智能化工廠是近年來(lái)各制造行業(yè)所追求和實(shí)踐的目標(biāo)，也是中國(guó)制造邁向工業(yè)4.0和向高端產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的共同特征。熱處理是機(jī)械制造的基礎(chǔ)工藝之一，早期因作業(yè)條件惡劣和設(shè)備技術(shù)發(fā)展限制等因素，長(zhǎng)期處于勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。近年隨著裝備技術(shù)的發(fā)展，熱處理裝備自動(dòng)化有了質(zhì)的飛躍，熱處理智能化工廠的實(shí)現(xiàn)具備產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。熱處理智能化工廠的構(gòu)建也得到了工信部等行政管理部門(mén)的支持。從單臺(tái)裝備自動(dòng)化走向生產(chǎn)線自動(dòng)化，再到無(wú)人車間、數(shù)字化車間是熱處理技術(shù)發(fā)展的必由之路。五菱工業(yè)齒輪熱處理車間自建廠之初就秉持行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)持熱處理自動(dòng)化和信息化的發(fā)展方向，不斷提升車間自動(dòng)化信息化水平，以打造行業(yè)優(yōu)秀智能化工廠。
一、熱處理自動(dòng)化
熱處理滲碳爐自動(dòng)化生產(chǎn)線
公司齒輪熱處理采用推盤(pán)式滲碳生產(chǎn)線，主要集成了熱處理滲碳淬火及相關(guān)工藝：前清洗、預(yù)氧化、滲碳淬火、后清洗和回火。這條線出廠已實(shí)現(xiàn)各工序設(shè)備間的自動(dòng)化集成，人工操作部分主要是人工裝卸料和推盤(pán)上下線。行業(yè)內(nèi)部分廠家為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上下料，在推盤(pán)爐上下料區(qū)域集成機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卸料，但該方式存在工裝變化大、換型困難、機(jī)器人調(diào)試程序復(fù)雜、節(jié)拍緊張等問(wèn)題，應(yīng)用推廣受限。公司通過(guò)改造升級(jí)裝載器具和物流車，實(shí)現(xiàn)熱處理爐上下料的“自動(dòng)化”，其實(shí)現(xiàn)方式如下：將滲碳工裝通過(guò)裝載物流車轉(zhuǎn)運(yùn)至前、后工序，并前、后置熱處理裝卸料工序;將原集中操作的熱處理裝卸料崗位的工作，分散到前、后工序的多個(gè)崗位進(jìn)行，熱處理區(qū)域只需將裝載零件的料盤(pán)工裝推盤(pán)上、下線，大大提升了車間的綜合效率，并減少了熱處理崗位的人員需求。崗位員工的主要操作也由裝卸料轉(zhuǎn)變?yōu)橥票P(pán)上下線、工藝巡查及質(zhì)量檢測(cè)等工作。
熱處理后工序自動(dòng)化集成
齒輪熱處理后工序主要有噴丸處理、被齒端面拋光、主齒研中心孔、校直、螺紋退火等，這些工序有設(shè)備多、人員密集、操作強(qiáng)度高、作業(yè)環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。自動(dòng)化集成可有效提升勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，解決噪音、粉塵及高溫燙傷等健康危害問(wèn)題。齒輪熱處理后工序自動(dòng)化生產(chǎn)線通過(guò)機(jī)器人集成實(shí)現(xiàn)了主、被動(dòng)傘齒輪噴丸自動(dòng)上下料以及被齒端面拋光，主齒噴丸、研孔、校直、退火自動(dòng)上下料，將原本單一設(shè)備獨(dú)立作業(yè)的工作模式，轉(zhuǎn)變成多臺(tái)設(shè)備整線集成聯(lián)線作業(yè)的工作島模式(見(jiàn)圖1)。工作島具備維護(hù)便利、布局便利、效率高等特點(diǎn)，現(xiàn)熱處理車間完成2組自動(dòng)線的集成，每組自動(dòng)線僅需1人即可維持生產(chǎn)線的自動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)自動(dòng)線實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵質(zhì)量100%在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能，如噴丸壓力實(shí)時(shí)流量監(jiān)控、主齒校直跳動(dòng)在線檢測(cè)、校直裂紋探測(cè)，螺紋退火能量監(jiān)控功能，以保障自動(dòng)線的質(zhì)量監(jiān)控。工作島模式在熱處理的應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)熱處理各工序操作“解放雙手”，操作人員主要工作重心轉(zhuǎn)移到輔助上下料、生產(chǎn)線自動(dòng)運(yùn)行的維持、產(chǎn)品車型切換、工藝參數(shù)巡檢和質(zhì)量檢查等工作上。整線改造減少了人工9人，大幅提高了生產(chǎn)效率和降低人工成本。
AGV物流系統(tǒng)
熱處理因工藝的特殊性及產(chǎn)線占地面積大，通常會(huì)布置在單獨(dú)的車間內(nèi)，操作崗位與機(jī)加工區(qū)域有較大的物流距離，AGV物流系統(tǒng)是解決物料拉運(yùn)距離遠(yuǎn)問(wèn)題的較高效的運(yùn)行方式。齒輪工廠的AGV物流系統(tǒng)主要包含AGV物流車及控制系統(tǒng)、運(yùn)行軌道及物流路線、物料裝運(yùn)器具及其存放區(qū)、充電站及各區(qū)停靠站點(diǎn)等。因熱處理區(qū)域有半成品、成品緩沖存放區(qū)、工裝料具存放區(qū)，并形成一對(duì)多的信息處理站，故AGV物流系統(tǒng)的信息識(shí)別及處理區(qū)放在熱處理區(qū)域。AGV小車上的顯示屏在熱處理區(qū)域站點(diǎn)可自動(dòng)顯示需求的物料和路線方向，以便操作人員對(duì)不同的需求信息做出判斷和處理。其他站點(diǎn)則只提供召喚需求以及換料操作即可。AGV的物流路線形成了閉環(huán)系統(tǒng)，不僅是加工零件運(yùn)轉(zhuǎn)路線的閉環(huán)，還包括運(yùn)載裝具和料框的循環(huán)流轉(zhuǎn)及閉環(huán)管理，以減少裝運(yùn)器具在某個(gè)區(qū)域的堆集和人員對(duì)系統(tǒng)的干預(yù)。另外，系統(tǒng)可自動(dòng)監(jiān)控小車的運(yùn)行軌跡，記錄各停靠點(diǎn)的?？考鞍l(fā)出時(shí)間，便于故障原因分析和后續(xù)路線優(yōu)化等。
優(yōu)化的生產(chǎn)加工過(guò)程
熱處理工序、工藝流程的優(yōu)化可以使熱處理自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)易，運(yùn)行更高效平穩(wěn)。
高效的備料方式：生產(chǎn)線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)后，仍然需要人工輔助參與自動(dòng)線的上下料，而集中高效的備料方式能減少人工對(duì)生產(chǎn)線的干涉，降低人工的勞動(dòng)強(qiáng)度。如工作島生產(chǎn)線，每個(gè)上、下料區(qū)采用翻轉(zhuǎn)臺(tái)的備料方式，員工可1 次裝載約 100 件零件，備料后可 1 小時(shí)不在備料區(qū)操作;推盤(pán)爐的上線備料區(qū)可一次上線5盤(pán)物料，備料后可2小時(shí)不在備料區(qū)操作。
適應(yīng)自動(dòng)化的工裝夾具和換型方式：現(xiàn)代汽車齒輪產(chǎn)品趨向多品種、小批量等特點(diǎn)，適應(yīng)自動(dòng)化的簡(jiǎn)易換型工裝是影響自動(dòng)線運(yùn)行率和生產(chǎn)效率的重要因素。熱處理后工序自動(dòng)化上下料生產(chǎn)線在策劃階段便考慮了多品種產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)，采用適應(yīng)自動(dòng)化的簡(jiǎn)易工裝夾具，實(shí)現(xiàn)了高效的換型，并預(yù)留一定的其他產(chǎn)品類型的空間，加之自動(dòng)加工程序的柔性選擇，大大延長(zhǎng)了自動(dòng)化生產(chǎn)線的生命周期。
自動(dòng)化應(yīng)用小結(jié)
本文所述的自動(dòng)化改造主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工過(guò)程幾個(gè)工序的自動(dòng)化，距離全自動(dòng)化車間還有一定的距離。(1)連續(xù)爐設(shè)備的裝卸料自動(dòng)化，因工裝夾具變形及誤差問(wèn)題，需設(shè)計(jì)便于自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的專用熱處理工裝，同時(shí)借助視覺(jué)拍照搬運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝卸料，可降低因熱處理工裝變形造成的定位基準(zhǔn)偏移問(wèn)題及不同產(chǎn)品定位不一致問(wèn)題帶來(lái)的影響。(2)自動(dòng)化單元的銜接，需要充分從物流、裝具轉(zhuǎn)換等方面考慮，以進(jìn)一步提升工廠自動(dòng)化水平，這涉及與熱處理前、后工序及機(jī)加工區(qū)域的料具統(tǒng)一，需要從工廠層級(jí)考慮自動(dòng)化匹配。
二、熱處理信息化
產(chǎn)品信息化
現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)齒輪產(chǎn)品熱處理主要采用批次信息作為齒輪的質(zhì)量追溯信息，齒輪屬于汽車關(guān)鍵零部件，批次管理存在過(guò)程管理困難，追溯信息有限，無(wú)法做到全工序追溯，尤其是精確到件的追溯，存在追溯難度大、追溯批量大、成本高等問(wèn)題，越來(lái)越難以適應(yīng)信息化發(fā)展的需求。齒輪車間經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣二維碼在主被動(dòng)傘齒輪上的刻錄和識(shí)別，并能保證熱處理及噴丸后仍有較高的識(shí)別率，基于此，構(gòu)建了齒輪的二維碼精確追溯系統(tǒng)。該系統(tǒng)從齒輪毛坯上線即打標(biāo)生成二維碼，一碼一零件，同時(shí)關(guān)聯(lián)了原材料毛坯批次號(hào)、機(jī)加工生產(chǎn)線或機(jī)組號(hào)、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)班組等信息，熱處理前，每個(gè)零件掃碼集合裝爐時(shí)則關(guān)聯(lián)生成熱處理批次爐號(hào)信息，后工序則是每個(gè)掃碼點(diǎn)關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的加工信息，并在成品入庫(kù)時(shí)集成關(guān)聯(lián)生成成品批次號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)齒輪全工序的信息關(guān)聯(lián)。通過(guò)二維碼掃碼和系統(tǒng)查詢，既可往前追溯所關(guān)聯(lián)各工序的加工信息，又可向后精確追尋定位零件所在的物料批次和裝車信息，大大提升了追溯效率和降低追溯管理成本。同時(shí)，二維碼追溯系統(tǒng)與生產(chǎn)MES系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)生產(chǎn)排產(chǎn)計(jì)劃，可系統(tǒng)監(jiān)控各產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度信息，也可用于可疑物料的攔截遏制。
熱處理生產(chǎn)線信息化
熱處理推盤(pán)爐生產(chǎn)線信息化主要將生產(chǎn)信息、工藝程序、工藝參數(shù)和曲線等過(guò)程控制數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)化、圖形化整理出來(lái)，匯總形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝程序庫(kù)和工藝曲線庫(kù)等子系統(tǒng)，并通過(guò)二維碼追溯系統(tǒng)嵌入關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與前工序物料信息的交互和無(wú)紙化傳輸，最終完成零件信息、推盤(pán)爐設(shè)備加工信息和生產(chǎn)信息三者信息關(guān)聯(lián)。生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)包含生產(chǎn)產(chǎn)品的加工信息，如生產(chǎn)日期、上線時(shí)間、零件名稱、車型、批次號(hào)、數(shù)量等，設(shè)備系統(tǒng)軟件具備自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每個(gè)加 工爐次生產(chǎn)信息的功能，并形成列表，便于儲(chǔ)存及后續(xù)的追溯。這些信息的傳輸交互只需掃描其中一個(gè)零件的二維碼，即可從追溯系統(tǒng)獲取。工藝程序庫(kù)主要用于設(shè)置不同的工藝程序，可根據(jù)不同的產(chǎn)品、材料、毛坯批次等，設(shè)置不一樣的熱處理程序，便于工藝管理。工藝曲線庫(kù)可實(shí)時(shí)收集顯示設(shè)備的滲碳溫度、滲碳碳勢(shì)、滲碳時(shí)間、淬火溫度、淬火油溫等工藝參數(shù)，根據(jù)需求，每個(gè)爐號(hào)均可形成對(duì)應(yīng)的一個(gè)工藝曲線。工藝曲線庫(kù)的形成，不僅方便當(dāng)前工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可方便未來(lái)質(zhì)量問(wèn)題的工藝追溯，便于開(kāi)展工藝分析。
熱處理后工序設(shè)備信息化
齒輪熱處理后工序信息化主要圍繞噴丸、校直、退火等工序做設(shè)備信息化改造，各設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)本設(shè)備的加工信息收集和記錄，如噴丸機(jī)的噴丸壓力、鋼丸流量和加工時(shí)間;校直機(jī)的校直前、后跳動(dòng)，校直次數(shù)，是否有裂紋;退火機(jī)的退火電流電壓、工藝時(shí)間、加工能耗。設(shè)備信息化下一步的改進(jìn)計(jì)劃是零件與設(shè)備加工信息的關(guān)聯(lián)，這涉及設(shè)備PLC程序的修改及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)優(yōu)化，需要設(shè)備廠家進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。
信息化應(yīng)用小結(jié)
產(chǎn)品二維碼的應(yīng)用是信息化的關(guān)鍵，二維碼追溯系統(tǒng)為熱處理的生產(chǎn)管理和質(zhì)量追溯提供了便利。目前齒輪車間熱處理信息化更多的是應(yīng)用在零件的質(zhì)量追溯以及報(bào)表輸出上，未能關(guān)聯(lián)生產(chǎn)及設(shè)備管理系統(tǒng)，這部分與生產(chǎn)更緊密結(jié)合的項(xiàng)目如訂單管理、生產(chǎn)管理、庫(kù)房管理關(guān)聯(lián)，需要結(jié)合生產(chǎn)需求做進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。生產(chǎn)信息系統(tǒng)和質(zhì)量信息管理系統(tǒng)都是企業(yè)信息化系統(tǒng)的部分，如何統(tǒng)一結(jié)合分層級(jí)地實(shí)施信息化，是企業(yè)未來(lái)信息化改進(jìn)需考慮的重點(diǎn)。
三、結(jié)論
自動(dòng)化和信息化工廠的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)持續(xù)升級(jí)改造的過(guò)程，需要舊產(chǎn)線和設(shè)備的不斷改造升級(jí)，也需要新投資項(xiàng)目的前瞻性規(guī)劃。自動(dòng)化和信息化是構(gòu)建智能化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，未來(lái)在互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)和人工智能的支持下，熱處理這一基礎(chǔ)工藝將最終實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn)略.