長安福特?zé)岢尚蛿?shù)字化車間“煅造”之路

長安福特汽車有限公司熱成型車間位于北部新區(qū)黃茅坪，總占地面積170畝，總投資約1.04億美元。包括板料存放、模具/設(shè)備維修、熱成型生產(chǎn)線、激光切割單元、檢具存放、夾具存放、油品存放區(qū)域、半成品/成品庫房、能源供應(yīng)、輔房等區(qū)域。設(shè)計(jì)年產(chǎn)能380萬件零件，該項(xiàng)目2015年12月動(dòng)工，2017年10月開始設(shè)備安裝，2018年5月建設(shè)完成，8月開始量產(chǎn)。目前主要為C519/C482/C483/CD542等車型提供熱成型零件，共計(jì)38種零件。

01 總體架構(gòu)

熱成型車間主要生產(chǎn)設(shè)備包括2條熱成型生產(chǎn)線和8臺(tái)激光切割機(jī)，藍(lán)光檢測單元用于產(chǎn)品和檢具的質(zhì)量檢測和控制，Maximo系統(tǒng)用于設(shè)備維護(hù)計(jì)劃和維護(hù)工單的管理，重要故障的記錄和跟蹤改善等。通過MES系統(tǒng)將所有的生產(chǎn)設(shè)備和來料、半成品、成品、交付等全部集成為一個(gè)完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，收集相關(guān)的數(shù)據(jù)用于生產(chǎn)組織并生成需要的報(bào)表。Maximo系統(tǒng)用于設(shè)備、模具、夾具的維護(hù)計(jì)劃和工單的管理，確保設(shè)備和工裝維護(hù)滿足生產(chǎn)需要。

車間布局圖如下：

根據(jù)交付需求由MES系統(tǒng)生成熱成型生成計(jì)劃，由生產(chǎn)計(jì)劃生成板料需求并通知供應(yīng)商供應(yīng)材料，材料到廠后，由熱成型生產(chǎn)線生產(chǎn)出半成品零件并入庫，掃描下線半成品貨箱上的RFID標(biāo)簽生成半成品庫存，MES系統(tǒng)根據(jù)半成品/成品庫存和交付需求生成激光切割生產(chǎn)計(jì)劃，激光切割機(jī)對半成品切邊和切孔生產(chǎn)出成品零件并入庫，掃描下線成品貨箱上的RFID標(biāo)簽生成成品庫存。MES系統(tǒng)根據(jù)成品庫存安排交付。車間數(shù)字化裝備及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖。

熱成型數(shù)字化車間制造過程框圖如下。車間從物流系統(tǒng)得到零件的交付需求后，制造系統(tǒng)判斷成品庫存不足需要生產(chǎn)時(shí)，先檢查半成品庫存，如還是不足，則自動(dòng)生成熱成型生產(chǎn)計(jì)劃，當(dāng)半成品庫存足夠后，再生成激光切割生成計(jì)劃，當(dāng)成品庫存足夠后就可以正常交付。生產(chǎn)計(jì)劃全自動(dòng)完成，生產(chǎn)和物流團(tuán)隊(duì)按系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行。

02  建設(shè)方案

熱成型生產(chǎn)線

熱成型生產(chǎn)線由西班牙Loire SAFE公司集成，設(shè)計(jì)速度10~15秒/沖次，每條生產(chǎn)線包含ABB機(jī)器人（兩臺(tái)）、Schwartz加熱爐、 Strothmann上下料機(jī)械手、Loire伺服液壓機(jī)、線尾傳送帶等。主要特點(diǎn)：

用Profinet網(wǎng)絡(luò)將整個(gè)生產(chǎn)線的各個(gè)設(shè)備連接起來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊和控制，材料上線后，生產(chǎn)線自動(dòng)完成拆垛、打標(biāo)、放料、加熱、傳輸、對中、上料、沖壓、下料等生產(chǎn)全過程，任何一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)異常，生產(chǎn)線會(huì)自動(dòng)做出響應(yīng)，避免不合格零件產(chǎn)生，操作者能通過主操作屏看到異常信息，并采取對應(yīng)的行動(dòng)。

每條生產(chǎn)線都安裝有一套高清攝像監(jiān)控系統(tǒng)對生產(chǎn)線的各個(gè)關(guān)鍵生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，用于異常情況的調(diào)查和分析。

壓機(jī)上下料過程有一套視覺系統(tǒng)監(jiān)控板料出爐溫度、放料位置、零件下線溫度，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即停止生產(chǎn)，確保產(chǎn)品質(zhì)量合格。

一鍵啟動(dòng)全自動(dòng)換模，生產(chǎn)的零件需要更換時(shí)，生產(chǎn)線可自動(dòng)交換拆垛端拾器、上下料端拾器、模具，拆垛站、加熱爐、壓機(jī)等設(shè)備的工藝參數(shù)也同步自動(dòng)交換，換模時(shí)間不超過20分鐘就可以生產(chǎn)出新的零件。

激光切割單元

采用TRUMPF（通快）8030激光切割單元，共計(jì)8套。該設(shè)備是5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，激光功率3KW，最大切割速度20米/分鐘。用激光束對高強(qiáng)度的半成品零件進(jìn)行孔和邊緣的高速切割，該單元采用雙轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)，可以一邊切割，一邊進(jìn)行上下料。使用三維仿真軟件，根據(jù)零件的數(shù)模自動(dòng)生成切割程序，并模擬測試，減少在線編程和調(diào)試時(shí)間。每臺(tái)切割機(jī)倉內(nèi)安裝有高清攝像頭，每4臺(tái)的攝像系統(tǒng)匯總到一起，可以在線觀察切割情況，也可通過回放調(diào)查異常情況。

藍(lán)光檢測單元

該單元由海克斯康公司集成，主要用于檢具的測量（標(biāo)定）、零件三維全尺寸測量，確保檢具使用前的精度，每批次抽檢零件進(jìn)行全尺寸測量，確保零件尺寸合格。

采用FANUC通用6軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人，搭載海克斯康藍(lán)光掃描檢測系統(tǒng)，雙轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)，可以一邊測量，另外一邊進(jìn)行新測量夾具/零件的安裝。

使用三維仿真軟件，根據(jù)測量對象的數(shù)模自動(dòng)生成測量程序，并模擬測試，減少在線編程和調(diào)試時(shí)間。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析生成報(bào)告，用于產(chǎn)品質(zhì)量的控制和優(yōu)化。

Maximo系統(tǒng)

該系統(tǒng)為福特公司采用的設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)，用于設(shè)備/模具/夾具的維護(hù)計(jì)劃、維護(hù)工單的管理、故障分析、事件管理。每周自動(dòng)生成維護(hù)工單，依據(jù)工單進(jìn)行設(shè)備維護(hù)；出現(xiàn)預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的故障時(shí)間，進(jìn)行故障分析并將故障報(bào)告錄入系統(tǒng)。

生產(chǎn)管理系統(tǒng)（MES）

車間的主要生產(chǎn)設(shè)備獨(dú)立使用無法發(fā)揮最大效益，需要一套生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，公司授權(quán)人員通過辦公電腦就可以實(shí)時(shí)讀取所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，查看需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的生產(chǎn)管理。熱成型車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)由重慶微標(biāo)科技股份有限公司集成。該系統(tǒng)包含以下部分：

車間設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集情況

根據(jù)長安福特網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，MES系統(tǒng)搭建CPN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過CPN網(wǎng)絡(luò)連接壓機(jī)生產(chǎn)線，切割機(jī)生產(chǎn)線，質(zhì)量檢測系統(tǒng)，RFID綁定系統(tǒng)，廣播大屏，實(shí)現(xiàn)私有網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)收集，保障系統(tǒng)安全。

獲取沖壓線、激光切割機(jī)生產(chǎn)產(chǎn)量數(shù)據(jù)，模具數(shù)據(jù)，夾具數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)跟蹤，可跟蹤到各零件模具并進(jìn)行設(shè)備事件識別和維護(hù)，并對生產(chǎn)計(jì)劃統(tǒng)計(jì)顯示生產(chǎn)績效，KPI包括：HPH（小時(shí)產(chǎn)能）、EO（有效輸出）、沖次數(shù)、ADCT（平均換模時(shí)間）、PPH（小時(shí)零件數(shù)）、FTT（一次下線合格率）、Throughout To Potential （潛力）、Availability （可用率）、性能效率、OEE（設(shè)備綜合效率）、設(shè)備停線率趨勢圖、設(shè)備停線分布餅圖。生產(chǎn)績效用于用戶獲知、分析生產(chǎn)過程中問題，指導(dǎo)以后的生產(chǎn)。統(tǒng)計(jì)績效需可按不同生產(chǎn)周期(日、周、月、季、年)、不同生產(chǎn)線、不同班別人員、不同模具統(tǒng)計(jì)，并可以以圖形導(dǎo)出到Excel文件中或熱成型沖壓工廠指定格式圖形、圖表。

生產(chǎn)過程執(zhí)行情況

車間計(jì)劃與調(diào)度情況：根據(jù)當(dāng)前物料庫存、車間消耗計(jì)劃以及車間排班規(guī)則，并結(jié)合生產(chǎn)拉動(dòng)點(diǎn)和零件安全庫存信息進(jìn)行計(jì)劃排產(chǎn)，系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)劃與實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃同步。實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，自動(dòng)切換系統(tǒng)生成計(jì)劃，保證下線綁定零件信息和生產(chǎn)信息的準(zhǔn)確性。在切換期間系統(tǒng)有可靠的放錯(cuò)、防呆措施。

工藝執(zhí)行情況：自動(dòng)拉動(dòng)與e-看板零件拉動(dòng)類似。根據(jù)零件庫存，自動(dòng)結(jié)合拉動(dòng)條件，拉動(dòng)材料配送計(jì)劃，并自動(dòng)用郵件形式發(fā)布新計(jì)劃和計(jì)劃的變更信息。材料拉動(dòng)可支持手動(dòng)拉動(dòng)，對未自動(dòng)維護(hù)庫存的零件材料或系統(tǒng)零件庫存不準(zhǔn)確的零件材料也能進(jìn)行計(jì)劃排產(chǎn)。對材料計(jì)劃，除自動(dòng)發(fā)布方式外，也支持手動(dòng)發(fā)布。提供生產(chǎn)工單/訂單數(shù)據(jù)導(dǎo)入、拉動(dòng)點(diǎn)位調(diào)整、排產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整等功能。

質(zhì)量管理與追溯情況：覆蓋熱沖壓產(chǎn)線、激光切割機(jī)、測量室、實(shí)驗(yàn)室以及庫存管理全過程，進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、分析，提供正反向追溯等功能；通過藍(lán)光掃描進(jìn)行全尺寸測量，超出公差的異常情況進(jìn)行異常提醒并由人員進(jìn)行異常處理；通過MES系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行零件質(zhì)量反向追溯；通過MES系統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃號對應(yīng)相應(yīng)的批次、件號、貨架進(jìn)行綁定，并統(tǒng)一進(jìn)行管理。

設(shè)備管理情況：通過MAXIMO系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備管理、維護(hù)工單管理、故障分析、事件管理；每周自動(dòng)生成維護(hù)工單，依據(jù)工單進(jìn)行設(shè)備維護(hù)；出現(xiàn)預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的故障時(shí)間，進(jìn)行故障分析并將4D報(bào)告錄入系統(tǒng)。

物料配送自動(dòng)化情況

通過RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下線數(shù)據(jù)的收集，實(shí)現(xiàn)沖壓零件的下線裝箱恭維裝箱信息的自動(dòng)寫入，如車型、零件名稱、裝箱數(shù)量、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)班次、貨架上線下線時(shí)間等。通過RFID綁定，管理出入庫數(shù)據(jù)及時(shí)間數(shù)據(jù)，運(yùn)輸車輛及貨架進(jìn)出庫房自動(dòng)讀取和計(jì)算，并在系統(tǒng)中記錄和查詢。

根據(jù)排產(chǎn)計(jì)劃、庫存管理及物料管理的協(xié)同功能，實(shí)現(xiàn)對板材和零件的物料拉動(dòng)。

03  技術(shù)難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

熱成型生產(chǎn)在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的數(shù)字化程度不高，在實(shí)際生產(chǎn)中存在一些困難，長安福特?zé)岢尚蛙囬g采用了以下先進(jìn)技術(shù)解決了這些困難：

熱成型生產(chǎn)線包括多個(gè)工序和過程，而1個(gè)操作者無法實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)工序的運(yùn)行情況，我們采用高清攝像監(jiān)控系統(tǒng)對生產(chǎn)線的每個(gè)關(guān)鍵生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)生異常，可以立即調(diào)取錄像確認(rèn)異常情況的過程和原因分析，尤其是用于拆垛過程異常、對中異常、板料入模異常等問題的調(diào)查和改善作用巨大。

熱成型生產(chǎn)時(shí)板料出爐后溫度高達(dá)930°C，無法用傳統(tǒng)的傳感器檢測板料是否精確放入模具內(nèi)正確的位置，零件是否從模具內(nèi)被取走。我們采用熱成像系統(tǒng)監(jiān)控板料的傳輸，一旦板料未能準(zhǔn)確放入模具，或者板料的入模溫度、零件的出模溫度異常，生產(chǎn)線立即報(bào)警停機(jī)，避免生產(chǎn)出不合格零件或設(shè)備模具的損壞。

由于板料的形狀和大小差異很大，每套模具需要采用不同的端拾器，在換模時(shí)一般采用人工交換的方式，生產(chǎn)時(shí)間損失比較大，我們在拆垛區(qū)采用了自動(dòng)化端拾器交換設(shè)計(jì)，可以離線安裝端拾器，換模時(shí)自動(dòng)交換。對中臺(tái)阻擋器在換模時(shí)，一般采用手動(dòng)交換，浪費(fèi)時(shí)間且精度不高，我們采用了阻擋器自動(dòng)調(diào)節(jié)位置、自動(dòng)排廢料的設(shè)計(jì)。換模時(shí)，模具交換和端拾器交換同步自動(dòng)進(jìn)行等先進(jìn)技術(shù)，總的換模時(shí)間每次節(jié)約10分鐘，生產(chǎn)線單班人員配置由5人減為4人。

激光切割機(jī)我們采用了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)切割頭技術(shù)，對零件的不穩(wěn)定有更大的適應(yīng)能力。切割采用飛行穿刺，減少不必要的空運(yùn)行時(shí)間。自動(dòng)除塵裝置確保車間生產(chǎn)更加環(huán)保。

使用藍(lán)光掃描對零件、檢具進(jìn)行定期檢測，掃描數(shù)據(jù)長期保存，可以長期跟蹤產(chǎn)品的質(zhì)量以及產(chǎn)品質(zhì)量問題的追溯。

其他公司的熱成型車間一般沒有采用生產(chǎn)制造系統(tǒng)，生產(chǎn)組織運(yùn)行全靠人工，生產(chǎn)效率低，人工成本高，無法有效的利用所有的硬件資源。我們采用生產(chǎn)制造系統(tǒng)將主要生產(chǎn)設(shè)備結(jié)合起來，制造過程管理更加快捷靈活，充分發(fā)揮了生產(chǎn)設(shè)備的性能，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了管理成本。

04  解決的重大問題

板料的加熱是熱成型的關(guān)鍵過程，加熱不足或過度都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品不合格，不合理的加熱還將導(dǎo)致加熱爐傳輸輥嚴(yán)重?fù)p壞，行業(yè)內(nèi)一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加熱參數(shù)。但我們發(fā)現(xiàn)憑經(jīng)驗(yàn)加熱參數(shù)很容易導(dǎo)致產(chǎn)品性能不良或不合格，而且導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)成本非常高。

我們將爐溫跟蹤儀及傳感器隨板料一起進(jìn)入加熱爐，測量板料在加熱爐內(nèi)的升溫過程，收集到大量的數(shù)據(jù)，并建立數(shù)學(xué)模型對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到最優(yōu)化的加熱參數(shù)。

新的加熱參數(shù)投入使用以來，加熱爐輥?zhàn)映杀緩?.68元/沖次降低到0.32元/沖次，成本降低93%。產(chǎn)品的性能指標(biāo)長期保持穩(wěn)定，保障了產(chǎn)品的質(zhì)量。該項(xiàng)技術(shù)目前處于國際領(lǐng)先水平。

05  實(shí)施效果及效益分析

長安福特?zé)岢尚蛙囬g由于采用了大量先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，各種先進(jìn)的傳感器技術(shù)，和數(shù)字化技術(shù)，整個(gè)車間的數(shù)字化程度非常高，在國內(nèi)外都處于領(lǐng)先水平。讓我們的制造水平和生產(chǎn)績效遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于行業(yè)平均水平。

長安福特?zé)岢尚蛙囬g在初期建設(shè)時(shí)就采用了比較先進(jìn)的，自動(dòng)化程度很高的生產(chǎn)設(shè)備，主要生產(chǎn)設(shè)備100%數(shù)控/機(jī)器人化。設(shè)備安裝完成后，再次開啟了生產(chǎn)制造系統(tǒng)項(xiàng)目，利用生產(chǎn)制造系統(tǒng)將主要設(shè)備集成在一起，實(shí)現(xiàn)智能制造，包括車間計(jì)劃排產(chǎn)、零件庫存管理和生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集維護(hù)等功能。以看板拉動(dòng)生產(chǎn)為基礎(chǔ)模型，結(jié)合以太網(wǎng)、即時(shí)通訊技術(shù)在熱成型沖壓車間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的管理生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、模具信息、沖壓零件和貨箱數(shù)據(jù)等信息，達(dá)到管理精細(xì)化，提高工作效率、降低生產(chǎn)成本。

通過在熱成型沖壓車間實(shí)施生產(chǎn)制造系統(tǒng)，一方面為企業(yè)建立起了生產(chǎn)制造執(zhí)行管理方面的信息平臺(tái)，使相關(guān)生產(chǎn)制造人員能夠適時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理問題，實(shí)現(xiàn)精確生產(chǎn)和控制管理的可視信息化，確保了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)定。

長安福特?zé)岢尚蛙囬g完成數(shù)字化建設(shè)后，制造水平大幅度提高，小時(shí)產(chǎn)能、有效時(shí)間利用率、不良品率、人均產(chǎn)出、運(yùn)營成本、單位能耗等關(guān)鍵指標(biāo)都有大幅度的優(yōu)化，詳見下表。

06  下一步進(jìn)行智能化改造提升的計(jì)劃和思路

長安福特?zé)岢尚蛙囬g2020年制造成本中，人工成本占總成本的63%，因此進(jìn)一步提高車間的自動(dòng)化和數(shù)字化程度，降低人工成本，是提高車間經(jīng)營業(yè)績的主要方向，目前可以考慮的主要方向有：

在線質(zhì)量檢測和自動(dòng)化裝箱：目前生產(chǎn)線每班4人，其中2人從事裝箱和在線質(zhì)量檢查，這兩人的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，考慮采用掃描的方式進(jìn)行在線質(zhì)量檢查，然后用下料手直接裝箱。當(dāng)前的難點(diǎn)是在線質(zhì)量檢查的精度能否保證需要論證，在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)的成本較高，自動(dòng)裝箱需要對生產(chǎn)線做較大的改造，需要做投資收益分析確定改善其必要性。

立體倉庫和智能物料配送：目前半成品下線由叉車轉(zhuǎn)運(yùn)到半成品區(qū)，切割時(shí)再由叉車查到對應(yīng)的激光切割單元進(jìn)行切割，切割完成后再轉(zhuǎn)運(yùn)到成品倉庫。隨著生產(chǎn)的零件種類的增加，半成品、成品數(shù)量和種類、夾具、檢具數(shù)量也大幅度增加，庫房需求增加，需要考慮采用立體倉庫及相應(yīng)的智能物流配送。該改善投資較高，需要做投資收益分析確定其必要性。