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华中数控助力打造中国版“工业4.0”智能车间

2016-7-26 来源：武汉华中数控股份有限公司作者：

一、背景

随着“工业4.0”的热潮从德国涌向全球，中国经济经过30年两位数的高速发展，也到了发展的十字路口，需要转型升级、提高制造业整体水平。2015年5月，国务院发布中国制造强国战略的第一个十年行动纲领《中国制造2025》，标志着中国“工业4.0”时代开启。“中国制造2025”的主攻方向是智能制造，重点推进“智能化、数字化、网络化”制造，是信息化、工业化深度融合的主攻方向，是传统产业进行转型升级的主要技术手段。

2015年，华中数控股份有限公司（以下简称：华中数控）携手东莞劲胜精密构建集国产高端数控机床、国产机器人、自动化设备、国产系统软件于一体的3C产品智能工厂，实现了工业4.0纵向集成，形成智能制造工厂在3C行业的示范，实现高速高精国产钻攻数控设备、数控系统与机器人的协同工作，在业内率先实现装夹环节采用机器人代替人工操作，节省70%以上的人力；建立基于物联网技术的制造现场“智能感知”系统，改造升级现有生产制造系统，建立全制造过程可视化集成控制中心，实现对钻攻中心、机器人、物流装备等的全面支持，降低产品不良率，缩短产品研制周期，提高设备利用率，提升车间能源利用率，最终实现少人化人机协同化生产。

二、项目概况

劲胜东城厂区智能制造项目是2015年国家94家智能制造专项之一，项目名称：移动终端金属加工智能制造新模式。项目由东莞劲胜精密组件股份有限公司牵头承担，联合开发单位还包括科研单位、国内高校、设备研发制造商、软件开发企业、金融企业等，项目负责人为华中科技大学邵新宇教授。

项目实施目标是：实现生产效率提高20%以上，运营成本降低20%，产品研制周期缩短30%，产品不良品率降低30%，能源利用率提高15%。

整个项目历时1年建设，目前已建成拥有10条自动化钻攻生产线的智能车间，智能车间包括180台国产高速高精钻攻中心、81台国产华数机器人、30台RGV、10台AGV小车、1套全自动配料检测系统。同时搭载全国产化的工业软件系统，包括云数控系统平台、CAPP、APS高级排程系统、MES生产管理系统、三维虚拟仿真系统等。基于国产高档数控系统的良好开放性，建立了智能工厂设备大数据平台，通过对设备实时大数据的采集、分析，实现了机床健康保障、G代码智能优化、断刀监测等智能化功能。另外还建设有 1条普及型自动化钻攻推广线（20台钻攻中心机床和12台工业机器人），1条机器人自动抛光打磨生产线（12台工业机器人），1条用于智能制造人才培训的智能生产线（微缩版智能工厂，具备智能工厂各种要素）等。

车间建设图

通过以上硬件和软件的开发建设，实现了高速高精国产钻攻数控设备、数控系统与机器人的协同工作，在业内率先实现装夹环节采用机器人代替人工操作，节省人力；建立基于物联网技术的制造现场“智能感知”系统，改造升级现有智能化系统，建立全制造过程可视化集成控制中心,实现对加工中心、机器人、物流装备等的全面支持。

三、项目特点

项目具有“三国”、“六化”、“一核心”的特点。

“三国”是指智能工厂全部使用国产智能装备、国产数控系统、国产工业软件；各参与单位充分发挥各自的特长，实行协同创新机制，基于“三国”的核心技术优势，各个硬件、软件系统之间相互深度开放并互相融合，为智能工厂的信息集成、数据集成以及各种智能化功能的实现奠定了基础，同时也保障了工业数据的安全可控。智能工厂最核心的设备——配套国产数控系统的国产高速钻攻中心机床，可与进口同类产品同台竞技，打破国外垄断。

国产智能装备：国产高速钻攻中心和国产工业机器人

国产数控系统：华中8型总线式高档数控系统

国产工业软件：云数控、PLM、CAPP、MES、APS等

六化”是指：装备自动化、工艺数字化、生产柔性化、过程可视化、信息集成化、决策自主化。

1)装备自动化：配套国产高档数控系统的高速钻攻中心机床，实现高速高精加工，与进口同类产品同台竞技，实现机床装备高端化；利用6关节工业机器人取代现场操作工人，实现加工过程自动化，提升产品一致性；通过AGV定点、自动配送混流物料，实现车间物流自动化；现场采用非接触光学自动检测，自动采集检测数据及时反馈结果，实现产品检测自动化。

各种自动化设备

2)工艺数字化：采用三维CAPP软件系统实现机加工艺的三维数字化设计与仿真，大大提升工艺设计效率和设计质量；使用国产PLM软件，实现从设计到生产制造的产品生命周期数字化管理。

3)生产柔性化：实现多品种、多工序混流生产，不同产品快速切换。基于RFID系统进行定点投料，实现物料有序配送；采用机器人加RGV模式实现工时动态匹配；设计通用料盘和夹具，满足产品快速换线需求；使用APS智能排程系统，实现线体间、机台间混流生产排程，多目标协同优化。

4)过程可视化：通过车间底层各种传感器和物联网，实时采集并上传数控机床、机器人、RFID料盘、AGV、RGV等各种设备数据、物料数据、生产状态数据等各种数据，在本地云服务器上建立工厂的“数字双胞胎”，通过轻量化的三维仿真软件系统，实时监控、管理、操作车间设备；上层各种设计、管理软件系统通过网络下发生产与物料指令、工艺数据、质检标准等给车间设备，实现了工厂各种数据流的双向流通，保证了生产过程的可视化、透明化。

智能工厂“数字双胞胎”

5)信息集成化：车间采用实时工业以太网技术，实现“一网到底”，实时采集现场所有信息，通过设计统一的数据模型、统一的接口规范、统一的数据平台，实现各种多源异构数据和信息的集成，并使用服务器虚拟化技术，采用健壮性设计与配置，实现对海量信息的存储与处理。

6)决策自主化：基于车间大数据，实现设备状况的自检测、制造过程自执行、生产管控自组织，企业管理自决策。

智能工厂的“一核心”是指智能工厂大数据，包括工厂的人员数据、物料数据、设备数据、工艺数据、质量数据等等，通过对这些数据的集成、统计分析和应用，最终实现工厂的数字化和智能化。

智能工厂“大数据”

四、华中数控主要工作

1)用自主化的国产设备装备智能制造车间

高速钻攻中心机床：

3C行业对数控机床的高速高精加工性能有很高的要求，国外机床数控系统成本高、开放性差、不能提供定制化开发。智能工厂180台钻攻中心，全部配置华中8型数控系统，自主研发，支持SOP、 RFID刀具实时管理、G代码远程管理，可采集机床实时毫秒级大数据，为工艺优化、机床健康保障、断刀监测提供支持，同等条件下加工效率高于进口系统，打破国外垄断。配套华中8型数控系统的高速钻攻中心机床具有以下优良特性：

a)高速:快速移动可达60米/分钟、单轴加速度1G、主轴从0加速到2000r仅需1.9s、刀具转换仅需1s，能实现5000r/分钟以上的高速刚性攻丝。

b)高精:加工精度达5 ‰mm,能连续运转，加工产品表面光洁度高，可靠性高，高速通过拐角不产生震动。

c)定制化：可根据客户需求配置设备部件，如机械手、自动门、丝杆、主轴等核心零部件。

钻攻机配备国产数控系统

工业机器人：

整个劲胜智能车间配置的是国产华数机器人，华数机器人整机产品的自主国产化率已达到80%以上，除了RV减速机为进口，其余核心零部件均为国产达到了安全可控的条件。车间目前已经使用了93台机器人用于上下料，组成了柔性生产系统；使用了12台机器人应用于手机壳打磨线，实现了国产机器人应用于复杂轨迹打磨的突破，在国产机器人应用上属于首创。

华数机器人

目前华数机器人的产品主要在冲压、注塑、机床上下料、喷涂、焊接、装配、3C自动化等行业中大量使用。华数机器人目前发展势头迅猛，已经将华中数控多年机器人相关技术沉淀成功产业化，机器人已经大批量生产，已在众多客户现场批量使用。

2)产线总控系统

产线控制系统是智能工厂“大数据”核心层，主要负责产线设备数据采集、设备监控、生产计划执行管理等，并将“大数据”、生产完工信息反馈至管理系统，帮助企业生产部门做出科学、有效的决策。

主要功能：

. 车间设备管理网络化

. 数据采集：毫秒级实时数据

. 设备实时监控

. 生产任务自组织自执行

. 产线运行前智能化检测

. 生产派工、报工、工单管理

产线控制系统架构：

产品总控系统架构

3)建立智能制造车间CPS

智能制造本质是基于“信息物理系统（CPS）”实现“智能工厂”, 核心是动态配置的生产方式。

信息物理系统CPS

CPS利用大数据、物联网、云计算等技术，将物理设备连接到互联网上，实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合（数字双胞胎），让物理设备具备计算、通信、精确控制、远程协调、自治、数据采集等功能，从而实现智能制造。

信息物理系统CPS核心

基于指令域电控大数据CPS模型体系架构如下：

基于指令域电控大数据CPS模型体系架构

4)基于云计算的数控机床大数据中心

以数控机床CPS模型、大数据采集与存储、开放式云计算应用架构、机床互联通信协议为技术基础，实现对数控机床7×24小时监控和实时数据采集，建立数控机床的“数字双胞胎”，开创了大数据在数控加工领域应用的新途径，为机床智能化应用集成提供必要基础。

基于云计算的数控机床大数据中心

5)构建智能车间“云数控”系统

云数控系统是运用物联网、大数据、云数控等关键技术，围绕数控机床加工效率和质量的提升以及机床的智能化管理，整合国内各项领先技术而开发出的先进车间信息化管理系统。主要有“云管家、云维护、云智能”三大功能，实现制造设备从日常生产到维护保养、改造优化的全生命周期管理，为用户提供设备及产品相关信息的“大数据”。

云数控系统

6)产品加工品质问题攻关

影响产品品质的关键因素有：机床的稳定性、刀具磨损/断刀、铝屑问题。

针对机床稳定性问题，华中数控开发了基于大数据的机床健康保障功能，通过“铁人三项”对数控机床进行定期“体检”，提升机床稳定性、可靠性，保障加工产品质量，通过“云服务平台”可随时随地掌握机床健康状态。

健康保障功能将数控系统与云数控平台的优势进行互补与整合，充分发挥云数控平台的存储、计算、管理、跨平台和远程通信功能，对数控数控系统产生的海量电控数据进行处理、分析与可视化，帮助用户管理机床的健康状态。

此外，用户还可以通过手机、平板等移动终端掌握机床的健康状态及其变化趋势，及时作出决策，保障数控机床的健康。

云服务平台健康保障

针对刀具磨损/断刀问题，通过基于“RFID”及刀具管理系统实时监控刀具寿命，实现刀具从采购、仓储、领用、使用、维修、报废的全生命周期管理，机床RFID刀具管理与数控系统无缝集成，同时通过基于周期1毫秒的机床 “大数据”实时监控刀具寿命及断刀检测，进行7×24小时监控，对机床断刀情况进行准确判断与及时反馈。

对数控机床加工过程进行7×24小时监控，实时采集机床设备大数据，获取机床设备“心电图”，实现对机床断刀情况进行准确判断与及时反馈，降低企业成本，提高零件直通率。

刀具断裂检测基于指令域分析方法，提取刀具断裂时及断裂后的机床主轴“心电图”的特征，并与正常切削时的“心电图”模板比较，再结合机器学习算法进行学习与分类，进而实现刀具的断裂与否的检测。

基于大数据的数控机床智能化断刀检测技术

在零件的一个加工工序中，先后会有不同直径、不同类型的刀具参与加工，实现既定的加工任务。而在实际的生产加工中，特别是在无人看守的自动化车间中，往往会因为其中的一把刀具的断裂而产生两种主要的不良后果：①由于刀具断裂剩余的切削余量将导致后续刀具的连续断裂；②形成废品，影响自动化线的产品直通率。以上两种不良的后果，均直接增加了企业的生产成本和降低了企业的生产效率。因此，刀具断裂的自动检测功能将具有非常直接的现实意义。

断刀检测功能遵循CPS系统“感知→分析→决策→反馈”的闭环控制原理：获取数控系统内部的当前主轴功率指令域数据，与数控系统内存的历史模板数据进行比较分析，通过机器学习算法进行决策，如果决策出断刀则一方面反馈给数控系统进行报警停机，另一方面反馈给产线控制器用于生产调度。

因此，断刀检测的功能将对刀具状态做出及时的判断，减少后续加工中的刀具断裂数量和零件废品率，进而降低企业的生产成本，提高零件生产的直通率，最终实现企业经济效益的最大化。

针对铝屑问题，原材料铝材经过高速中心加工后产生铝屑残留，自动化作业无法判断处理，严重影响产品加工精度，导致产品良率低，一度阻碍了项目的推进。后来我们特别成立了攻坚小组，历时一个月尝试各种办法，通过反复试验验证，最后我们终于找到一套方法来克服铝屑问题：设计专用夹具、设计机器人专用自动化吹屑装置，优化吹屑路径、实时在线清洗。

通过反复试验验证，解决了铝屑残留的难题，良率由原来的70%多提高到现在98%。

7)加工效率问题攻关

影响加工效率的关键因素有：机床加工效率有待进一步挖掘提高；工艺加工参数，人工设计，缺少优化。

针对机床加工效率进一步挖掘，国产高速钻攻中心配套华中数控系统，加工效率高于进口产品，经用户使用验证和第三方测试，其功能、性能和可靠性达到国外同类系统水平，可替代进口，整体技术水平全面达到国际先进水平。

华中数控系统与进口系统加工效率对比

针对工艺参加及工艺路径优化，通过采集数控加工过程中数控系统的内部电控大数据，借助于指令域分析工具，建立实时数据、材料去除率和加工程序行之间的对应关系，基于实测数据优化进给速度，在均衡刀具切削负荷的同时，可有效、安全地提高加工效率。

通过采用优化后的加工代码加工，可以将原始的主轴电流中的最大值降低、最小值提升、波动值减小，实现刀具负载均衡，而且粗加工效率可以提升10%~15%，精加工效率可以提升3%~5%。

3C行业对数控机床的高速高精加工性能有很高的要求，对加工效率尤其敏感。对一个3000台机床规模的3C加工车间，若单件加工效率提升10%，意味着可节省300台机床的费用。

基于大数据分析的工艺参数智能优化方法

8)基于机器人离线编程系统，建设3C产品打磨线

机器人是实现智能制造的基础，机器人离线编程是机器人技术发展的重要方向。研发的机器人离线编程系统与应用领域的工艺知识深度融合，满足了机器人应用领域扩大和任务复杂程度增加的迫切需求。在3C产品金属部件、航空航天零件、汽车覆盖件、激光焊接与切割、模具制造、五金零件、喷涂、多轴加工、石材和板材加工等专业领域得到广泛应用。系统主要特点包括：

. Robot/CAM/一体化

. 支持机器人库的扩展

. 工件和零件编程模式

. 速度和加速度的校验

. 奇异点的检查与控制

. 工件的自动快速标定

. 外部轴运动协调优化

. 运动仿真与碰撞检查