对智能制造的一些新观点 - 宾利W12发动机案例研究

直观学机械2018-12-05 13:52:24

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法律顾问:赵建英律师

好消息,吴昊阳老师将以专栏作者身份入驻直观学机械平台,长期稳定为大家提供工业案例,吴老师对德国工业比较了解,也欢迎大家看完文章后在留言处与吴老师交流。

问题的引出:

哪些企业适合上智能制造或工业4.0项目?企业在进行智能化改造之前是否必须具备自动化,信息化系统或必须已经具备数字工厂条件?为搞懂这个问题,先看看世界顶级制造商正在做些什么,他们是如何看待智能制造或工业4.0的。为此笔者选择英国顶级汽车制造商宾利作为案例研究对象,为制造企业的生产系统转型升级寻求一些新的解答。

之所以选择宾利原因如下:

  1. 宾利为世界顶级豪华轿车生产商,其技术储备可以进行智能制造和工业4.0升级;

  2. 宾利汽车为定制化生产,产品价值高,其生产模式和产品定位都适合智能制造和工业4.0升级

  3. 与德国不同,英国制造业面临严峻的转型压力和挑战,亟需智能制造和工业4.0升级;

  4. 宾利为MAKA老客户,此前有过多次深入的技术合作,得知其早有意愿喝计划进行智能制造和工业4.0升级;


正文:

英国汽车工业似乎正走向没落,但实际上这个老牌帝国主义的汽车工业正悄然进行着智能化升级。MAKA作为宾利,劳斯莱斯,捷豹等汽车奢侈品牌的设备供应商,为这些顶级汽车设计开发了许多专用设备和特种制造工艺。

本文将通过介绍宾利W12发动机装配线浅析智能制造系统的技术特点。切入正题之前,先简要说明这些顶级汽车制造商设备开发模式:欧洲越是顶级的制造商,对产品工艺的要求就越是特殊,因此对设备的要求也更加苛刻。市面上的通用设备往往无法满足其生产需要,因此他们的设备通常都是定制,即要求设备制造商根据其零件工艺需要,定制开发生产设备。

下图为MAKA工业4.0讲座中宾利和劳斯莱斯复合材料零件加工专机和工艺开发案例。

宾利的中控面板由高级桃木,铝合金,镁合金等材料通过热压胶粘复合成型。然而在高速铣削加工过程中镁合金非常容易燃烧,而桃木材料又不可以使用冷却液,因此唯一的冷却方案就是风冷。但是通常的吹风管冷却效率太低,不足以将刀具周围温度降至镁合金燃点以下,为此我们开发了MTB工艺(见下图)

宾利复合材料内饰件加工专机(由于商业技术敏感,无法提供清晰图片,望见谅)

劳斯莱斯复合材料内饰中控面板零件和MAKA加工专机

MTB(MAKA Tool Blower)系统通过外接管路将压缩空气打入套在刀柄外部的冷却喷头模块内,喷头模块与刀柄配套,换刀时与刀柄一同被固定在主轴前端。工作时刀具在冷却模块内部高速旋转,在刀尖外沿产生负压,将从喷头前端小孔喷出的高压空气吸向刀尖。由于刀柄与喷头配套,因此喷孔角度可以对准刀尖,同时该系统具有自适性特征,使得压缩空气全部喷向切削刃,起到高效风冷作用。

该方案广泛运用后效果极佳,目前已经成为复合材料及铝合金切削(可用油雾混合)的标准配置。

可见英国顶级汽车制造商对于制造工艺是极其苛刻的,原因是它的产品设计具有明确的指向性。换句话说,正因为宾利知道自己要做什么,因此才会对工艺有明确的需求,因此才会根据工艺指定开发特殊设备。这套模式是值得中国企业借鉴的,特别是在工业4.0,智能制造,互联网+等让人眼花缭乱的概念面前必须保持清醒的头脑,明确自己做什么,怎么做,用什么做。在这个前提下再去谈智能制造或工业4.0项目升级。

宾利复合材料加工的启示:工艺先行

  1. 制作工艺是实现产品功能的过程,工艺的好坏直接决定产品的质量和造价;

  2. 制作工艺是自动化设备实现的目的,工艺决定设备,而绝不是设备决定工艺;

  3. 独特且独占性的生产工艺足以保持某细分市场领先性;

与宾利类似,欧洲绝大多数高端制造商在制造环节更愿意把钱花在工艺和加工设备上,去实现产品设计中比较特殊的功能。以高端汽车为例,目前所有圈内车厂都在投入巨资搞碳纤维复合材料车身。目前材料,碳纤维零件的结构设计,碳纤维零件加工工艺都有很多问题亟待解决,实在是没有精力在加工车间搞工业4.0。

在零部件制造环节,宾利的加工能力和质量都已经接近极致,技术升级空间较小,但是在装配环节还是有一些智能制造和工业4.0思想的火花迸发出来的。

下面视频是宾利12缸发动机的装配线,是典型的单件小批量生产模式,装配过程复杂且基本是全手工,如此设计生产线很好地反映出老牌制造强国的柔性生产系统的设计思路。

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值得注意的是:

  1. 辅助装配手段

    通过合理的工装设计保证装配质量和工作效率。在产品设计时已经充分考虑到装配要求如固定,定位,吊装等,即所谓的DFA思想(Design For Assembly)。

    人机交互终端软件详细规定了操作要求,可实现零件扫码,作业确认,质量追踪,实时监控等车间现场级信息集成功能。通过信息化手段规范人的工具使用,零件选择和操作流程,使人的不确定性对产品质量的影响降至最低。

  2. 装配站

    发动机的整个装配过程在一个AGV小车装配站上完成。AGV平台运动灵活取代了生产线,装配站除了固定和翻转工件作用还配备零件缓冲库。每一个装配工位上配备信息交互终端,起到生产数据采集及监控,电子看板和电子作业指导书的等作用。

    这种装配模式兼具工件移动和工位移动(如飞机和大型设备装配)两种典型装配模式的优点。AGV运动到某装配区域后,该区域内的“工位”是可以灵活对主工件进行装配。

    个人判断:这种装配站设计在未来会成为主流,该设计是柔性装配的基础。下面视频为保时捷911发动机装配线,也是采用这个思路。

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由于保时捷是目前世界上唯一量产跑车,其产量比宾利大得多,因此在装配线规划时就充分考虑了产能要求(宾利装配线在保时捷装配系统面前简直就是渣,难怪工业4.0是德国人提出来的),例如在合盖时就采用了机器人装配。

在进行预装配后,主零件被安装到装配站上,确切地说应该叫智能托盘,该托盘沿传送带运动,并且具备前文宾利工作站的所有功能,该装配系统具有以下特色:

  1. 智能托盘系统

    由于托盘沿传送带固定线路运动,因此该系统是典型的流水线装配模式。托盘上除集成了工装夹具,用于固定和翻转工件以外,还具备Z向运动功能,便于不同阶段的装配操作,同时可以将产品准确放置在检测设备上,检测完成后自动升起避让,整个装配和检测过程产品不离开托盘,而托盘的信息系统记录整个装配过程。

  2. 信息交互系统

    对于离散制造而言,信息采集一直是个难点。该方案将信息交互系统安装在托盘上,使得信息系统得以伴随产品从零件到成形的全过程。此时托盘(确切的说是夹具)已经不仅单单是物的载体,它更是一个信息的载体和深入到现场层的辅助管理终端。


宾利发动机装配线的启示

  1. 备料方式:从看板管理到集中备料

    产品所需全部主要部件始终在一起运行,各个工作站的执行单位(人或机器人)仅需要从指定物料托盘内取用正确的部件进行安装即可。这样,部件不需要配送到各装配站,装配站仅需要常备标准件。这样设计便于集中自动配料,仅需对关键大型部件(主要是预装配零件如缸体,活塞,曲轴)进行工作站看板管理。

    这种零部件配送模式的好处是便于实现柔性和单件生产。也就是说即便前后两个产品型号规格完全不同,那么只要在集中备料环节不出错误,在装配环节就不容易出现张冠李戴现象。

    这种基于工装夹具和智能托盘的装配单元将会是未来柔性制造(装配)的发展方向。

  2. 人机系统:自动化不是智能制造的基础

    很多专家认为自动化是智能制造的前提条件,实际上并非如此(当然,如果资金有限应该先用机器进行简单作业,自动化设备对生产系统性能提升效果要大于智能制造系统)。在宾利和保时捷的发动机装配系统中,人仅仅作为正确使用工具,正确选择零件,正确执行操作规程的感知-执行系统而存在。实际上除了涂胶和缸体缸盖的紧固,复杂的装配过程无法也没必要通过机器人或专机完成。

    在这里,人就是一台高精度可以完成复杂动作和判断的设备。只是人不如机器稳定,因此要通过辅助工具保证装配精度,防止装配错误(例如用多个螺栓紧固法兰时,有的公司会要求装配工用标明序号的塑料片帮助按照正确对角线顺序紧固螺栓),通过数据采集系统保证装配的零件是正确的,通过电子作业书保证操作符合规程,通过认证反馈系统保证每一个环节都是可追溯的。

    因此,装配辅助终端产品将成为智能制造或工业4.0的基本装备

  3. 智能制造的基础条件:产品,工艺,流程

    如果说自动化不是智能制造的先决条件,那么什么样的企业才具备智能升级的条件呢?简单说,这个企业要对自己的生产运营了如指掌。

    产品设计至少要实现数字化,至少要有产品BOM数据库和合理的标准件和接口定义。工艺至少要清晰,作业指导书编制合理。具备以上两条才可以对产品零件设计和工艺进行梳理,通过标准化,模块化设计,合理保持产品系列的多样性和零部件的通用性。把产品设计和工艺搞明白以后才涉及到流程梳理。行业性质不同,市场战略不同,产品结构不同因此生产现场的流程没有一个最优的标准,更不可能套用国外经验(也许ERP项目可以套用发达国家现成的管理流程,但是智能制造项目绝无可能套用现成模板),只能够对现有流程进行定义,分析和再造。

    一个管理出色的生产型企业很容易上智能制造项目,一个管理混乱的生产企业还是先考虑是否要战略转型吧。

  4. 理解智能制造:智能制造旨在辅助人而非替代人

    现阶段由于机器人复杂装配难以实现,因此在很多环节人的作用是不可被替代的。在智能系统的设计过程中必须充分考虑人的因素,通过产品和生产系统的鲁棒性设计使得人为因素无法对产品的最终质量产生影响。

    智能制造系统不是用机器替代人,而是帮助人轻松有效高质量地完成生产任务,说得极端一些,在智能制造系统里,即便让没经过专业训练的工人甚至残疾人进行作业,产品质量和生产效率完全不会受影响。另外,很多传统工业工程方法也可以通过将人的动作标准化,规范化,进而保证作业质量同时减少劳动强度,提高生产效率。

    在企业上智能制造项目时,暂时难以用机器实现的工序可以由人来完成,通过人机交互终端和辅助工具来帮助操作员进行生产作业。当机器人或其他运动控制技术成熟后,再用专机或机器人替代人,将信息交互终端直接对机器下达作业指令。因此在智能制造升级过程中,很多技术路线和升级顺序是需要仔细考量的。

以上正文



扩展阅读

为保持研究的完整性,再配一个法拉利发动机制造视频,铝合金缸体精铸工艺值得注意。实际上我们有很多客户和合作伙伴都有很强的铸造工艺,可以与中国厂商合作。


图为宝马发动机铸造件(钢件),采用熔模铸造,用泡沫加工消失模,便于大批量加工,成本低廉。

左图为泡沫消失模,将数模零件拆解为便于机加的若干部分,加工完成后用胶水连接成铸件形状。由于泡沫具有一定刚性,因此便于通过机械方式自动紧密填充成砂型。该工艺制成的砂型紧密耐冲击和一定压力,因此铸件表面精度高。

下图为豹II柴油发动机铝合金铸造缸体。表面质量极佳。


作者简介:
吴昊阳,德国智能制造系统(MAKA Systems GmbH, www.maka.com)中国区负责人,技术顾问(https://www.maka.com/cms/main/380.0.html)。微信公众平台:智能制造解决方案(ID:MAKA_Systems_GmbH)。

负责专用自动化制造系统的方案设计与项目实施,在航空航天,铁路,汽车等行业的复杂零件自动化生产专用设备的系统开发和概念设计方面具有丰富的理论和实践经验;目前开始针对工业4.0/中国制造2025/中国制造转型升级等概念和课题开展理论性研究,并针对实际项目提供咨询服务和技术解决方案。

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来源:吴昊阳先生供稿

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