智能制造与数字化工厂培训

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的应用引起起机械产品品本身内涵涵发生根本本性变化简化机械结结构缩短制造周周期提高制造精精度提升装备性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智能化的基基础1、平台全数数字化现场总线、、码盘到伺伺服的连接接、驱动单单元等全数数字化高档系统普普遍采用现现场总线方方式2、高速、高高精、高可可靠先进数控机机床加速度度可达10g，快移速度度达720m/min普通数控加加工精度5μm，精密级1μm，超精密0.01μμm数控装置MTBF值达60000h以上，伺服服系统达30000h3、智能化、、网络化、、复合化加工参数自自调整、防防碰撞、误误差补偿、、颤振预测测抑制等从单一的数数据传输向向网络监控控、维护与与管理方向向发展同时完成复复杂零件的的主要乃至至全部加工工工序现场总线高速纳米插插补加工参数自自动调整制造装备智智能化的内内涵Prof.ShuZhangInstituteonAdvancedManufacturingTechnology,TongjiUniversity操作权限指纹确认加工任务完完成情况和和机床状态可可用手机查查询数码相机信息塔(e-Tower)机床信息化化，具有语语音、文本本和视像等等通讯功能能。与生产产计划调度度系统联网网，实时反反映机床工工作状态和和加工进度度操作权限指指纹确认。。工件试切切时，可在在屏幕上观观察加工过过程。故障障报警显示示、在线帮帮助排除。。智能化与自自主管理智能化制造造装备—国内外进展展知道本系统统的加工能能力和状态态能够监控和和自主优化化加工过程程能够自行度度量工作（（输出）的的质量能够不断持持续学习和和提高自己己的能力智能化与自自主管理智能通讯单元智能化制造造装备—国内外进展展制造业的服服务化趋势势领先的制造造企业不再再只关注产产品的生产产加工，而而是将市场场拓展至产产品的整个个生命周期期，包括产产品开发或或改进、生生产加工、、销售、售售后服务、、产品报废废、产品解解体或回收收整车租赁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

保险以汽车行业业为例：根据德勤在在全球80家大型制造造业公司中中的调研，，服务收入入占总销售售收入的平平均值超过过25%；有19%的制造业公公司的服务务收入超过过总收入的的50%。全球制造业业中服务业业务所占比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%*数据来自德德勤公司研研究报告《基于全球服服务业和零零件管理调调研》制造业的服服务化趋势势根据AndyNeely对全球球13000家制造造业上上市公公司研研究的的结果果，发发达国国家制制造业业服务务化的的水平平明显显高于于正处处在工工业化化进程程中的的国家家。美国制制造与与服务务融合合型的的企业业占制制造企企业总总数的的58%，而中中国制制造业业的服服务化化进程程相对对落后后，具具备服服务型型制造造能力力的企企业仅仅占所所有企企业的的2.2％。制造业业的服服务化化趋势势IBM曾经仅仅是硬硬件制制造商商，经经过十十余年年的业业务整整合，，现已已成功功转型型为全全球最最大的的“提提供硬硬件、、网络络和软软件服服务的的整体体解决决方案案供应应商””。在在IBM全球的的营收收体系系中，，目前前大约约有55%的收入入来自自IT服务。。ROLLS-ROYCE是著名名的发发动机机公司司，是是波音音、空空客等等大型型飞机机制造造企业业的供供货商商。ROLLS-ROYCE并不直直接向向他们们出售售发动动机，，而以以“租租用服服务时时间””的形形式出出售，，并承承诺在在对方方的租租用时时间段段内，，承担担一切切保养养、维维修和和服务务。ROLLS-ROYCE通过改改变运运营模模式，，扩展展发动动机维维护、、发动动机租租赁和和发动动机数数据分分析管管理等等服务务，通通过服服务合合同绑绑定用用户，，服务务收入入达到到公司司总收收入的的55%以上。。制造产产业服服务化化的典典型案案例提纲纲一、两两化融融合下下的数数字化化与智智能化化制造造二、数数字化化工厂厂概述述三、相相关研研究与与案例例什么是是数字字化工工厂数字化化工厂厂以MES为核心心，对工工厂内内的制制造资资源、、计划划、流流程等等进行行管控控数字化化工厂厂与产产品设设计层层有紧紧密关关联，，是设设计意意图的的物化化环节节通过系系统集集成，，数字字化工工厂还还与企企业层层和设设备控控制层层实时时交换换数据据，形形成制制造决决策、、执行行和控控制等等信息息流的的闭环环数字化化工厂厂的工工作范范围WIP跟踪(工位/工序/部件)各工位位关重重件安安装匹匹配查查验生产报报工与与节拍拍价值值分析析各型号号/各订单单的完完工情情况各工位位/各关重重件实实作工工时安灯内内容信信息采采集与与发布布设备运运行状状态和和运行行参数数线边物物料的的消耗耗与配配送现场视视频采采集与与近景景分析析现场环环境(光/温/湿/尘/气)物流通通道及及设备备监控控叉车/AGV/堆垛机机运行行情况况物流设设备位位置数数字地地图显显示配送执执行状状态跟跟踪及及监控控仓库出出入库库/库存/缺料跟跟踪质量统统计分分析报报表及及异常常报告告质检现现场数数据/质检设设施数数据主机及及关重重件流流转过过程监监控质量报报表数数据/统计分分析数数据现场质质量事事故位置与与性质质分析析设备运运行状状态和和运行行参数数刀具/量具/模具在在库/在工位位装运车车辆的的定位位/跟踪/调度关键岗岗位人人员的的定位位/呼叫资源的的能力力/效率跟跟踪分分析生产过过程数数字化化质量管管控数数字化化制造资资源数数字化化现场运运行数数字化化物料管管控数数字化化管控中中心PCC生产质量物流ERPPDM设备数字化化工厂厂的核核心内内容数字化化工厂厂的分分层管管理数字化化制造造决策策与管管控层层商业智智能/制造智智能（（BI/MI）：可针针对质质量管管理、、生产产绩效效、依依从性性、产产品总总谱和和生命命周期期管理理等提提供业业务分分析报报告无缝缩缩放和和信息息钻取取：通过先先进的的可定定制可可缩放放矢量量图形形技术术，使使用者者可充充分考考虑本本企业业需求求及行行业特特点，，轻松松创建建特定定的数数据看看板、、图形形显示示和报报表，，可快快速钻钻取至至所需需要的的信息息实时制制造信信息展展示：：无论在在车间间或是是公司司办公公室、、会议议室，，通过过掌上上电脑脑、PC机、大大屏幕幕显示示器，，用户户都可可以随随时获获得所所需的的实时时信息息数字化化工厂厂的分分层管管理数字化化制造造执行行层先进排排程与与任务务分派派：通过对对车间间生产产的先先进排排程和和对工工作任任务的的合理理分派派，使使制造造资源源利用用率和和人均均产能能更高高，有有效降降低生生产成成本质量控控制：：通过对对质量量信息息的采采集、、检测测和响响应，，及时时发现现并处处理质质量问问题，，杜绝绝因质质量缺缺陷流流入下下道工工序所所带来来的风风险准时化化物料料配送送：通过对对生产产计划划和物物料需需求的的提前前预估估，确确保在在正确确的时时间将将正确确的物物料送送达正正确的的地点点，在在降低低库存存的同同时减减少生生产中中的物物料短短缺问问题及时响响应现现场异异常：：通过对对生产产状态态的实实时掌掌控，，快速速处理理车间间制造造过程程中的的生产产过程程中常常见的的延期期交货货、物物料短短缺、、设备备故障障、人人员缺缺勤等等各种种异常常情形形数字化化工厂厂的分分层管管理数字化化制造造装备备层（（工位位层））实时硬硬件装装备集集成：：通过对对数控控设备备、工工业机机器人人和现现场检检测设设备的的集成成，实实时获获取制制造装装备状状态、、生产产过程程进度度以及及质量量参数数控制制的第第一手手信息息，并并传递递给执执行层层与管管控层层，实实现车车间制制造透透明化化，为为敏捷捷决策策提供供依据据多源异异构数数据采采集：：采用了了先进进的数数据采采集技技术，，可以以通过过各种种易于于使用用的车车间设设备来来收集集数据据，同同时确确保系系统中中生产产活动动信息息传递递的同同步化化和有有效性性生产指指令传传递与与反馈馈：支持持向现现场工工业计计算机机、智智能终终端及及制造造设备备下发发过程程控制制指令令，正正确、、及时时地传传递设设计及及工艺艺意图图设备控制电子看板按灯智能料架条码扫描RFID数字字化化工工厂厂的的典典型型应应用用场场景景数字字化化工工厂厂的的作作用用：：以以汽汽车车工工业业为为例例2010年，，国国务务院院发发展展研研究究中中心心《汽车车产产业业蓝蓝皮皮书书》发布布比比较较结结果果：：日日本本汽汽车车工工业业91.62分，，中中国国汽汽车车工工业业54.33分自主主品品牌牌汽车车工工业业发发达达国国家家品种种效率率3.5分钟钟/辆（江江淮淮商商务务车车））48秒/辆（日日本本本本田田轿轿车车、、商商务务车车共共线线））质量量1000多种种变变型型共共线线4000多种种变变型型共共线线（2000年丰丰田田Coronas装配配线线））224个PP100（每每百百辆辆新新车车问问题题数数））135个PP100（每每百百辆辆新新车车问问题题数数））———2010年J.D.Power亚太太公公司司中中国国新新车车质质量量研研究究报报告告数字字化化工工厂厂的的作作用用：：以以汽汽车车工工业业为为例例设备备能能力力生产产过过程程管管控控与与优优化化能能力力要实实现现上上述述目目标标，，设备备的的智智能能化化水水平平和和生生产产过过程程管管控控与与优优化化的的能能力力缺缺一一不不可可多品品种种高效效率率低成成本本高质质量量在设设备备能能力力逐逐步步提提升升的的情情况况下下，，制制造造环环节节的的数数字字化化管管控控与与优优化化能能力力不不足足更更显显突突出出，，已已成成为为我我国国汽汽车车工工业业与与国国外外差差距距的的主主要要原原因因之之一一。。因上上游游车车间间供供应应不不足足引引起起的的停停线线次次数数减减少少26%因下下游游车车间间能能力力不不足足引引起起的的停停线线次次数数减减少少29%技术术指指标标对对比比：：实际际工工程程应应用用前前后后对对比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/辆上游游供供应应不不足足下游游能能力力不不足足物料料短短缺缺负荷荷超超限限设备备故故障障次数数实施施数数字字化化工工厂厂带带来来的的收收益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%用于于奇奇瑞瑞、、江江淮淮、、一一汽汽海海马马等等自自主主品品牌牌汽汽车车生生产产典型型案案例例：：汽汽车车行行业业实施施数数字字化化工工厂厂带带来来的的收收益益实施施数数字字化化工工厂厂带带来来的的收收益益冲压压在在制制品品库库存存降降低低30%商务务车车生生产产节节拍拍从从3.5分钟钟缩缩短短至至2.5分钟钟，，轿轿车车生生产产节节拍拍从从96秒缩缩短短至至88秒基本本消消除除了了因因为为物物料料短短缺缺导导致致的的非非正正常常停停线线典型型案案例例：：江江淮淮汽汽车车典型型案案例例：：奇奇瑞瑞汽汽车车发发动动机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分钟用于于奇奇瑞瑞汽汽车车4大系系列列20余种种发发动动机机混混流流生生产产实施施数数字字化化工工厂厂带带来来的的收收益益实施施数数字字化化工工厂厂带带来来的的收收益益能为为客客户户解解决决的的问问题题制造造现现场场：使使制制造造过过程程透透明明化化，，敏敏捷捷响响应应制制造造过过程程中中的的各各类类异异常常，，保保证证生生产产有有序序进进行行生产产计计划划：合合理理安安排排生生产产，，减减少少瓶瓶颈颈问问题题，，提提高高整整体体生生产产效效率率生产产物物流流：减减少少物物流流瓶瓶颈颈，，提提高高物物流流配配送送精精准准率率，，减减少少停停工工待待料料问问题题生产质量量：更准确确的预测测质量趋趋势，更更有效的的控制质质量缺陷陷制造决策策：使决策策依据更更详实，，决策过过程更直直观，决决策结果果更合理理协同管理理：解决各各环节信信息不对对称问题题，减少少沟通成成本，支支撑协同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字化工厂厂带来的的收益提纲纲一、两化化融合下下的数字字化与智智能化制制造二、数字字化工厂厂概述三、相关关研究与与案例数字化工工厂的典典型基本本组成UniMaxPCTUniMaxMESUniMaxMMSUniMaxTLCUniMaxUIDUniMaxSmartNestUniMaxXplannerIntegraNet其他信息系统集成硬件接口焊装-涂装-总装车间间流水型生生产解决方案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关联优化化工艺序列列优先的的混合排程程加工/装配物料料配送硬件装置置与软件系系统优化技术术与算法在制品跟跟踪与生生产过程程可视化化监控系系统车间信息息采集终终端车身路由由控制器器配色验证证控制器智能料架架物料匹配配装置数字化工工厂解决决方案：：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工厂解决决方案：：汽车支持多条条生产线线：11条冲压线线、3条焊装线线、2条涂装线线、3条总装线线支持六大大平台八八种车型型：瑞风（MPV）、瑞鹰鹰（SUV）、宾悦悦、同悦悦、和悦悦、悦悦悦（轿车车）江淮汽车车案例介绍绍：江淮淮汽车案例介绍绍：江淮淮汽车实施MES之前存在在的主要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…)主要工作作之一：：建立了了车间实实时信息息采集与与处理平平台汽车整车生产四大工艺案例介绍绍：江淮淮汽车12/13/202241主要工作作之二：：生产运作作优化冲压焊接涂装总装效果：提高关键件相似度20%以上冲压车间间高级排程程涂装车间间配色规划划总装车间间混流排序序焊装-涂装-总装关联优化化排序案例介绍绍：江淮淮汽车12/13/202242主要工作作之三：：物流执执行优化化冲压件考考虑焊装装需求拉拉动和经经济批量量，降低低安全库库存发动机加加工/装配协同同，减少少在制品品库存和和储运成成本总装车间间物料需需求实时时按需发发布，大大幅减少少物料短短缺导致致的停线线“焊装-涂装-总装”在在制车身身自动路路由技术术，减少少物流成成本案例介绍绍：江淮淮汽车主要工作作之四：：集成已已有软硬硬件平台台，消除除信息孤孤岛主要工作实施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后的对比比案例介绍绍：江淮淮汽车12/13/202244案例介绍：：江淮汽车车实施前实施后实施效果冲压在制品品库存降低低30%商务车生产产节拍从3.5分钟缩短至至2.5分钟，轿车车生产节拍拍从96秒缩短至88秒基本消除了了因为物料料短缺导致致的非正常常停线数字化工厂厂解决方案案：工程机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室现场Andon现场监视装装置智能加工中中心与生产产线智能化仓储储/运输与物流流智能化生产产执行过程程管控智能化生产产控制中心心数字化工厂厂自动化立体体仓库AGV智能小车公共资源定定位系统高级计划排排程执行过程调调度数字化物流流管控数字化质量量检测案例介绍：：三一重工工三一重工为为打造世界界一流混凝凝土泵送机机械制造基基地而投资兴建建筑面积：10万平方米，是亚洲最大大的生产厂厂房应用对象：：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系统存在的的问题现有物流配配送模式主主要为推式式模式，泵泵车每天分分2次配送、车车载泵每天天1次配送、拖拖泵按三台台套配送，，线边库存存占用量大大配送提前期期长，导致致对现场变变化响应不不够敏捷；；物流过程不不透明，缺缺件不能提提前预警，，补件效率率低，影响响生产线正正常运转人工完成配配送订单的的二次分配配，作业难难度大，错错误率高制造设备缺缺乏统一管管理，导致致设备利用用率低仓库众多，，地点分散散，难以实实现集中管管理，资源源得不到共共享案例介绍：：三一重工工案例介绍：：三一重工工已完成车间间机加设备备的研发采采购与安装装调试，部部分完成智智能上料机机械手、DNC实时监控装装置及刀具具管理系统统的购置和和开发主要构成之之一：智能加工中中心与生产产线主要构成之之二：智能化仓储储与运输配配送装置已完成自动动化立体仓仓库软硬件件系统、配配套立库托托盘、AGV系统的采购购和开发案例介绍：：三一重工工案例介绍：：三一重工工已对泵送18号厂房环境境，业务部部门需求进进行初步需需求调研，，完成了公公共制造资资源规划，，确定了项项目范围。。主要构成之之三：公共资源定定位软硬件件系统主要构成之之四：数字化加工工车间计划划与执行管管控软硬件件系统案例介绍：：三一重工工加速物料流流动，提高高转运效率率，节约物流空空间；实现台套制制配送，减减少装配中中的物料取取用时间，，提高生产产效率；实现物物流小小批量量多频频次拉拉动模模式，，保证证物料料配送送准时时化，，促进进精益益生产产。通过精精益配配送模模式实实现配配送准准时化化发布时间下架时间工艺时时间生产循循环时时间消耗点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时间发布点点的选选择：：保证证生产产顺序序不变变精益存存储精益分分拣精益配配送精益生生产案例介介绍：：三一一重工工主要构构成之之五：：数字化化加工工车间间物流流执行行软硬硬件系系统案例介介绍：：三一一重工工54可视化化指令令发送送与业业务指指导现场生生产实实时数数据驱驱动三三维虚虚拟工工厂环环境展展示生产现现场的的历史史回放放可视化化环境境下的的跨部部门协协同工工作支支持主要构构成之之六：：生产控控制中中心（（PCC）中央央控制制软硬硬件系系统物流成成本降降低20%以上生产线线效