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行業知識

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汽車產業的智能制造關鍵技術都在這里了!

發表時間:2019-02-25 11:46:10

智能制造具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能,具備以智能工廠為載體,以關鍵制造環節智能化為核心,以端到端數據流為基礎、以網通互聯為支撐的四大特征。汽車產業智能制造主要包括智能化工廠、智能化管理、智能化產品、智能新模式和智能化服務五個部分的主要內容。

在汽車智能制造技術方面,世界工業發達國家占據主導地位。美國在汽車產業智能制造供應商體系方面,是世界上最強的,在工廠自動化(PLC)、ERP系統、三維虛擬仿真軟件和PLM產品等方面可以說是一枝獨秀;與美國相比,德國在制造系統上,還要強一些,但在互聯網領域,德國仍然落后于美國。法國在智能制造方面有良好的基礎,在工廠自動化(PLC)、三維仿真軟件(PLM)技術、ERP系統上均有世界先進的企業,體系齊全。從整體上看,法國智能制造整體水平比德國稍微差一些,但相去不遠。目前看,在汽車智能制造方面,日本在硬件,尤其機器人技術上,有較強的優勢。從智能制造整個體系看,中國雖然在各個環節都有企業從事相關技術開發和產品制造,但還有待加強,尤其工廠自動化硬件產品,尚不能為汽車制造企業提供完整的支撐。本文對汽車智能制造中的關鍵技術進行論述和分析,并對中國汽車智能制造發展提出建議。

三維仿真技術

三維仿真技術即在汽車智能制造過程中充分利用三維仿真軟件進行產品設計、生產制造以及數字化工廠系統集成。如圖1所示,三維軟件系統涵蓋了從產品開發到產品制造的整個過程,并在這個過程中發揮著重要的作用。三維仿真技術具體應用可分下述三類。

圖1 三維仿真軟件應用范圍

1.基于三維模型的數字化協同研制

在汽車產品的設計階段,三維仿真系統的應用已相當普及,尤其在多地協同研發的應用中,三維仿真圖形可以給工程技術人員更直觀的感受,將自己設計的部分與其他設計對接、與系統對接更加容易。

三維軟件系統是全球數字化協同研發平臺的基礎,已應用到了設計、仿真、驗證、工藝等整個產品開發過程,基于同一平臺的協同研發保證了基于全球協同的數據源實時、唯一、準確,實現了無序的協同環境向高度集成的協同環境的轉變。

圖2 智慧工廠框架模型

2.三維仿真數字化工廠

通過數字化制造系統,制造工程師可以在一個虛擬的環境中創建某個制造流程的完整定義,包括:加工、裝配線、加工中心、設施布局、人機工程學、資源分析利用。在制造產品之前,出于重用現有知識和優化流程的考慮,可以對產品的生產流程進行仿真。同時,數字化制造還可將實際生產作業反饋回來的資料融入產品設計流程中,使企業在整個策劃階段都能利用車間相關狀況的實際資料。

三維仿真軟件在產品生產工藝階段有兩個方向的作用,一是新工廠建設規劃,二是已有生產線的改造。在新工廠的規劃中,又分為三維工廠布局規劃、生產工藝優化、物流規劃三方面內容。

通過三維虛擬仿真,在舊生產改造項目上,可以大大降低工藝缺陷,以及通過離線編程將程序下載到現場機器人,減少現場調試時間和樣車的使用數量,此部分在國內多家汽車廠獲得了驗證。

3.智能制造虛擬現實交互

虛擬工廠是把&ldquo;現實制造&rdquo;和&ldquo;虛擬呈現&rdquo;融合在一起,通過遍布全廠的海量傳感器采集現實生產制造過程中的所有實時數據,這些數據數量非常巨大,可實時、快速地反映生產中的任何細節?;谶@些生產數據,在計算機虛擬環境中,應用數字化模型、大數據分析、3D虛擬仿真等方法,可對整個生產過程進行仿真、評估和優化,使虛擬世界中的生產仿真與現實世界中的生產無縫融合,利用虛擬工廠的靈活可變優勢,來促進現實生產。

企業步入&ldquo;工業4.0&rdquo;時代的基礎。但虛擬與現實的集成要通過通信技術和虛擬網絡以及實體物理網絡系統的結合來實現,此三方面構成完整信息物理系統。圖2是智慧工廠設想圖,帶箭頭的藍色網帶是連續不斷的數據流,在虛擬與現實之間形成閉環回路。

在虛擬與現實之間,需要實現數據傳輸,企業要完成信息化平臺集成工作,打通各個信息鏈,消滅信息孤島是關鍵。因此,智能制造要在數字化工廠的基礎上實現全流程端對端互聯,對整個制造環節進行水平整合和垂直整合,打造一個互聯工廠。

系統集成技術

系統集成技術即企業完成信息化管理平臺集成工作,打通各個信息鏈,消滅信息孤島,實現全流程端對端信息互聯。根據系統集成程度,可分為三個等級:基礎集成、中級集成和高級集成。

基礎集成有兩個方面的含義,一是底端設備控制層、中間執行層MES與上端企業管理層ERP三層架構集成,如圖3所示;二是實現企業內廠際互聯。

圖3 基礎集成

根據汽車制造企業智能制造的發展情況,中級集成的含義為:一是PLM平臺與上述的基礎集成融合;二是企業與供應商實現互聯。中級集成框架如圖4所示。產品生命周期管理(PLM)是一款能夠整合擴展型企業中的數據、流程、業務系統以及人員的信息管理系統。PLM軟件能夠以經濟高效的方式對產品整個生命周期(創意、設計和制造到維修及處理)的信息進行管理。PLM 是在PDM基礎上發展起來的管理系統;PDM解決了&ldquo;做什么產品&rdquo;的問題,ERP解決了&ldquo;何時做、在哪做&rdquo;的問題,那么數字化工廠解決&ldquo;怎么做&rdquo;的問題,通過MES執行;那么PLM可作為全部管理系統平臺。

圖4 中級集成方案

按照&ldquo;工業4.0&rdquo;智能制造工廠的設想,對一個企業來說,智能制造的高級集成階段是在企業內部實現了ERP數據到車間設備層傳感器級別數據的縱向集成;實現了從產品研發到售后服務的橫向集成;建立產業鏈協同平臺,實現了從原材料供應到客戶的端到端集成。圖5是企業智能制造高級集成框架圖。

圖5 高級集成框架

高級集成的智能制造企業加上互聯網技術,將會使企業連同其業務和生產流程及各類設施,與其能源、原材料及外協供應商以及其客戶,以一種全新的方式達到前所未有協同。美國羅克韋爾公司(Rockwell Automation)認為,這一協同的生產方式將是工業4.0的最高階段,如圖6所示。

圖6 工業4.0與互聯網融合后的協同生產方式

大數據技術

1. 生產制造大數據

汽車制造企業中生產線處于高速運轉狀態,由工業設備生產、采集和處理的數據非常復雜而多變。這些數據是由生產線上安裝的數以千計的小型傳感器來探測的溫度、壓力、熱能、振動和噪聲信息。利用這些數據可以實現很多形式的分析,包括設備診斷、用電量分析、能耗分析、質量事故分析、生產線物聯網分析、供應鏈優化、生產計劃與排程優化等。

圖7是PTC公司利用ThingWork平臺所做的設備維護工作,生產設備的數據通過傳感器收集后進行分析,對需要維護的設備制訂相應計劃,在設備故障前及時進行處理。

對智能裝備運行數據的采集,是將物聯網、移動互聯網、云服務概念和智能裝備制造業相結合,通過無線互聯網和云服務模式提供可靠性數據的收集和分析服務,實現對生產系統全天候的獨立監控。工業大數據的一個非常重要的功能是可以被用來建立產品生產過程的動態虛擬模型,或對在工藝規劃階段建立的三維仿真模型進行驗證和實時信息連接。實時數據與三維仿真模型連接后,工廠將可視化和透明化,工藝人員可持續對生產工藝進行優化和改進。另外,智能裝備在大數據分析與積累的基礎上可實現自我調節,自我改善。

圖7 PTC公司大數據利用框架

2. 產品大數據

產品大數據是制造商通過對產品運行狀態的數據進行采集和分析,對該產品進行評估,在此基礎上,為客戶提供增值服務,如提高產品能源的使用效率;提高工業系統與設備的維修和維護效率;優化并簡化運營,提高運營效率等;或在眾多產品數據分析的基礎上,改進產品和生產工藝。

在產品大數據方面,國內外整車制造商企業進行了很多探索,如長安汽車、上汽集團等。根據一汽集團技術中心在&ldquo;2015中國汽車工程學會年會&rdquo;上發布的汽車TBOX功能模塊,產品大數據中大量技術尚未掌握,如圖8所示。

圖8 車聯網TBOX模塊核心技術

3. 市場大數據

通過大數據來分析市場當前的需求變化和組合形式是大數據應用的又一個層面。大數據是一個很好的銷售分析工具,通過歷史數據的多維度組合,可以看出區域性需求占比和變化、產品品類的市場歡迎程度以及最常見的組合形式、消費者層次等,以此來調整產品策略和鋪貨策略。

在銷售方面,各個汽車企業都比較重視,有委托第三方進行市場調查的,也有企業自己進行市場調查的,比較領先的汽車企業已經可以通過ICT技術直接從店面終端獲取大數據信息,然后進行跟蹤服務和進行生產規劃。

工業大數據應用的價值潛力巨大,中國汽車產業要實現這些價值還有很多工作要做。在企業管理系統集成完成之后,實現生產制造環節端對端的連接,解決信息孤島問題,就要引進大數據技術。但如何采集設備的數據、采集哪些數據、如何進行分析和處理,汽車企業仍有很多困惑。

結語

利用三維仿真軟件對產品進行協同創新設計和驗證,對制造工藝和工廠在其真正建設之前進行規劃和優化,降低了投資成本,減少建設和投產時間,縮短產品上市周期。

系統集成即完成信息化管理平臺集成工作,打通各個信息鏈,消滅信息孤島,實現全流程端對端信息互聯,可使企業在數字化工廠的基礎上實現產品研發設計、生產制造、銷售物流全流程自動化管理。

利用大數據(云計算)技術聯通虛擬與現實,要實現這一目標,需大數據、云計算技術對生產過程、產品使用過程和市場進行監測、分析和處理。

從整個智能制造體系來看,中國雖然在各個環節都有企業從事相關技術開發和產品制造,但還有待加強,尤其工廠自動化硬件產品,尚不能為汽車制造企業提供完整的支撐。

中國在具有自主知識產權的汽車智能制造技術研究上需要加強。在該領域加強政策頂層設計,為我國汽車產業智能制造的可持續發展提供宏觀指導;加快汽車產業智能制造相關標準制定,使整車企業與零部件供應商、物流企業等實現信息和數據的互聯互通;加強關鍵核心技術研發及產業化;加強智能制造相關人才培養。

標簽:智能制造
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