郑洛新产业集群新能源汽车动力电池热管理系统项目等国家和地方科技重大项目;先后荣获国家两化融合试点示范企业、河南省知识产权优势企业、河南省质量标杆企业、河南省智能工厂、新乡市智能制造标杆企业、新乡市星级工业企业等荣誉称号。

一、产品全生命周期智能化改造”实施与运行过程

       (一)“产品全生命周期智能化改造”模式创新的内涵

       豫新公司智能化改造主要涵盖了智能设计、智能经营和智能生产,并通过工业网络的构建和安全保障体系的完善实现MES与PLM、ERP的系统高效协同集成。主要包括:

       PLM系统的实施,实现产品、工艺和质量检验策划设计为一体,管理产品研发的全过程,有效降低设计周期和试验成本;通过设计、工艺数据库不断完善,实现设计的智能化,最终达到缩短产品升级周期和降低产品设计不良率的效果。

       以MES系统为核心,通过视觉传感器、RFID、条码等数据采集系统装备进行产品的过程数据采集实现产品的质量追溯,降低不良产品的流出和减少召回造成的损失;通过智能上下料系统、AGV等智能物流仓储的应用,减少工序间的等待、提高产品的物流顺畅度、满足产品先进先出的质量要求和减少人员配送的等待;通过MES与智能装备、智能物流仓储等的无缝对接进行生产计划、生产准备、物料管理和设备运维管理等,降低企业的运营成本,提高企业的核心竞争力。

       全价值链系统集成:通过PLM与ERP、MES集成;PLM与CAx系统集成;ERP与MES集成;MES数据集成;实现产品全生命周期的高效管理,提高产品质量。

       通过弧焊焊接机器人、转运机器人、自动激光切割机、全自动装配机、视觉检测防错系统、柔性智能装配线实现自动化、智能化生产。

       (二)“产品全生命周期智能化改造”模式创新的建设思路

       豫新公司在智能化改造过程中,采用以信息流带动业务流的制造全过程新模式,以实现各个信息化系统间信息数据共享;形成从市场需求提出→设计开发→过程开发→ERP下单→生产排产→生产制造(过程监控)→入库发货的主业务流闭环,实现产品全生命周期智能化改造模式创新,建设思路框架如图1所示:

建设思路框架

图1 建设思路框架

       1.智能设计

       ①总体规划

       全面开展CAD、CAE、CAPP等系统的应用,实现基于模型定义(MBD)的设计,实施PLM系统,实现产品设计、工艺、采购、生产、物流、服务全生命周期管理;通过产品全生命周期管理,提高数据应用对设计的支持作用;实施CAE,进行产品仿真,并对零部件和产成品试验验证,与仿真结果对比。智能设计总体架构如图2所示。

智能设计总体架构

图2 智能设计总体架构

       ②实施效果

       截止2020年12月,完成PLM项目一期和二期建设,实现图文档、工作流、工艺图表、IATF16949、报表汇总、编码工具、CATIA与PLM集成、PLM与CAPP集成、PLM与CAE集成等模块的应用和推广,最终实现线上协同设计、数字化研发、数字化工艺设计、设计工艺一体化、产品仿真分析等功能。

       1)线上协同设计

       通过CATIA软件与PLM软件的数据和结构交互,实现CATIA与PLM的深度集成,用户登录CATIA软件后,通过软件内置工具条,可以浏览产品结构树、文档树等在线数模,实现线上数模一键调用、数模协同共享的功能,达到线上协同设计的目的,通过建立设计知识库,实现产品设计的共用共享,缩短设计时间;同时可将CATIA软件中属性信息和层级结构提取至PDM系统中,实现结构化数据一键提取BOM的功能,同时进行BOM配置管理,提高产品设计的可重用性,缩短订单BOM设计时间。如图3所示。

线上协同设计

图3 线上协同设计

       2)数字化研发

       应用函数定义特征尺寸的技术,实现三维数据的参数化建模,通过修改数模中参数的值,实现不同规格的三维数模一键生成,如图4所示。

参数化建模

图4 参数化建模

       开发知识工程库文件模块,将参数化数模和Excel设计表结合,加入“PartNumber”字符,实现批量数模一键解析,最终达到数字化研发的目的,解决了通用零件重复建模和设计效率低的问题,如图5所示。

数字化研发

图5 数字化研发

       3)数字化工艺设计

       实施CAPP模块前,工艺文件的编制过程不受控,工艺员编制流程一般为特殊特性清单→工艺装备清单→流程图→FMEA→控制计划→平面布置图→流程表→作业指导书,如图6所示。工艺文件均采用EXCEL模版分别手动输入编制,需要一份一份分别编制,编制过程未能充分考虑文件内容的关联性及延用性,文件关联性低、一致性差,齐套率低,导致产品开发阶段特性及风险识别不足,产品量产后问题频发。

原工艺文件编制流程

图6 原工艺文件编制流程

       实施CAPP模块后,工艺文件的编制过程受控管理,通过CAPP软件编制工艺文件,工艺员编制流程为流程表→流程图/作业指导书/平面布置图→FMEA/控制计划,控制计划的数据信息可以反填至作业指导书中,特殊特性清单和工艺装备清单通过CAPP的高级报表功能自动生成,无需人工编制,整个过程如图7所示。

现工艺文件编制流程

图7 现工艺文件编制流程

       产品工程部组织相关部门梳理工艺资源库,主要包含工序名称、工艺装备、设备等工艺编制常用的数据信息资源,实现文件编制的标准化;各车间工艺根据产品的差异情况建立适合的典型工艺库,便于工艺人员应用;产品工程部根据工艺技术管理的需求,组织梳理工艺文件及各属性的关联,建立工艺文件编制模版及关联映射关系,最终形成编制标准。

       依据CAPP工艺模版顺序按开发流程进行工艺过程策划,充分识别特性与风险,工艺文件编制时相同属性的内容只需编写一次,避免重复输入,通用工艺知识及工艺资源从库中选用,便于工艺技术描述及数据的规范性及一致性,同时也保证了工艺文件的编制的完整性、质量与效率。

       4)设计工艺一体化

       实施工艺数据管理模块前,工艺文件在文档树下分不同的车间、产品类别、产品型号及资料类别进行上传会签管理,工艺文件是否齐全很难确认,与设计不存在关联,文件信息反复确认输入,且不易查找一个项目的所有工艺资料。

       实施工艺数据管理模块后,将PLM与CAPP进行集成,实现设计工艺一体化,开展设计和工艺设计并行工程,缩短研制时间。首先,由产品结构树转化为工艺结构树,为工艺文件的编制提供树状图,确保工艺文件编制过程中零组件信息自动提取。即工艺文件的编制前首先从产品结构树检索到产品,进行BOM转换,在CAPP工艺图表中选择相应产品,产品BOM结构自动添加到协同管理的结构树中,找到需要编制文件的零组件下新建工艺选模版进行工艺编制,自动存储在结构树下,产品基础信息自动从结构树下映射到工艺图表中,不用再手动输入,在工艺树下建立的管理文件夹及文件,与产品结构树下同步链接,产品结构树的变更会自动更新工艺树,实现产品的设计工艺一体化管理,设计变更和工艺变更的智能联动。能在产品结构树下管理所有设计工艺过程资料,便于项目资料的查看。

       实施工艺数据管理模块前后优化对比表如表1所示。
表1 优化对比
优化对比
       采用了Dymola多学科仿真建模、FLUENT流体仿真、Ansys强度仿真平台等CAE软件,对设计产品关键承载件及产品整体做不同类型的分析(如图8),工程师可以修改结构参数,经过计算就能直观地判断和分析各构件是否满足设计和实际工程要求,并实现零部件和整体结构的优化,节约用材,降低产品成本。
    仿真分析
图8 仿真分析

       2.智能经营

       豫新公司ERP系统采用的是用友U8 13.0系统,目前已上线运行了总账、应收管理、应付管理、销售管理、报表、采购管理、委外管理、库存管理、质量管理、条码管理、供应商协同平台、物料清单、需求计划、生产订单、存货核算、UAP报表运行平台等模块,建立了集中统一的生产经营流程体系,全面推动产、供、销、财各领域的业务规范化、标准化和信息化,从订单获取到交付整个过程高度协同,提高订单运行效率。

       在业务领域,以客户订单为源,通过LRP计划运算,自动生成生产需求和采购\委外需求;采购\委外需求下发成采购\为委外订单,通过供应商协同平台发布给供应商,供应商通过平台进行订单确认和发货通知;采购入库严格按照采购订单办理,有效控制原材料库存。生产需求转化为生产订单,并通过生产订单实现批量领料和批量入库,将领料和成品入库相关联,生产领料之外的领料需求由车间发起领料申请,有效控制生产车间的投入产出。

       3.智能生产

       通过科学的车间产线布局设计,采用自动化智能化设备,嵌入RFID、二维码等信息技术,导入MES实现人机料法环测的精细管理,搭建智能设备与软件设备集成平台,建造智能化改造领先示范点。智能化生产流程如表2所示。
表2 智能化生产流程
智能化生产流程
       本项目建设主要围绕生产过程智能化改造开展,实现了从来料、零件加工、组件加工、芯体总成工序智能化开发,具体完成情况如下:

       ①智能仓储、产线物流一体化

       在原材料仓库建立清晰的地址系统,并将地址信息做为ERP存货档案辅助项加以定义,生产线实行定时不定量配送,每个配送循环通过扫描返回物料看板上的“回收”码,生成ERP系统的材料出库单做为配送指令,ERP系统出库单出库批次由系统根据先进先出规则自动分配。配送人员根据配送指令,借助仓库物料地址信息,快速定位出库原材料,并用手持扫描终端扫描物料看板上的“出库码”进行拣货作业,提高配送人员工作效率、效果,如图9所示。

条码追溯一体化

图9 条码追溯一体化

       ②模具冲压智能化监控

       在现有模具冲压生产的基础上,在模具上增加二维码,生产人员使用扫码枪进行扫码上架,搭建冲床与信息库的连接,实现在冲压过程中对冲压次数的监控;同时对模具使用次数设置预警值和预警机制,主要以周期性保养省去人工手动填写时间,完成对维护保养和维修记录与使用次数的关联登记,消除因信息失误造成的模具冲压产品质量问题,如图10所示。

模具智能监控系统

图10 模具智能监控系统

       ③集管焊接工作站

       集流管焊接工作站采用弧焊焊接机器人用来对换热器集管组件定位,以机器人取代人力,执行高重复性、高负重度、高疲劳性、高伤害性、高危险度、高技能等作业,提高制造时数与产线效率。

       机器人与电源全数字高速通信,快速应答,标配焊接导航、焊接品质监视功能、利于操作人员快速上手,示教盒的操作界面能够任选中/英的文字,且文字之间可方便切换。

       ④蒸发器全自动装配机

       蒸发器组装主要将扁管、翅片、边板、夹具四大部分的零件,按照设计需求组装成一个有机的整体,组装难点有:a、蒸发器为双层扁管,实现自动排管难度极大。b.蒸发器组装机需实现0.4s/根极高速排管难度较大,目前现有的组装机的排管时间为1s/根。c.蒸发器种类有200种以上,组装区需实现20分钟快速换型,目前换型时间为2小时。基于以上我司通过自主设计工艺装备、联合设备厂家开发了全自动装配机。

       蒸发器全自动装配机集成了上下料机器人、伺服传感等高端自动化设备。通用上料小车结构并成功应用,解决了扁管装盘效率低问题;通过机器人上料,保证上料稳定性,提升效率;通过翅片机和装配机连接段翅片收集器并成功应用,解决了翅片报废问题,实现了翅片0报废,同时也可实现翅片机单独加工翅片功能;联合开发了上下两层扁管双打管结构并成功应用,实现了0.35s/根扁管的极速稳定打管;通过参数一键切换实现换型,换型时间控制在10min内。

       蒸发器全自动装配机装配效率高,由先前的230s/套,提升为82s/套;定位精确,满足产品精度和一致性要求,保证产品质量稳定性

       ⑤钎焊工艺人工智能优化

       在换热器生产过程的关键工序--钎焊工序,采取多因子分析人工智能系统,机器学习数据模型实现钎焊工艺参数自优化,通过对环境温度、湿度、链条速度、炉内温度等的信息收集,实现钎焊工艺参数自动优化,之前通过人工根据经验调整的方法来实现钎焊炉中环境的稳定,这个过程对人员的经验依赖程度非常高。而传统的自动控制方法无法满足对钎焊环境进行精确调节的需要。为此,在钎焊工艺通过数据采集、工程经验分析、多因子分析建模及模型应用及优化等过程建立了钎焊工艺多因子分析人工智能模型,该模型通过历史数据的分析与建模可提前预知钎焊参数的异常,并可在异常发生后快速锁定影响因子,提高现场问题解决效率,产品焊接合格率从99.5%提升至99.7%。如图11所示。

人工智能实施界面

图11 人工智能实施界面

       ⑥MES过程信息监控与追溯

       通过在车间建立产品档案,记录生产过程中的原材料批次信息、开完工时间信息、加工人员信息、加工工艺路线等信息。对于检测工序,还会记录检测的指标及相关的检测值,从而在系统中建立完整的产品生产跟踪档案,方便后期进行产品的正向及逆向质量追溯,快速定位质量问题,如图12所示。

生产过程追溯

图12 生产过程追溯

       ⑦柔性智能装配线

       1)模块化产线设计

       整线采取单双工位的独立模块组合成完整的HVAC空调总成生产线,模块间采用快接连接件拼接,落地方式采用脚轮与脚杯组合使用,达到随意拆装移动。根据生产需要,增加/减少工位,方便灵活。拆装移动方便,电气方面采用航空插头快速连接,整条线体航空插头具有防错功能,保证不会有插错的现象,只要能插进去绝对不会错,气路也采用快速接头方式,保证快速连接,每个模块单独开发,通过航空插头和快速气动接头连接,同时可实现切换产品时一键切换。

       2)配置条码追溯系统

       下线工位配有一个扫码枪,扫描空调装箱的箱体上的条码标签,随后依次扫描每一个空调上的条码,然后进行装箱,扫描过程中识别空调和箱体上特征码并进行防误。每一箱体上的条码对应所收容空调的条码,进行数据保存,可以通过箱体条码查找到对应的所收容的空调的条码。配置触摸屏,显示错误的条码信号或者正确的条码信息。NG时蜂鸣器和红灯报警提示。

       3)应用视觉传感机器人实现在线视觉检测

       在汽车电动空调自动防错生产线、B型管成型机及转运机器人上应用视觉传感机器人,如图13所示,视觉传感器属于智能传感与控制装备,用来全方位在线检测错装、漏装情况,与追溯系统关联,保存检测结果便于追溯。电动空调系统至少有50个检测点,一个检测点无法通过都将会导致装车困难,造成客户抱怨,或装车后发生振动异响。传统机械检具检测对人员操作和检具的要求非常高,因检测不当导致的装车不良高达0.5%,使用在线测量机器人可将装车不良降低至0。

视觉传感在线检测机器人

图13 视觉传感在线检测机器人

二、“智能化改造”模式创新解决的关键问题

       解决电动空调系统的产品不良品率问题

       主要原因如下:

       ①设计阶段未能充分进行试验验证分析;

       ②生产阶段零部件加工精度低;

       ③装配过程一致性低,过程参数无法监控;

       ④检测工作无法实现在线自动检测,依靠人工判断,存在一定误判率;

       ⑤产品追溯困难,无法找到问题的发生根源,无法实施根本性的对策。

       针对以上问题:

       A.从设计层面,通过设计仿真和验证制定产品的制造和检测标准;

       B.从加工层面,通过提高零部件加工精度和在线实时监控测量提升产品加工质量,保证满足设计要求。例如:换热器芯体进行100%在线氦检漏检测,空调总成性能测试及装配情况进行100%在线性能检测及机器人视觉检测;

       C.从装配层面,通过装配自动化提升一致性。如集管焊接工作站自动焊接、冷凝器全自动装配机、冷凝器转运机器人等的应用;

       D.从检测层面,通过在线检测判定,杜绝不良品流出。如在线检漏测试、空调电器性能及噪音检测等;

       E.质量追溯方面,通过MES和SCADA的应用实现数据追溯,汽车空调装配生产线每个装配工位均有螺钉计数、防漏取、防取拿错误、条码扫码防错。保证了产品的装配过程无差错。(未完待续)
基于产品全生命周期智能化改造的实践(下)
责任编辑:程玥
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