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新能源变速器的智能制造新模式
2019-06-09 20:41:14· 来源：EDC电驱未来 作者：徐俊
1 数字化规划工具应用通常一款产品的制造过程开发，需要经历工艺路线规划、设备方案锁定、场地区域排布、物流路线策划、专机设备制造、产线安装调试和生产爬坡等
1 数字化规划工具应用
通常一款产品的制造过程开发，需要经历工艺路线规划、设备方案锁定、场地区域排布、物流路线策划、专机设备制造、产线安装调试和生产爬坡等一系列必不可少的过程。传统制造模式中，许多制造问题要到生产爬坡过程中才会集中暴露，导致整个爬坡过程相当漫长，影响了产能的快速提升。
数字化工具的应用将大大改善这个问题，由数字化工艺、生产线仿真、物流路线仿真和设备动作模拟等信息化技术组成的智能制造开发端应用，能早期发现问题，纠正问题，解决问题，从而减少大量的生产变更。
1.1 数字化工艺设计
智能制造过程开发新模式首先需要通过数字化工艺设计平台，围绕数字化工艺设计的核心要素3PR，即Product产品/Process工艺/ Plan工厂/Resource制造资源，将工艺设计过程中所涉及的各种要素纳入平台中进行有效管理，通过结合各种管理体系如APQP等，有序组织工艺设计过程，从而构建符合企业工艺设计需求的结构化工艺设计平台。
图1 数字化工艺结构化平台
通过上述平台，新能源变速器的智能制造模式需要实现的数字化工艺目标如下。
1.1.1 构建起结构化的工艺设计平台
数字化的PBOM构建，是基于3PR的结构化工艺，再通过工艺设计过程管理，规范化的各类数据表单。
通过平台实现工艺文档管理、流程管理、工艺变更管理、制造资源库管理。
1.1.2 系统深化应用与优化扩展
⑴制造工厂推广实施⑵表单调整与优化⑶装配工序卡UGNX集成⑷工艺参数卡管理⑸毛坯/工序模型管理⑹轻量化三维深化应用⑺重整工艺资源数据⑻优化工艺策划过程⑼推行工艺任务管理⑽持续完善工艺知识库⑾PLM系统数据规范化⑿SAP系统集成方案规划
1.1.3 数字化工艺扩展应用
⑴SAP/MES系统集成⑵三维装配工艺手册⑶QDAS质量管理⑷零件及装配工艺仿真⑸持续完善工艺知识库⑹PLM系统数据规范化
1.2 可视化仿真应用
21世纪随着计算机技术的飞速发展，仿真技术已经得到广泛应用。在制造行业中，通过模型复现实际发生的本质生产过程，不仅方便、灵活，而且能提前预判生产环节中的大量问题。
图2 产品装配仿真应用
1.2.1 数字化动态装配仿真
传统制造模式对于产品的装配性分析主要采用实物开模试装和经验判断，该模式的问题在于：实物试装的成本和产品的生产周期。
采用数字化仿真装配，仅通过软件运算、模拟，即可在项目初期发现问题，尽早解决问题，避免后期成本较高的工程更改。
图3 数字化装配仿真干涉检查
该仿真技术分析包含装配环境因素的装配过程和动态过程中的可能干涉，这样既能判断产品本身结构干涉，又能提前预防产品制造过程干涉。
1.2.2 生产线规划和优化仿真
生产线的仿真是智能制造中最关键的环节，规划过程中的产线模型仿真有助于实际的设备规划和布局；实际生产过程中，产线仿真的模型又可以用在MES系统中动态监控生产。
在新能源变速器的产线规划中，已经充分运用西门子的Plant Simulation实现产线的仿真优化。该系统允许产生复杂系统的动态计算机模型以研究系统的特性和优化生产系统的性能。这种计算机模型能够进行实验和情景模拟而不用干扰现有的生产或者在实际生产系统建立以前在工艺规划阶段使用。（如图4）
图4 某新能源变速器生产线的布局仿真模型
仿真应用将复杂系统进行清晰分析，利用实际数据的计算和比较，提供计算机支持的投资决策。同时生产线规划仿真有利于：生产线方案比较分析、输送设备数量控制、产线节拍瓶颈识别、资源利用率提高、每小时产量输出、在制品及库存减少。
图5 某新能源变速器生产线的3D仿真模型
1.2.3 设备生产动作仿真
在验证工艺规划以及所用的各种资源，如场地、设备、工艺流程等，就需要装配、人机、设备运动的综合仿真能力和一体化的仿真环境和统一模型。
设备虚拟动作仿真可以提供一个集成环境来评估机械和电器系统的行为，更容易产生真实的虚拟生产环境。在设备制造前，提前检查出设备设计问题和潜在风险。
设备模型动作通过PLC编程模拟控制实现仿真，在实际设备未到位前，就可以检查和测试PLC代码。在实际设备制造后，直接导入PLC代码，减少手工编制代码时间，大大缩短了实际调试的工作。
设备模拟仿真另一大优势在于生产的优化。在实际生产过程中，没有时间缺口提供设备调试、试验，这时利用原设备仿真数模就可以在不影响生产的情况下，验证新工艺，进行仿真优化。
数字化规划软件工具是智能制造模式的基础，可以说缺少了这些软件的应用，根本实现不了智能制造。最关键的是这些数字化软件工具，能对制造形成一个有效的闭环。（如图7）在布局规划设计、生产物料仿真、设备PLC编程、实际产能优化之间实现紧密联系。
图6 生产设备的3D仿真模型
图7 数字化软件辅助智能制造各环节
2 智能化装备和生产线
新能源变速器产品目前最大的特点是小批量、多品种，产品迭代速度非常快。往往某一型号的新能源变速器刚实现量产，它的升级变型产品也已经完成设计开发，需要切换生产、改造产线。而传统变速器产品，一般的生命周期在5年以上，所以过去投资设备和生产线都是以单一产品大批量为主。
在这种大背景下，智能化的装备和生产线是新能源变速器可持续发展的制造新模式，能充分实现灵活性制造的优势。智能化产线的几大特点：机器视觉相结合、混线生产模式、柔性智能切换、数据信息流。
2.1 智能视觉设备应用
自动化生产线已经在汽车行业中大量应用，首先产品具有足够大的产量需求，工艺稳定可靠，才能确保产线能提高劳动生产率和产能。工业机器人在自动化生产线中扮演重要角色，往往提到自动化，首先想到的就是机器人，重复稳定的特点让生产制造变得更简单。
工业机器人需要确保产品能保持一致性，如产品特征和精确位置等，这显然不能满足智能制造灵活性的特点。这时将3D智能相机集成到机器人上，等于给了机器人一双眼睛和大脑，能让它自主进行对工件及环境的分析和判断，最终实现智能抓取和装配。
3D智能相机能准确定位产品的坐标位置，给机器人进行抓取坐标和轨迹，实现了来料产品无需进行精确排列或放置即可定位抓取。同时通过预设的产品类型，机器人也能在不同产品间切换对应的不同抓取位置，这些都可以通过智能相机让机器人感知到。随着大量数据的积累，自学习功能，还能提高速度，定位精度高，提高效率。
图8 3D智能相机辅助机器人生产
2.2 柔性混线生产装备
与传统变速器生产模式不同，新能源变速器需要灵活多变的生产切换，柔性的混线生产模式能够大大降低制造成本。
下面列举几类关键的柔性化智能装备，应用在新能源变速器的生产线中。
2.2.1 柔性化压装单元
传统压装单元基本为专机专用，灵活性差，产量低时设备往往处于闲置状态。即使通过后期改造以兼容其他型号，改造工作量大，改造周期较长，且需要人工更换工装以实现换型。新能源变速器小批量、多品种的生产模式，使这一矛盾变得日益突出。
得益于数字化技术及可编程电机、机器人技术的持续发展，柔性装配单元在新能源变速器制造的应用逐渐成熟，与传统压装单元相比，柔性装配单元具有以下优点：自动化程度高，除了初始的上料基本可实现100%无人参与，产品质量稳定；设备利用率高，设备总量少，占用场地小；通用性强，应用灵活，适用产品覆盖范围广。
以常见的壳体柔性装配单元为例，柔性装配单元由上料盘，上料机器人，伺服电缸，压头库及压头变位电机，反力支撑库及反力支撑变位电机，壳体夹持机器人组成。
图9 壳体柔性压装单元
工作时取料机器人根据生产计划或托盘信息自动选择工装型号和对应程序，将待压装零件从取料盘放到压头，然后变位电机带动压头到伺服电缸正下方，变位电机带动对应反向支撑转到压头正下方，传感器检测到零件摆放就位后，伺服压机下行，将待压装零件压入壳体。第一步压装完成后，壳体夹持机器人带动壳体调整到预设位置，取料机器人将第二个待压装零件放到相应压头，同时反力支撑也同步调整，完成第二步压装。以上过程循环往复，直到完成本工位所有压装任务，最后壳体抓取机器人将壳体从压机上搬运到托盘上。
综上柔性装配单元自身特点，可在单工位装配任务多，总产量低的新能源变速器项目进行实施，即使一个项目产量无法达到预期产量，也可通过简单改造后完成其他项目类似装配任务，从而最大程度提高设备利用率。
2.2.2 智能拧紧设备
为满足新能源变速器不同拧紧位置技术要求，如不同产品的螺栓数量和螺栓分布无法保持一致，采用智能拧紧设备，实现柔性化生产制造。
采用机器人+多轴变位拧紧技术实现柔性化拧紧，与传统的多轴自动拧紧技术相比，机器人多轴拧紧技术具有成本低、精度高、柔性高等优势。
图10 机器人柔性拧紧设备
系统由三轴联动智能伺服拧紧轴、高精度定位悬挂平衡系统、高精度机器人组成。伺服拧紧轴可精确控制扭矩、角度、圈数等参数。可利用扭矩控制法、扭矩控制+角度控制法、屈服控制法对产品进行精确拧紧。同时具备总线通讯机能和I/O控制模式，可同步与主控系统配合，全程监控每个螺栓的拧紧过程，上传数据曲线至装配线MES。
2.2.3 智能协作机器人
随着机器人技术的飞速发展，智能协作机器人是该领域一个全新产品，采用协作机器人实现人机协作的新制造场景。智能协作机器人和传统的机器人相比具备：简单易用、灵活部署、安全可靠、降低成本等特点。考虑到智能协作机器人对大扭矩螺栓反力的承受能力和设备的稳定性。新能源变速器项目对扭矩小于15Nm的螺栓，采用智能协作机器人+拧紧轴方案，完成部分螺栓拧紧。
图11 UR协作机器人
采用人机协作的工艺方式，可以减低设备投资，减少人力成本，提高工艺质量。若螺栓分布和数量不统一，生产线系统通过PLC读取托盘RFID中调用预设的不同的拧紧程序即可完成应对，大大提供拧紧系统的柔性化程度。
2.2.4 模块化设备规划
根据新能源变速器的结构特点，将生产工艺模块化划分：齿轴模块、壳体模块、电机模块、控制器模块、总成模块等。模块化工艺和设备规划对这些特征相似的模块进行标准化，实现易改造、易复制、易扩能的智能制造模式。
模块化工艺和设备规划是个动态的过程，通过模块化，配合柔性化生产设备，可以很好完成当前多品种新能源产品相互混线的生产模式。产品设计端的系列化开发是也是实现工艺模块化的有利条件，实现更能满足多样性混线制造的新模式，发挥工艺、设备模块化的最大优势。
3 结语
应对小批量多品种的新能源变速器制造，通过数字化工具和先进装备，实现智能制造新模式，降低制造成本、缩短产品上市周期。数字化工艺和模拟仿真应用，将虚拟和现实融合在一起，加速产品开发并降低实物试装的浪费。应对未来个性化的需求，智能产线需要具备柔性切换的特点，数字化控制的设备实现数据实时传输、监控，最终形成数字化工厂和透明工厂，为工业4.0和中国制造2025做准备。
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