智能制造与数字化工厂

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,，,Information Technology,）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,5m,，精密级,1m,，超精密,0.01m,数控装置,MTBF,值达,60000h,以上，伺服系统达,30000h,3,、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. Shu Zhang,Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University,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,IT服务,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,车展,工厂环保与节能,IT服务,信贷,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,培训,电子,商务,电子,商务,保险,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,Andy Neely,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,ERP,PDM,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,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，决策过程更直观，决策结果更合理,协同管理,：解决各环节信息不对称问题，减少沟通成本，支撑协同制造,计划,商务,物流,生产,商务,生产,装配,资源,采购,加工,物流,物流,商务,制造,计划,部门协作实时化,资源配置优化,制造响应敏捷化,计划,制造,物流,分层的生产管控模式,技术,质保,技术,质保,协同的生产管控模式,实施数字化工厂后,实施数字化工厂前,车间生产透明化,计划,生产,技术,质保,商务,物流,实施数字化工厂带来的收益,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,数字化工厂的典型基本组成,UniMax PCT,UniMax MES,UniMax MMS,UniMax TLC,UniMax UID,UniMax SmartNest,UniMax Xplanner,IntegraNet,其他信息系统集成,硬件接口,焊装,-,涂装,-,总装车间,流水型生产,解决方案,与应用,冲压车间,作业型生产,发动机加工,/,装配车间,混合型生产,自主品牌汽车生产企业（江淮、奇瑞、海马、江铃、中国重汽、万山等）,焊装,-,涂装,-,总装车间,流水型生产,多车间关联优化,工艺序列优先的,混合排程,加工,/,装配物料配送,硬件装置,与软件系统,优化技术,与算法,在制品跟踪与生产过程可视化监控系统,车间信息采集终端,车身路由控制器,配色验证控制,器,智能料架,物料匹配装置,数字化工厂解决方案：汽车,工艺过程优化,多车间生产排序,涂胶工艺切换装置,缸体工装快速,切换装置,生产数据采集,车身识别,缸盖,3D,扫描,数据采集识别,中央控制,涂装路由控制,PBS,路由控制,生产执行控制,物料精准配送,物料搬运,物料匹配,智能料架,数字化工厂解决方案：汽车,支持多条生产线：,11,条冲压线、,3,条焊装线、,2,条涂装线、,3,条总装线,支持六大平台八种车型：,瑞风（,MPV,）、瑞鹰（,SUV,）、宾悦、同悦、和悦、悦悦（轿车）,江淮汽车,案例介绍：江淮汽车,案例介绍：江淮汽车,实施,MES,之前存在的主要问题,主要问题,体现,具体现象,过程不透明,信息发布,手段落后,生产指令基本靠手工发布（白板）,关键件装配信息仅凭操作工人经验,数据采集,不实时,靠,ERP,的,HMI,完成，操作不方便,没有断线重发功能，数据容易丢失,各车间按照不同的标识管理在制品,生产数据不能实时反应到系统中,沟通不及时,各车间在制品分开管理，无法全局控制,生产状况靠电话沟通，不够实时,、,准确,生产过程不可视,生产不优化,计划制定不合理,冲压车间受瓶颈资源制约，设备利用率低于,70%,总装车间关键件装配切换频繁,经常因为上游供应不足或者下游生产能力不足影响生产,物料配送,繁杂易出错,完全手工生成配送清单，工作量大,信息滞后，导致配送不够及时,物料短缺经常导致停线，平均每天损失,15,万元以上,关重件,无历史纪录，无法追溯,信息孤岛,多信息源未能有效集成,各种系统，操作复杂，种类繁多，无法进行有效数据交换,(ERP,、离线条码扫描、焊装打码机、总装打码机、,VIN,码打印机、大洋软件、,RFID,数据采集系统,),主要工作之一：建立了车间实时信息采集与处理平台,汽车整车生产四大工艺,案例介绍：江淮汽车,9/23/2024,41,主要工作之二：,生产运作优化,冲压,焊接,涂装,总装,效果：,提高关键件相似度,20%,以上,冲压车间,高级排程,涂装车间,配色规划,总装车间,混流排序,焊装,-,涂装,-,总装,关联优化排序,案例介绍：江淮汽车,9/23/2024,42,主要工作之三：物流执行优化,冲压件考虑焊装需求拉动和经济批量，降低安全库存,发动机加工,/,装配协同，减少在制品库存和储运成本,总装车间物料需求实时按需发布，大幅减少物料短缺导致的停线,“,焊装,-,涂装,-,总装”在制车身自动路由技术，减少物流成本,案例介绍：江淮汽车,主要工作,之四：,集成已有软硬件平台，消除信息孤岛,主要工作,实施,MES之前,实施,MES之后,实现软硬件信息集成,存在各种管理系统，操作复杂，种类繁多，无法进行有效数据交换,(ERP、离线条码扫描、焊装打码机、总装打码机、VIN码打印机、大洋软件、RFID数据采集系统),自动获取,ERP,数据,集成焊装、总装车间的三类打码机,集成,RFID,系统,VIN,码生成及打印,取代大洋软件等遗留系统,实施前后的对比,案例介绍：江淮汽车,9/23/2024,44,案例介绍：江淮汽车,实施前,实施后,实施效果,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,数字化工厂解决方案：工程机械行业,智能化加工设备,DNC,智能化机械手,智能刀具管理,中央控制室,现场,Andon,现场监视装置,智能加工中心与生产线,智能化仓储,/,运输与物流,智能化生产执行过程管控,智能化生产控制中心,数字化工厂,自动化立体仓库,AGV,智能小车,公共资源定位系统,高级计划排程,执行过程调度,数字化物流管控,数字化质量检测,案例介绍：三一重工,三一重工为打造世界一流混凝土泵送机械制造基地,而,投资兴建,建筑,面积,：,10,万平方米,，,是亚洲最大的生产厂房,应用对象：,18#,厂房,十八号厂房,一号厂房,二号厂房,三号厂房,五号厂房,七号厂房,八号厂房,六号厂房,中心仓库,钢材库,胶管库,现有制造系统存在的问题,现有物流配送模式主要为推式模式，泵车每天分,2,次配送、车载泵每天,1,次配送、拖泵按三台套配送，线边库存占用量大,配送提前期长，导致对现场变化响应不够敏捷；,物流过程不透明，缺件不能提前预警，补件效率低，影响生产线正常运转,人工完成配送订单的二次分配，作业难度大，错误率高,制造,设,备缺乏统一管理，导,致设,备利用率低,仓库众多，地点分散，难以实现集中管理，资源得不到共享,案例介绍：三一重工,案例介绍：三一重工,已完成车间机加设备的研发采购与安装调试，部分完成智能上料机械手、,DNC,实时监控装置及刀具管理系统的购置和开发,主要构成之一：,智能加工中心与生产线,主要构成之二：,智能化仓储与运输配送装置,已完成自动化立体仓库软硬件系统、配套立库托盘、,AGV,系统的采购和开发,案例介绍：三一重工,案例介绍：三一重工,已对泵送,18,号厂房环境，业务部门需求进行初步需求调研,，完成了公共制造资源规划，确定,了项目范围。,主要构成之三：,公共资源定位软硬件系统,主要构成之四：,数字化加工车间计划与执行管控软硬件系统,案例介绍：三一重工,加速物料流动，提高转运效率，,节约物流空间；,实现台套制配送，减少装配中的物料取用时间，提高生产效率；,实现物流小批量多频次拉动模式，保证物料配送准时化，促进精益生产。,通过精益配送模式实现配送准时化,发,布,时间,下架,时间,工艺时间,生产循环时间,消耗点,分,拣,时间,组盘,时间,排队,时间,装车,时间,运输,时间,卸货,时间,安全时间,发布点的选择：保证生产顺序不变,精益存储,精益分拣,精益配送,精益生产,案例介绍：三一重工,主要构成之五：,数字化加工车间物流执行软硬件系统,案例介绍：三一重工,可视化指令发送与业务指导,现场生产实时数据驱动三维虚拟工厂环境展示,生产现场的历史回放,可视化环境下的跨部门协同工作支持,主要构成之六：,生产控制中心（,PCC,）中央控制软硬件系统,54,物流成,本降低,20%,以上,生产线效,率提高,5%,信息化系,统自动化程度显著提高,智能在线拣货,智能实时跟踪,按时、按量、优化配送,MES,物流模块,智能化技术配合信息化手段,物料标签,100%,条码化,主机标签,100%RFID,化,案例介绍：三一重工,实施效果,其他已经或正在实施的企业,奇瑞汽车,中国自主知识产权汽车的典型企业,合作内容：发动机生产系统与制造过程优化,中国商飞,中国民用大飞机制造企业,合作内容：车间生产执行管理及控制,江南机器,武器装备生产基地,合作内容：装配型生产,MES,实施,中国重汽,重型汽车生产骨干企业,合作内容：四大工艺制造执行系统开发,奇瑞汽车,（汽车）,江南机器,（装备）,中国重汽,（整车）,海马汽车,（整车）,中国商飞,（飞机）,未来的发展趋势,-,实时的生产控制平台,Production Integration Center,数字化工厂典型案例：波音,787,制造工厂,通过采用数字化工厂，波音公司在制造环节取得了显著的效益：,显著提高了生产效率,减少了质量缺陷率,减少了因供应商原因导致的生产延期,Boeing 787,研制周期缩短至,1/3,，研制成本降低,50%,新一代战神航天运载工具的研制和,C130,的航空电子升级中，缩短装配工期,57%,数字化工厂典型案例：波音,787,制造工厂,PCT,采购管理,人员,质量管控,人员,全球物流专家,供应商,管理人员,技术,工程师,视频会议,技术支持,物流准备,环境预警,生产监控,车间,车间,装配现场,生产、装配现场,全球供应商工厂,.,高清视频、生产信息、物流信息等,技术,支持,质量管理,物流支持,采购支持,环境信息支持,生产管控,人员,数字化工厂典型案例：波音,787,制造工厂,校企合作方向建议,一、基于移动互联技术的工厂内信息传递,二、物联网技术在制造业的应用,三、移动通信网络在制造物流中的应用,四、具有广域互联能力的智能化装备,61,谢 谢！,