智能制造产线建设及仿真技术集成技术研究：
摘要：随着中国人口红利的逐渐消失 ,传统人员密集型生产企业人员成本越来越高，升级为高效率、低人力、高质量的自动化产线已经是企业亟待解决的问题，甚至已经成为部分企业未来发展的重要战略规划之一，国务院印发的《中国制造 2025》将智能化工厂、工业自动化提升至国家战略层面。自动化与信息化的融合 ,将为中国制造业转型升级带来新的机会。本文将从自动化产线的建设及应用系统集成等方面对提出一些相关建议
关键词：自动化；产线规划；设计规范；设备集成；产线物流；
1. 企业数字化智能产线建设目标
众所周知，生产车间是制造型企业的生存根本，车间智能化，则企业智能化，对于传统生产企业来说，数字化转型是企业发展势不可挡的趋势，以推广智能制造为切入点，提升工业基础生产能力，提高综合集成水平，拉动企业达到自动化、数字化乃至智能化的目标。
自动化：以机床、各种工艺设备、物流设备、测量设备等设备为自动化升级基础，实现生产过程精准化执行，数字化信息采集，这是整个智能工厂的基础。
数字化：以制造管理系统为中心的管控系统，实现对计划调度管理、生产物料与产品均衡配比、工艺执行情况、过程质量监控、设备状态管理等生产环节各要素的精细化管控。
智能化：以设备物联网为基础桥梁，连接信息化系统和物理设备，实现产线数字孪生，将虚拟数字世界和现实生产场景进行真正的有机融合，相互作用。
最后，以精益生产为核心要素，引领整个数字化车间建设，贯穿整个数字化建设体系的始终。
2. 企业产品及工艺流程分析
在自动化产线设计前，应先对企业产品进行详细调研，了解产品特性，分析产线改造侧重点及注意事项，主要分为以下几个方面：
Ø 产品种类：分析产品数量，以最大产量产品为基准进行规划，同时根据产品种类分析产线是否需要兼容多种产品，调研不同产品生产切换频率，在切换生产产品时，是否有大量工装需要更换，更换方式是否需要无人化；是否存在混线生产的情况，并考虑混线生产对自动化产线的设计影响。
Ø 人员要求：对产线人员数量有无硬性要求，若无要求，需要在投入成本、技术难度、人力成本方面进行平衡。
Ø 节拍要求：产品是否为大批量高节拍产品，在进行自动化产线升级后对节拍是否有更高的要求，若在某些瓶颈工位由于技术原因无法提升节拍，需要考虑采用多台设备并行的方式。
Ø 质量要求：了解企业对于产品生产合格率要求，若产品为军品，是否需要达到百分百合格率，不良品进行返修或报废时如何进行流转，根据目前生产不良品率计算不良品暂存区容量。
Ø 产品危险性：了解生产的产品是否会发生危险，在生产过程中是否会对人员造成身体损失，在自动化产线设计时应考虑如果避免相关情况。
Ø 生产环境要求：了解产生产时对环境的要求，例如是否需要控制厂房温湿度，是否有有害气体产生需要进行排放，危险品生产人员与逃生门距离是否符合标准要求，逃离路线上是否有设备干扰等。
当对企业产品有较为详细的了解后，开始进行工艺流程调研，首先应了解当前人工生产工艺流程，整理输出企业当前工艺流程图；然后分析每步工艺原理，对于该工艺的必要性和合理性进行评估，对于某些老旧的、不适宜自动化生产要求的人工工艺，与企业商议是否可以进行调整，结合自动化设备升级优化为适宜自动化生产的先进工艺，输出优化后的生产工艺流程图。
3. 产线规划其他难点因素
产线设计规划时，除了产品生产本身的工艺难点以外，一些其他人为因素或历史因素造成的问题会对设计及最终交付造成极大的影响，提升很多不必要的成本，增加设计难度及风险，因此在产线规划阶段，就应与企业讨论是否可以解决这些问题，具体问题主要如下：
Ø 装配线来源物料一致性差，会造成新研发设备对设计样品可以装配，但进行规模化生产时，会造成设备装配失败；
Ø 装配物料及装配工艺是以人工操作方式来考虑设计规划的，造成自动化改造成本过高或改造失败；
Ø 某些产品以传统人工方式进行质检，无参数化检测标准；
Ø 防爆车间设备安全性界定过于模糊，很多先进设备无法使用；
Ø 存在“新设备，老工艺”的情况，对某些明显落后淘汰工艺无法及时更新；
Ø 产线兼容性要求过高，会出现十几种乃至二十多种产品需要在同一产线进行完成的情况；
Ø 产线设计时未考虑后期进行数字化车间建设的硬件需求，对后期进行数字化升级时造成了很多不必要的困扰及浪费；
4. 智能自动化产线调研与分析流程
无论是旧线改造还是新产线建设，都是一项庞大的系统性工程，需要在企业现有生产流程的基础上进行升级改造，其中生产工艺是自动化产线升级的重中之重，需要设计人员完全掌握，并根据自动化相关知识对不适应自动化升级的工艺进行优化，再反应到产线设计规划图中，对设计图进行优化修改，经过多次迭代修正，才能最终确定产线布局，这种优化的过程会贯穿整个调研、设计、实施的过程中，大致过程如下所示：
4.1 初步走访客户，挖掘需求
通过与客户交流，了解企业自动化规划，调研该自动化产线建线关重要素，如人员、节拍、安全、质量等因素。
4.2 工程师进驻现场
参观现场，了解目前自动化情况；了解目前设备使用状况、设计原理，使用效果，故障率，故障原因，维修难度等，通过走访工艺人员，划分产品种类，了解工艺作用，梳理工艺流程，记录关键工位及其注意点，通过走访操作人员，了解工艺细节，设备操作难度及工艺完成难度，往期设备使用问题，设备失败原因；
现场调研结束后进行风险评估，风险评估分为以下几个层面：
- 该产线是否有难度较大、无法完成的需求方要求的复杂工位。
- 是否有来自需求方的人为障碍。
- 是否有某些瓶颈工艺无法突破，需要各方协商。
- 该产线由上游供应的原料是否无法达到自动化改造条件，是否可以协商修改。
- 产品本身是否无法适应自动化改造。
- 自身的技术实力是否满足。
- 某些复杂工位非标研发成本是否过高，风险过大， 且不可复制，无法投向市场。
4.3 初步工艺规划、初步产线规划
整理企业目前人工工艺流程，将其转化为适应自动化产线的工艺流程，并以此为基础，初步规划产线布局，物流流转方式，设备摆放位置。
4.4 工艺设备研发
通过了解产品生产工艺，整理相关工艺设备，将设备分为三个类型：采购设备，改造设备和非标设备，对采购设备筛选厂家，了解设备参数是否能达到使用要求，选定相关型号，记录采购周期，对改造型设备采集原厂设备信息，了解相关接口兼容性，确定改造难度及风险，非标设备通过调研目前人工工作方式，设计初步方案，与客户沟通后确认方案原理，做设备内部机械结构细化，各类结构件选型，有必要的设备需要进行运动仿真模拟。
4.5 详细工艺规划、详细产线规划
将采购及研发的工艺设备与初步产线规划相结合，根据设备瓶颈工艺能力及节拍限制，反向论证产线规划合理化程度，将二维产线三维化，将相关物流设备及工艺设备数模导入产线三维数模中，对不合理部分进行优化。
4.6 产线仿真、虚拟调试
进行详细三维数模进行产线物流仿真，测试物流模拟可靠性，对工艺较为复杂，节拍较高的产线进行整体节拍运算，合理规划日生产物料及成品吞吐量，必要工位进行虚拟电气调试。
4.7 产线调试、交付
将虚拟数字化产线进行采购，设计，安装调试，以及整线联动调试，对不合理的部位进行调整修改，直至产线交付。
5. 产线仿真对产线规划的作用
随着智能制造数字化趋势的发展，如今的制造系统已经成为将机械制造、计算机科学及系统管理工程于一体的综合应用，由于其技术难度大，建设周期长，前期投资巨大，因此三维协同设计及仿真已经成为产线布局设计的重要技术手段之一，其最大的效益体现，是可以将可能发生的设计问题在设计阶段暴露并加以解决，从而大幅度提升设计质量和设计效率。
5.1 传统产线设计规划方式的痛点
传统三维软件建立的产线布局模式只具备静态展示和查看功能，无法对生产过程中多因素动态信息进行计算模拟的能力，产线布局仅仅依靠设计工程师传统经验，而仅依靠人员计算，无法对产线建设过程中的多种因素进行通盘考虑，从而无法暴露在产线实际建设之前的潜在问题，而且由于传统设计软件的局限性，会在设计实施过程中产生很多问题，具体如下：
- 设备工艺动作、机器人工作及多机器人协作等工作流程、干涉情况仅仅通过工程师个人经验判断，容易出现纰漏；
- 产线物流运转过程无法直观表示，复杂产线产品生产运输过程交流成本较高；
- 对于复杂产线节拍计算较为困难；
- 在建线结束后，产线数模就无法产生任何作用，通过产线仿真软件可以将数模与实际产线进行数据打通，对真实生产进行合理管控并不断优化。
5.2 数字化产线建模与仿真的重要性
设计建设自动化生产线是一项庞大的系统工程，与数字化相结合可以对整个制造生产流程进行有效的控制与管理，以及对内外部各种资料进行合理规划与应用配置，设计前期进行详实的数字化布局与仿真模拟能有效的提升设计效率，而传统三维设计方式仅仅在前期规划、设备模型设计阶段采用数字化手段，在产线建成后，相关数据资料作为档案资料封存，无法对后期生产、调试、产线优化产生作用，造成了资源浪费。采用制造领域的数字样机技术，连接虚拟与现实，将产线数模应用于贯通整个产线建设生产流程，即贯通规划、建设、调试、生产、优化、监控整个流程，实现产线智能化，更直观和简单的监控整个生产过程，从而极大的提升产线设计工作效率及后期数据应用率。
5.3 仿真布局使用流程
通过利用相关设备及软件内置功能模块，可以快速对产线进行布局规划，大大减小了前期准备工作量，使产线设计更加数字化、规范化，提升设计合理性，其关键性技术主要包括以下几个方面：
l 通过扫描将现有厂房结构扫描成点云导入软件，根据现场环境确认该区域占地面积，并对其区块进行功能定义，并对不同区块衔接方式进行定义。
厂房点云扫描图
l 调研企业生产工艺、自动升级需求等因素，基于产品、生产资源、工具工装、设备选用，人员模型等情况，结合自动化设备建立三维数字化产线数模。
l 通过利用软件内置的产线资源库体系，包括物流输送线、AGV、机器人、人员、工艺设备等模块合理配置，编写工艺流程，进行仿真分析。
l 通过系统内参数化的各种设备资源库及制造单元，对产线生产规则进行多方面定义。
l 根据产线数模导出完整的BOM结构，并生产各种可视化报告供参考。
l 对产线进行简单渲染，并进行展示。
以上述软件功能为基础，按照以下方式，即可快速自动化产线仿真数据：
仿真输入输出信息- 进行工厂资源建模，收集导入目前已有设备模型，对没有模型的设备及新研发设备进行数据准备，建立各种产线设备、工装夹具、结构单元等模型；对产线设计规则进行检查定义并完善，导入各节点中。
- 对工厂资源库定制，根据实际情况对资源库进行合理定制，包括类结构调整、扩充种类等。
- 对软件产线工厂设计环境进行定义，例如种子文件、模板、属性等。
- 对产线实际生产规则进行定义，例如设备运动干涉情况，制造加工情况等，确保设计的可落地性。
- 初步规划产线，导入已有的二维产线图，对不兼容的部分进行优化修改。
- 根据产线规划图，搭建相关BOM结构
- 从资源库中将各种物流设备及非标工艺设备调入产线图中对应位置并进行调整。
- 对产线结构进行优化调整，对物流传输规则及生产规则进行定义。
5.4 仿真技术的作用
通过创建复杂的生产系统的动态计算机模型来探索系统特性，优化系统性能，对库存和在制品比例进行动态模拟优化，对生产设备利用率进行统计，若利用率过高，可能会减低设备使用寿命，利用率过低，造成资源浪费，可以基于计算机模型来试验和仿真新工艺，不需要干扰现有生产。
产线仿真偏重于产线布局、工艺流程、物流等方向，在数字化环境中对其进行仿真优化，其价值主要包括以下内容：
Ø
产线错误暴露 对新工厂新产线的布局建设或现有车间改造，将企业产品发展战略规划与三维产线进行模拟验证，在产品生命周期早期发现错误，产线设计错误暴露越早，修订所需的成本越低，问题发现的越晚，其综合损失将成指数型上涨。
Ø
产线设计建设演示 在工厂早期阶段，通过二维模型快速设计，不断修改，提高设计效率，随着项目进行，在规划阶段，切换为三维模型，更直观的进行设计，在二维及三维模式下，都可以通过仿真数据实时动态模拟工厂特性，反应设备利用率、工作节拍、物流顺序等。
Ø
减小投资成本在确保产能的情况下，尽可能的减少投资成本，提高生产设备能力；
Ø
均衡生产库存计算库存物料及生产产品储存量，最大化利用生产资源；
Ø
优化物流线路 通过不断运行仿真模型，进行物流密度及方向分析，从而提升产能，降低物流搬运距离。
Ø
数据采集及分析 进行生产数据分析，预测未来实际生产效果，比对预期规划目标，通过布局优化。
Ø
能耗分析 通过能耗分析，提升设备协调性，减少设备开支，通过仿真结果，统计优化后能源节约开销。
Ø
瓶颈工位分析 计算产线节拍，并通过相关功能查找瓶颈工位并进行分析，同时统计分析消除该瓶颈工位后能获得多大收益，对比消除瓶颈工位成本是否合算。
5.5 需要进行仿真模拟的场景
产线仿真对产线的建设流程带来了非常大的提升，将产线建设从传统设计模式改变为规划、设计、仿真、验证、调试、生产运营一体化的建设流程，打通了数据与现实生产的壁垒，虚拟数据与实际产线相互结合，互相反馈修正，从而改变了设计流程，真正的让数据用了起来，极大的提升了设计效率及规划收益。其应用范围主要包含以下几个方面：
Ø
工艺仿真 仿真模拟设备加工、制造、装配、包装的过程中，对设备生产方式进行模拟，比较典型的是NC加工过程模拟，反应工件加工情况，防止加工欠切，过切，刀具使用状况，并对刀具加工工艺进行优化处理。
Ø
机器人仿真 根据机器人及机器人末端工装真实模拟，验证机器人工作范围、空间干预、利用率、尤其是多台机器人联合加工生产等方面，有效提升后期上线成功率，减少错误几率。
Ø
人机工程仿真 经过仿真对需要人员辅助操作的工作进行分析，对工作流程，人员操作可行性，装配运动过程，操作安全性等进行输出指导。
Ø
工厂规划阶段 在新建工厂或进行厂房产线扩建时，需要计算厂房面积、设备数量及设备效率、工人数量、布局方式等时期。
Ø
工厂效率优化 产线效率不足，需要进行优化调整，在最小投入的情况下最大化提升产线效率；有生产产品变动，在当前产线上，修改产品工艺，增删产品种类。
Ø
日常运营 在产品种类及数量比较多的情况下，通过产线模拟排列组合产品生产方式，优化订单生产组合策略。
6. 结束语
产线规划建设是一项复杂的系统性工程，需要综合考虑机械、电器、土建、软件等综合因素，将物流设备与工艺设备结合在一起，合理利用各种物流设备，将极大的提升企业物料流转效率，降低用工需求，同时，在设计时将产线仿真技术与产线规划设计良好的结合在一起，能极大的提升产线设计建设的效率和成功率，在产线建设完成后，为产线集成制造管理系统，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，协调各个物流设备及工艺设备运转，采集工艺生产信息，按照企业的需求完成指定货物的有序、快速、准确、高效的物流运转作业，从而提升企业的自动化程度，使用产线真正的做到自动化、数字化乃至智能化。
