工业4.0发展方向之——钣金柔性化生产方案

【导读】
工业4.0发展方向下的钣金柔性生产模式,是一种智能化的生产方式,整个生产过程中极少的人工干预,由智能系统在生产的各个层面上进行自动控制,现代自动化控制使大批量生产实现
工业4.0发展方向下的钣金柔性生产模式,是一种智能化的生产方式,整个生产过程中极少的人工干预,由智能系统在生产的各个层面上进行自动控制,现代自动化控制使大批量生产实现“无人化”,而未来智能化控制使个性化生产亦能“无人化”,从而小批量柔性生产的低成本和高质量。
 
1概述
中国的经济增速正趋于平缓,国内外市场竞争激烈,由于大量企业缺少自主研发的核心技术,加之劳动力成本上升,中国制造业的赢利空间在进一步减少。与此同时,互联网、云计算、大数据、机器人等技术迅速崛起,将使全球经济形态和竞争模式发生巨大变化。世界各工业强国无一不重视全面信息化对制造业的影响,尤其是德国提出的“工业4.0”概念,被认为可能开启新一轮工业革命。
 
“工业4.0”主要分为三个主题,分别是智能工厂、智能生产和智能物流。对于中国而言,制造业的发展同样指向智能,唯有智能地调配资源、智能地选择生产方式,才能在未来的竞争中抢占制高点。工业4.0时代,将使生产制造的各个环节变得高度灵活、柔性和智能,使低成本实现个性化生产成为可能。

 

2传统制造业中的钣金柔性生产
2.1钣金加工工艺
钣金,一种加工工艺。钣金至今为止尚未有一个比较完整的定义。但通常认为钣金是针对金属薄板(通常在6mm以下)一种综合工艺。钣金具有重量轻、强度高、导电(能够用于电磁屏蔽)、成本低、大规模量产性能好等特点,在电子电器、通信、汽车工业、医疗器械等领域得到了广泛应用,例如在控制机柜、汽车、消费产品,钣金是必不可少的组成部分。
 
钣金的生产模式通常有两种:一种是大规模标准产品生产,另一种是小批量柔性生产。大规模标准产品生产可使用专用模具和机械式自动化模式生产,例如汽车,家电等行业,产品质量高、速度快、成本低。而小批量柔性生产是为了满足工业生产中个性化需求,例如控制机箱柜、操作台等,很难大规模使用专用模具和机械式自动化生产,因此,产品质量一致性不高,效率偏低,成本较高。
 
钣金生产工艺通常包括:冲孔落料、钣金折弯、钣金成型、压铆、焊接、钻孔、攻螺纹等,其中,钣金柔性生产中,占生产比重最大的主要工艺为冲孔落料、钣金折弯、钣金焊接。下面就这三种主要工艺展开叙述。
 
2.2冲孔落料
冲孔落料用到的方法通常有数控冲、冷冲模、激光切割。数控冲冲孔和落料,是在数控冲床的单片机中预先输入加工程序,包括:零件尺寸、加工工具、加工路径等关键信息,通过各种指令以及不同模具的组合实现不同结构的切边、冲孔、成型等形式的加工。但数控冲不能实现复杂形状的冲孔和落料。速度快、省模具加工灵活方便,适合与中等批量的柔性生产。
 
冷冲模冲孔和落料是预先制作冷冲模,利用冷冲模冲压进行加工,适合于产量很大而零件不是很大的生产,加工效率高、一致性好、成本低,可以加工复杂造型,尤其是密孔加工,可以成排冲孔,效率极高。但冷冲模方式并适合于中小批量的柔性加工。
 
激光切割的能源供给是来源于电子放电,利用反光镜聚焦后产生激光作为热源进行切割,是一种无接触切割技术。通过预先编程,确定激光运动路径,完成各种形状的零件切割和打孔。激光可以切割各种复杂形状,且速度快、切口细、热影响区小,材料不变形、精度高、无刀具磨损,极其适合于小批量柔性生产。
 
以上大致分析了不同工艺在冲孔落料时的优缺点,在冲孔落料这一工艺步骤中,需要工艺人员根据产品结构,加工数量,质量要求,并结合工艺特点,选择合适的加工工艺,同时,在工艺的选择上有时还要迁就于车间的排产情况。
 
确定工艺方法后,还需要在设备上编写加工程序,再由工人操作机床,完成冲孔和落料的加工,加工程序的优劣,将直接影响到生产效率、加工质量、原材料损耗以及刀具的寿命。这一过程是一个复杂的过程,需要工艺人员、车间主任、车间工人等人员的协作来完成,且需要参与人员有足够的经验,否则很难做到生产质量和生产效率的最优化。
 
2.3钣金折弯
钣金折弯,指的是改变板件或板材角度的加工工艺,通常情况下,钣金折弯有两种方法,一种是利用模具进行折弯,另一种是利用折弯机来折弯。模具折弯适合于加工量大而尺寸结构不太大的情况,可以加工形状复杂的零件。折弯机折弯适合于批量小、结构大的情况。
 
钣金折弯在生产中与冲孔落料一样,也会需要在工艺、效率、质量、生产能力等因素中找到平衡点,需要有经验的工艺人员进行决策,比如模具折弯要根据零件特点设计合理的模具、折弯机折弯需要选择合适的刀具模具,并调整合理的加工参数。钣金折弯中,工人参与的程度会大于冲孔落料的人工,人为因素对最终的加工质量和效率影响比较大。
 
2.4钣金焊接
焊接,是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。焊接工艺极为复杂,属于特种工艺。常用的焊接方法就有钨极氩弧焊、熔化极气体保护、手工电弧焊、电阻焊、螺柱焊等。正规的焊接生产方法是:根据图纸,按焊缝类型、材料、焊缝要求等进行归类,确定焊接方式,同时对每一类焊缝进行焊接工艺评定,在焊接工艺评定中需要制作各种试件和试验,通过焊接工艺评定后,确定焊接中的各种参数,包括电流、电压、焊接速度、焊丝尺寸、焊丝类型、预热温度、坡口类型、钝边尺寸、间隙大小等。即使确定了这些参数,焊工的技术和经验还会对最终的焊接质量产生重大影响。因此,从生产效率上来说,焊接是一个瓶颈;从质量上来说,焊接是一块短板;从成本上来说,焊接占据了大部分。
 
2.5需要解决的问题
现有的制造工艺已经可以较好地满足钣金的加工,但是不可否认,也正是因为工艺种类的繁多,设备适用性的不同,人工操作的不确定性等因素,使传统柔性生产的效率、质量、成本等要素很难达到最优,这也是柔性钣金制造急需解决的问题。
 

3基于智能制造的钣金柔性生产
3.1分析
由于传统钣金柔性生产过程中存在的问题,使小批量个性化生产的效率较低、质量容易出现问题,生产成本很高。工业4.0的核心技术是智能技术,利用智能技术可以合理安排生产秩序,从而提高生产效率;利用智能技术可以应用专家系统,选择合理的生产工艺和技术,从而确保质量。利用智能技术可以大量减少人工干预,从而降低人力成本。
 
工业4.0模式下的钣金柔性生产,将所有生产设备及各要素置于智能控制系统下,由智能系统判断零件的可加工性并协调安排整个生产过程。
 
3.2主要工艺的智能化
主要工艺的智能化是指冲孔落料、钣金折弯、钣金焊接等主要工艺中应用智能技术,从而提高生产能力。
在冲孔落料环节,智能控制系统将依据零件的三维设计模型,将零件展开,确定冲孔落料的加工轮廓,根据轮廓的复杂程度、加工数量,技术要求,材料类型及规格以及设备的运行情况等因素选择加工工艺及设备。然后再依据加工轮廓,材料特性等自动编制加工程序,选择合理的刀具模具、激光的能量参数等,控制设备完成冲孔落料的加工过程。
 
在钣金折弯环节,智能控制系统同样依据零件的三维设计模型,确定零件的折弯位置、折弯顺序以及折弯角度,在工具库中选择刀具及模具,并通过仿真技术模拟折弯过程,从而在加工之前预知折弯结果,避免材料折弯后回弹造成的尺寸误差,最终对折弯过程和折弯精度作出自动控制。
 
在钣金焊接过程中,根据设计模型,确定焊接位置、母材类型及规格、焊接要求等从经过焊接评定的工艺库中选择最适合的焊接工艺,通过激光传感技术,对焊接前制备的坡口进行检验,并通过传感器确定环境温湿度、符合工艺要求后依据工艺规程开始焊接。焊接过程中利用焊缝跟踪技术可以修正焊缝的位置偏差,同时利用传感器监视焊接过程参数,并实时与工艺规程进行比对并控制调整。
 
完成焊接后,通过视觉传感技术,对焊缝做外观检测,判断焊缝是否合格,并将判断结果作为反馈。如果生产量大,智能系统可以积累到大量焊接信息,从而利用神经网络技术进行机器学习,在允许的范围内对焊接规程中的参数进行优化,也可以触发新的工艺评定请求。
 
3.3生产决策的智能化
生产决策智能化是智能生产的核心所在,它将企业生产的整个过程有机地结合起来,使企业能够有效地提高效率,降低库存。同时,原本各个分散的生产流程的自动连接,也使得生产过程能够前后连贯执行,而避免出现生产脱节,延误生产交货的时间。
 
生产决策智能化是一个以计划为导向的智能生产控制方法。首先,智能系统根据一个总生产计划,通过自主仿真分析计算,对生产中个要素进行层层细分后,形成一个细致的生产路径,并控制生产系统执行生产。其主要包括以下几个方面。
 
(1)主生产计划,它是根据生产计划、生产预测和客户订单的输入来安排未来各周期中提供的产品数量和种类,将生产计划向产品计划转化,在平衡了物料和生产能力后,精确到时间、数量的详细的进度计划。是企业在一段时期内的总活动的安排,是一个稳定的计划,是以生产计划、实际订单和对历史销售经过仿真分析得来的。
 
(2)物料需求计算,在主生产计划决策出生产多少数量的最终产品后,再以物料清单为依据,把整个企业待产的产品的数量推算成原材料及零部件的需求数量,并与现有的库存量做对比,可得到需采购数量、生产数量。
 
(3)生产能力分析,它是在计算得到初步的物料需求计划之后,将生产总负荷与生产能力进行对比分析,可以确定生成的物料需求是否与企业当前的生产能力上相匹配。生产能力分析可以制定一种短期的、符合当前实际应用的计划。
 
(4)车间控制,这是随时间变化的动态作业控制,是将作业排序,再进行作业分配到具体各个车间、工位,并实时管理和监控。
 

4钣金智能柔性生产中的必要条件
4.1工业专用软件
在研发设计方面,需要开发智能化的研发工具软件和工业设计软件,运用计算机辅助工程(CAE)、工业仿真等技术,提高研发设计过程的自动化、智能化水平,进一步缩短研发设计周期。在生产加工方面,需要开发智能化的工业控制软件、数控系统,智能控制、工业机器人、3D打印、计算机辅助制造(CAM)、制造执行系统(MES)、网络协同制造等技术,提升生产线和生产设备的智能化水平,利用物联网技术实现进料设备、加工设备、包装设备等的联网协作。
 
在企业管理方面,需要开发智能化的管理软件,开展ERP和MES系统的集成应用,将物联网技术应用于车间管理,实现生产管理的智能化。建立企业知识库和知识管理系统,通过对企业经营过程中的各种数据进行统计分析、联机处理和数据挖掘,实现管理决策的智能化。
 
4.2生产技术与信息化融合
在企业内部需形成信息化集成应用,以信息化推进研发设计与生产制造的集成、生产与管理的集成、生产与销售的集成、业务与财务的集成、实现各生产要素的衔接、管控一体,提高企业生产效率,降低成本,管控风险。在各部门之间,以信息化形成生产节奏协同,在各工位之间进行信息系统对接,相互共享生产信息,以提高协同效率,降低总成本。
 
4.3打造智能装备系统
对于智能化钣金柔性制造,需要高端智能制造装备,包括高档数控机床、智能工业机器人、自动化成套生产线等,同时还需要智能仪器仪表、智能工程机械等。智能装备是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合。
 

5结语
工业4.0发展方向下的钣金柔性生产模式,是一种智能化的生产方式,整个生产过程中极少的人工干预,由智能系统在生产的各个层面上进行自动控制,现代自动化控制使大批量生产实现“无人化”,而未来智能化控制使个性化生产亦能“无人化”,从而小批量柔性生产的低成本和高质量。
 

  • 2019-10-08 11:10
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