工業(yè)4.0加速汽車覆蓋件模具智能生產(chǎn)新方向

    在2011年德國漢諾威工業(yè)博覽會上，“工業(yè)4.0"概念開始進人公眾視野。2015年4月14日，德國政府在2015年漢諾威工業(yè)博覽會上正式宣布啟動升級版的“工業(yè)4.0平臺”，德國政府將主導(dǎo)推動第四次工業(yè)革命的發(fā)展，這是一種智能化的生產(chǎn)方式，它的核心是實現(xiàn)“互聯(lián)”，在生產(chǎn)系統(tǒng)及過程中形成“智能工廠”，在生產(chǎn)物流管理上實現(xiàn)“智能生產(chǎn)”，整合物流資源上實現(xiàn)“智能物流”。
 

 

     

    2015年5月我國發(fā)布了《中國制造2025))，它是中國版的“工業(yè)4.0”規(guī)劃，提出創(chuàng)新驅(qū)動、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本的發(fā)展戰(zhàn)略，要由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變。計劃到2020年，我國基本實現(xiàn)工業(yè)化，到2025年我國制造業(yè)整體素質(zhì)大幅提升，到2035年我國制造業(yè)整體達到世界制造強國陣營中等水平。到新中國成立一百年時，制造業(yè)大國地位更加鞏固，綜合實力進人世界制造強國前列。

    

    不管是闊步向“工業(yè)4.0"邁進，還是切實響應(yīng)《中國制造2025》計劃，汽車覆蓋件模具企業(yè)不會等待，將積極主動迎接這次生產(chǎn)方式升級的革命，并創(chuàng)新汽車覆蓋件模具智能生產(chǎn)的新模式、新方向。

 

    諸多的模具生產(chǎn)企業(yè)，當前更多地是去要求軟件的功能模塊比較齊全，以此來促使軟件的功能切實集成化，為模具的設(shè)計、分析帶來方便，也同時為模具的制造、裝配、檢驗、測試及生產(chǎn)的全過程服務(wù)，達到實現(xiàn)最佳效益的目的。如Pro/E，  UC和CATIA和Delcam等都是目前典型的集成化程度較高的軟件，其可實現(xiàn)的功能包括曲面、實體幾何造型、復(fù)雜形體工程制圖、工業(yè)設(shè)計高級渲染、復(fù)雜形體CAM，藝術(shù)造型及雕刻自動變成系統(tǒng)、逆向工程系統(tǒng)及復(fù)雜形體在線測量系統(tǒng)等；國內(nèi)集成化軟件的代表有上海交通大學金屬塑性成型有限元分析系統(tǒng)和沖裁模CAD/CAM系統(tǒng)、北京北航海爾軟件有限公司的CAXA系列軟件以及吉林金網(wǎng)絡(luò)媒介工程研究中心的沖壓模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)等。

    

    過去傳統(tǒng)的二維模具結(jié)構(gòu)設(shè)計已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和集成化技術(shù)要求。模具設(shè)計、分析和制作的三維化、無紙化要求新一代模具軟件以立體的、直觀的感覺來設(shè)計模具，所采用的三維數(shù)字化模型能方便地用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的CAE分析、模具制作性評價和數(shù)控加工、成形過程模擬及信息的共享。如Pro/E，  UC和CATIA等軟件具備參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)等特點，從而使模具并行工程成為可能。另外，Cimatron公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均是3D專業(yè)注塑模設(shè)計軟件，可進行交互式3D型腔、型芯設(shè)計、模架配置及典型結(jié)構(gòu)設(shè)計。澳大利亞Moldflow公司的三維真實感流動模擬軟件

 

    MoldflowAdvisers已經(jīng)受到用戶廣泛的好評和應(yīng)用。國內(nèi)有華中理工大學研制的同類型軟件HSC3D4.SF及鄭州工業(yè)大學的Z-mold軟件。

    

    隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的提出以及互聯(lián)網(wǎng)廣域性優(yōu)勢，模具行業(yè)未來可能會更加注重軟件的分時系統(tǒng)運用，即多個用戶分享使用同一軟件服務(wù)平臺，以此來實現(xiàn)模具專業(yè)輔助軟件的功能個性化服務(wù)，做到“用時選用”，竭力實現(xiàn)設(shè)計、分析的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和分時共享。軟件開發(fā)商會基于此來更加突出其集成服務(wù)的高質(zhì)量。

    

    在汽車覆蓋件模具行業(yè)里，過去汽車覆蓋件模具企業(yè)能做什么樣的模具，汽車主機廠就大致去造型什么樣的外覆蓋件或汽車內(nèi)飾件；現(xiàn)在，基于消費者的期望、需求日益多樣化，汽車主機廠構(gòu)思什么樣的外覆蓋件、內(nèi)飾件，汽車覆蓋件模具企業(yè)就要去研發(fā)、制造什么樣的模具，以此來竭力滿足汽車主機廠的需求。為更好地滿足汽車主機廠的創(chuàng)意設(shè)計理念，更好地促進汽車主機廠的生產(chǎn)進度，汽車覆蓋件模具企業(yè)模具產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計要更加和汽車主機產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同、溝通。如何能通過協(xié)同縮短彼此開發(fā)周期，那就要結(jié)合2015年3月李克強總理在政府工作報告中首次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，積極建立起“汽車覆蓋件模具研發(fā)大數(shù)據(jù)平臺”，促進汽車主機廠與汽車覆蓋件模具企業(yè)之間、汽車覆蓋件模具企業(yè)與汽車覆蓋件模具企業(yè)之間、汽車覆蓋件模具企業(yè)與汽車覆蓋件模具加工設(shè)備廠家之間大協(xié)同、大數(shù)據(jù)共享的新格局。

 

    

    中國制造企業(yè)使用工業(yè)機器人已經(jīng)有20余年的歷史。但由于人口紅利的持續(xù)存在，直到2013年機器人才開始大規(guī)模地進人國內(nèi)制造企業(yè)。2014年中國成為機器人的全球第一大市場，被稱為中國工業(yè)機器人“元年”。“元年”背后的指向，并非單純的是“機器換人”，而意味著中國的制造業(yè)有了深刻的、不可逆轉(zhuǎn)的變革。

    

    汽車覆蓋件模具生產(chǎn)企業(yè)也擠上了新一輪的工業(yè)革命的帆船，在伴隨中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的同時，廣泛使用機器人(見圖1)，以此改變世人對“中國制造”的刻板印象。眼下，汽車主機廠之間的激烈競爭，致使對汽車覆蓋件模具的要求越來越苛刻，如模具的貨期不斷縮短、模具的質(zhì)量要求越來越高、模具價格要求越來越低。汽車覆蓋件模具生產(chǎn)企業(yè)加工設(shè)備利用率不高，加工效率急需提高。汽車覆蓋件模具生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)一線操作工短缺、人力成本不斷攀升，企業(yè)競爭力急待提升；再加之現(xiàn)場安全生產(chǎn)的更高要求，汽車覆蓋件模具生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始改造現(xiàn)場，使生產(chǎn)現(xiàn)場不斷涌現(xiàn)出一臺臺的工業(yè)機器人，這些企業(yè)正悄然邁向現(xiàn)場模具制造與調(diào)試“無人化”。
 

 

 

圖1 汽車覆蓋件零件生產(chǎn)單元

 

    現(xiàn)代化汽車主機廠的生產(chǎn)制造不僅要滿足批量化、自動化的要求，而且要具備可配置、靈活、能傳遞信息以及可變化的生產(chǎn)單元的綜合要求。未來的汽車覆蓋件模具制造企業(yè)或許會更快地建立智能工廠，以此來適應(yīng)現(xiàn)在汽車主機廠一條生產(chǎn)線上(生產(chǎn)單元里)要同時并線生產(chǎn)五六種甚至更多車型的要求。

    

    可以預(yù)見，在“十三五”期間，工業(yè)機器人的浪潮將會向中國制造業(yè)全方位襲來。在機器人參與的生產(chǎn)線上，所有機器人在智能環(huán)境下結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感器，不停地收集著各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)和參數(shù)，同時機器人依靠其本身擁有的復(fù)雜生產(chǎn)編程軟件及設(shè)備控制的工業(yè)電腦，不斷與操控單元通信、編程，形成一個看不見的高度復(fù)雜的電子網(wǎng)絡(luò)體系。它可以把生產(chǎn)流程切分成非常細小的片段，每個片段都遵循嚴格的順序加工，片段之間用自動化傳動機制聯(lián)系起來，根據(jù)信號的需求來調(diào)整程序、更換各種工具及改變生產(chǎn)節(jié)拍，讓生產(chǎn)單元高度柔性化、切實智能化。圖2所示為汽車覆蓋件零件高速沖壓集成單元

    

    未來在信息化環(huán)境下的汽車覆蓋件(見圖3)模具智能工廠里，數(shù)萬平方米的車間里雖然機器轟鳴，但很難見到人影，偶爾可能會有一兩個工作人員出現(xiàn)處理信息，汽車覆蓋件模具智能工廠會出現(xiàn)一個新的“刷屏”時代。在實現(xiàn)信息化之前，車間的相關(guān)數(shù)據(jù)，全部依靠人工收集、錄人、分析和整理，最后再交給后端進行處理。

    

    而在智能工廠里，從生產(chǎn)計劃、工藝技術(shù)、設(shè)備、原材料，再到成品庫，整個過程都與后端平臺進行實時共享，產(chǎn)品生產(chǎn)過程追溯和管控一目了然。生產(chǎn)過程中的浪費也會得到有效控制，生產(chǎn)效率大幅提升。汽車覆蓋件模具的智能工廠一旦建成，就會改變企業(yè)家為控制人力成本而將產(chǎn)業(yè)向低勞動力成本國家轉(zhuǎn)移的做法，因為智能工廠會使基于勞動力的成本幾乎相同，所以不管在美國、歐洲、中國、非洲或其他國家和地區(qū)勞動力成本不再存在差距了。在這種情況下，應(yīng)該說會重新改寫全球的汽車覆蓋件模具制造乃至整個制造業(yè)的格局，產(chǎn)業(yè)鏈會再次被刷新。智動化在線檢測與誤差補償，模具精度大提高

    

    在當前非智能工廠環(huán)境下，精密、復(fù)雜以及大型汽車覆蓋件模具快速向前發(fā)展，這對檢測設(shè)備的要求越來越高。目前，國內(nèi)模具制造企業(yè)使用較多的是意大利、美國和日本等國的高精度三坐標測量機，還具有數(shù)字化掃描功能掃描設(shè)備。現(xiàn)在精密模具的精度已達2--3um。

    

    為方便覆蓋件模具質(zhì)量的檢驗以及產(chǎn)品檢具的檢測，需要較大行程范圍的三坐標檢測設(shè)備，其常用的有德國WENZEL，意大利Coord3和德國蔡司等三坐標測量機(見圖4)，一般精度為 (3.5+L/300)um以內(nèi)，其雙橋式結(jié)構(gòu)的方便性更強。
 

 

    

    常見的數(shù)碼攝影光學掃描儀，如英國雷尼紹公司第二代高速掃描儀(CYCLONSERIES2)可實現(xiàn)激光側(cè)頭和接觸式側(cè)頭優(yōu)勢互補，激光掃描精度為O.OSmm，接觸式側(cè)頭掃描精度達0.02mm；德國COM公司的ATIS便攜式掃描儀，日本羅蘭公司的PIX-30，  PIX-4臺式掃描儀和英國泰勒·霍普森公司的TALYSCAN150多傳感三維掃描儀分別具有高速化、廉價化和功能復(fù)合化等特點。這些掃描設(shè)備可有效地采用數(shù)碼攝影和光學掃描作為空間三維信息的獲得手段，從而實現(xiàn)了從測量實物一建立數(shù)學模型一輸出工程圖樣一模具制造全過程，成功實現(xiàn)了逆向工程技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

    

    在未來汽車覆蓋件智能工廠里，生產(chǎn)單元會有智動化的在線檢測與誤差補償子系統(tǒng)，子系統(tǒng)依靠物聯(lián)網(wǎng)傳感器，不停地收集著各種在線檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)每一件產(chǎn)品的質(zhì)量狀況在生產(chǎn)過程中實時檢測，直接改變了過去非要等到模具部件或產(chǎn)品出爐了才知其質(zhì)量好壞的歷史。集成化專業(yè)設(shè)備與柔性單元，模具制造高效率、超精密

    

    當前一流的汽車覆蓋件模具制造企業(yè)一般都會擁有集群式、大型的龍門加工中心，目前全球2D加工制造設(shè)備如日本OKUMA，  SNK、三菱和東芝等的五面龍門加工中心是比較經(jīng)濟實用的。3D加工制造設(shè)備如意大利的MECOF，  JOBS和藍苞蒂等高架橋式高速龍門加工中心是比較經(jīng)濟實用的。生產(chǎn)集成線如圖5所示。

    

    同時還會擁有精密的高速銑削加工中心，其具有工件溫升低、切削力小、加工平穩(wěn)、加工質(zhì)量好以及加工效率高(為普通銑削加工的5一10倍)等諸多優(yōu)點，一般主要用于大、中型汽車覆蓋件模具曲面加工，其曲面加工精度可達O.Olmm。如意大利RAMBAUDI公司的高速銑床，其一般加工范圍達2 SOOmm x5 OOOmm x 1 800mm，轉(zhuǎn)速達20 SOOr/min，切削進給速度達20m/min。統(tǒng)觀國內(nèi)機床工業(yè)，工作臺Y向行程在3m以上，尤其是智能化的4 000一5 OOOmm的動梁式超重型龍門加工中心、大型三坐標的研發(fā)與生產(chǎn)、大型五軸聯(lián)動數(shù)控龍門加工中心等是我國汽車覆蓋件模具企業(yè)智能工廠推進的瓶頸。大型高精專業(yè)設(shè)備如圖6所示。
 

 

 

    圖5 集成生產(chǎn)線

 

    汽車覆蓋件模具企業(yè)，要從“制造”邁向“智造”，要邁向智能工廠，其工藝的發(fā)展離不開智能設(shè)備、裝備的支持，同時還離不開與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有機結(jié)合，要在智能設(shè)備、裝備中廣泛部署傳感器，使其成為智能化的生產(chǎn)工具，成為物聯(lián)網(wǎng)的智能終端，從而實現(xiàn)工廠監(jiān)測和操控的智能化。智能工廠里制造設(shè)備的自動化系統(tǒng)和生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)之間的對接是更加無縫化的，從而能夠?qū)崿F(xiàn)智能制造，以其敏捷的調(diào)配能力去調(diào)整生產(chǎn)單元并不斷滿足不同用戶的個性化定制需求。未來，汽車覆蓋件模具企業(yè)、專業(yè)機床企業(yè)之間或許會有新的產(chǎn)業(yè)、技術(shù)重組，不斷研發(fā)、生產(chǎn)具有集成化能力的專業(yè)設(shè)備與柔性單元，并推出嶄新汽車覆蓋件模具智造方案系統(tǒng)，促進汽車覆蓋件模具智能工廠的高效率、超精密以及優(yōu)質(zhì)個性服務(wù)。圖7所示為智能化應(yīng)用實例。

 
 

 
 

圖7 ATOS掃描采集數(shù)據(jù)