工业4.0加速汽车覆盖件模具智能生产新方向

    在2011年德国汉诺威工业博览会上，“工业4.0"概念开始进人公众视野。2015年4月14日，德国政府在2015年汉诺威工业博览会上正式宣布启动升级版的“工业4.0平台”，德国政府将主导推动第四次工业革命的发展，这是一种智能化的生产方式，它的核心是实现“互联”，在生产系统及过程中形成“智能工厂”，在生产物流管理上实现“智能生产”，整合物流资源上实现“智能物流”。
 

 

     

    2015年5月我国发布了《中国制造2025))，它是中国版的“工业4.0”规划，提出创新驱动、绿色发展、结构优化、人才为本的发展战略，要由制造大国向制造强国转变。计划到2020年，我国基本实现工业化，到2025年我国制造业整体素质大幅提升，到2035年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。到新中国成立一百年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进人世界制造强国前列。

    

    不管是阔步向“工业4.0"迈进，还是切实响应《中国制造2025》计划，汽车覆盖件模具企业不会等待，将积极主动迎接这次生产方式升级的革命，并创新汽车覆盖件模具智能生产的新模式、新方向。

 

    诸多的模具生产企业，当前更多地是去要求软件的功能模块比较齐全，以此来促使软件的功能切实集成化，为模具的设计、分析带来方便，也同时为模具的制造、装配、检验、测试及生产的全过程服务，达到实现最佳效益的目的。如Pro/E，  UC和CATIA和Delcam等都是目前典型的集成化程度较高的软件，其可实现的功能包括曲面、实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级渲染、复杂形体CAM，艺术造型及雕刻自动变成系统、逆向工程系统及复杂形体在线测量系统等；国内集成化软件的代表有上海交通大学金属塑性成型有限元分析系统和冲裁模CAD/CAM系统、北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件以及吉林金网络媒介工程研究中心的冲压模CAD/CAE/CAM系统等。

    

    过去传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模具设计、分析和制作的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具，所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的CAE分析、模具制作性评价和数控加工、成形过程模拟及信息的共享。如Pro/E，  UC和CATIA等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点，从而使模具并行工程成为可能。另外，Cimatron公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均是3D专业注塑模设计软件，可进行交互式3D型腔、型芯设计、模架配置及典型结构设计。澳大利亚Moldflow公司的三维真实感流动模拟软件

 

    MoldflowAdvisers已经受到用户广泛的好评和应用。国内有华中理工大学研制的同类型软件HSC3D4.SF及郑州工业大学的Z-mold软件。

    

    随着“互联网+”的提出以及互联网广域性优势，模具行业未来可能会更加注重软件的分时系统运用，即多个用户分享使用同一软件服务平台，以此来实现模具专业辅助软件的功能个性化服务，做到“用时选用”，竭力实现设计、分析的网络协同和分时共享。软件开发商会基于此来更加突出其集成服务的高质量。

    

    在汽车覆盖件模具行业里，过去汽车覆盖件模具企业能做什么样的模具，汽车主机厂就大致去造型什么样的外覆盖件或汽车内饰件；现在，基于消费者的期望、需求日益多样化，汽车主机厂构思什么样的外覆盖件、内饰件，汽车覆盖件模具企业就要去研发、制造什么样的模具，以此来竭力满足汽车主机厂的需求。为更好地满足汽车主机厂的创意设计理念，更好地促进汽车主机厂的生产进度，汽车覆盖件模具企业模具产品的研发、设计要更加和汽车主机产品设计协同、沟通。如何能通过协同缩短彼此开发周期，那就要结合2015年3月李克强总理在政府工作报告中首次提出“互联网+”行动计划，积极建立起“汽车覆盖件模具研发大数据平台”，促进汽车主机厂与汽车覆盖件模具企业之间、汽车覆盖件模具企业与汽车覆盖件模具企业之间、汽车覆盖件模具企业与汽车覆盖件模具加工设备厂家之间大协同、大数据共享的新格局。

 

    

    中国制造企业使用工业机器人已经有20余年的历史。但由于人口红利的持续存在，直到2013年机器人才开始大规模地进人国内制造企业。2014年中国成为机器人的全球第一大市场，被称为中国工业机器人“元年”。“元年”背后的指向，并非单纯的是“机器换人”，而意味着中国的制造业有了深刻的、不可逆转的变革。

    

    汽车覆盖件模具生产企业也挤上了新一轮的工业革命的帆船，在伴随中国制造业转型升级的同时，广泛使用机器人(见图1)，以此改变世人对“中国制造”的刻板印象。眼下，汽车主机厂之间的激烈竞争，致使对汽车覆盖件模具的要求越来越苛刻，如模具的货期不断缩短、模具的质量要求越来越高、模具价格要求越来越低。汽车覆盖件模具生产企业加工设备利用率不高，加工效率急需提高。汽车覆盖件模具生产企业生产一线操作工短缺、人力成本不断攀升，企业竞争力急待提升；再加之现场安全生产的更高要求，汽车覆盖件模具生产企业已经开始改造现场，使生产现场不断涌现出一台台的工业机器人，这些企业正悄然迈向现场模具制造与调试“无人化”。
 

 

 

图1 汽车覆盖件零件生产单元

 

    现代化汽车主机厂的生产制造不仅要满足批量化、自动化的要求，而且要具备可配置、灵活、能传递信息以及可变化的生产单元的综合要求。未来的汽车覆盖件模具制造企业或许会更快地建立智能工厂，以此来适应现在汽车主机厂一条生产线上(生产单元里)要同时并线生产五六种甚至更多车型的要求。

    

    可以预见，在“十三五”期间，工业机器人的浪潮将会向中国制造业全方位袭来。在机器人参与的生产线上，所有机器人在智能环境下结合物联网传感器，不停地收集着各种生产数据和参数，同时机器人依靠其本身拥有的复杂生产编程软件及设备控制的工业电脑，不断与操控单元通信、编程，形成一个看不见的高度复杂的电子网络体系。它可以把生产流程切分成非常细小的片段，每个片段都遵循严格的顺序加工，片段之间用自动化传动机制联系起来，根据信号的需求来调整程序、更换各种工具及改变生产节拍，让生产单元高度柔性化、切实智能化。图2所示为汽车覆盖件零件高速冲压集成单元

    

    未来在信息化环境下的汽车覆盖件(见图3)模具智能工厂里，数万平方米的车间里虽然机器轰鸣，但很难见到人影，偶尔可能会有一两个工作人员出现处理信息，汽车覆盖件模具智能工厂会出现一个新的“刷屏”时代。在实现信息化之前，车间的相关数据，全部依靠人工收集、录人、分析和整理，最后再交给后端进行处理。

    

    而在智能工厂里，从生产计划、工艺技术、设备、原材料，再到成品库，整个过程都与后端平台进行实时共享，产品生产过程追溯和管控一目了然。生产过程中的浪费也会得到有效控制，生产效率大幅提升。汽车覆盖件模具的智能工厂一旦建成，就会改变企业家为控制人力成本而将产业向低劳动力成本国家转移的做法，因为智能工厂会使基于劳动力的成本几乎相同，所以不管在美国、欧洲、中国、非洲或其他国家和地区劳动力成本不再存在差距了。在这种情况下，应该说会重新改写全球的汽车覆盖件模具制造乃至整个制造业的格局，产业链会再次被刷新。智动化在线检测与误差补偿，模具精度大提高

    

    在当前非智能工厂环境下，精密、复杂以及大型汽车覆盖件模具快速向前发展，这对检测设备的要求越来越高。目前，国内模具制造企业使用较多的是意大利、美国和日本等国的高精度三坐标测量机，还具有数字化扫描功能扫描设备。现在精密模具的精度已达2--3um。

    

    为方便覆盖件模具质量的检验以及产品检具的检测，需要较大行程范围的三坐标检测设备，其常用的有德国WENZEL，意大利Coord3和德国蔡司等三坐标测量机(见图4)，一般精度为 (3.5+L/300)um以内，其双桥式结构的方便性更强。
 

 

    

    常见的数码摄影光学扫描仪，如英国雷尼绍公司第二代高速扫描仪(CYCLONSERIES2)可实现激光侧头和接触式侧头优势互补，激光扫描精度为O.OSmm，接触式侧头扫描精度达0.02mm；德国COM公司的ATIS便携式扫描仪，日本罗兰公司的PIX-30，  PIX-4台式扫描仪和英国泰勒·霍普森公司的TALYSCAN150多传感三维扫描仪分别具有高速化、廉价化和功能复合化等特点。这些扫描设备可有效地采用数码摄影和光学扫描作为空间三维信息的获得手段，从而实现了从测量实物一建立数学模型一输出工程图样一模具制造全过程，成功实现了逆向工程技术的开发和应用。

    

    在未来汽车覆盖件智能工厂里，生产单元会有智动化的在线检测与误差补偿子系统，子系统依靠物联网传感器，不停地收集着各种在线检测数据，实现每一件产品的质量状况在生产过程中实时检测，直接改变了过去非要等到模具部件或产品出炉了才知其质量好坏的历史。集成化专业设备与柔性单元，模具制造高效率、超精密

    

    当前一流的汽车覆盖件模具制造企业一般都会拥有集群式、大型的龙门加工中心，目前全球2D加工制造设备如日本OKUMA，  SNK、三菱和东芝等的五面龙门加工中心是比较经济实用的。3D加工制造设备如意大利的MECOF，  JOBS和蓝苞蒂等高架桥式高速龙门加工中心是比较经济实用的。生产集成线如图5所示。

    

    同时还会拥有精密的高速铣削加工中心，其具有工件温升低、切削力小、加工平稳、加工质量好以及加工效率高(为普通铣削加工的5一10倍)等诸多优点，一般主要用于大、中型汽车覆盖件模具曲面加工，其曲面加工精度可达O.Olmm。如意大利RAMBAUDI公司的高速铣床，其一般加工范围达2 SOOmm x5 OOOmm x 1 800mm，转速达20 SOOr/min，切削进给速度达20m/min。统观国内机床工业，工作台Y向行程在3m以上，尤其是智能化的4 000一5 OOOmm的动梁式超重型龙门加工中心、大型三坐标的研发与生产、大型五轴联动数控龙门加工中心等是我国汽车覆盖件模具企业智能工厂推进的瓶颈。大型高精专业设备如图6所示。
 

 

 

    图5 集成生产线

 

    汽车覆盖件模具企业，要从“制造”迈向“智造”，要迈向智能工厂，其工艺的发展离不开智能设备、装备的支持，同时还离不开与互联网技术的有机结合，要在智能设备、装备中广泛部署传感器，使其成为智能化的生产工具，成为物联网的智能终端，从而实现工厂监测和操控的智能化。智能工厂里制造设备的自动化系统和生产制造管理系统之间的对接是更加无缝化的，从而能够实现智能制造，以其敏捷的调配能力去调整生产单元并不断满足不同用户的个性化定制需求。未来，汽车覆盖件模具企业、专业机床企业之间或许会有新的产业、技术重组，不断研发、生产具有集成化能力的专业设备与柔性单元，并推出崭新汽车覆盖件模具智造方案系统，促进汽车覆盖件模具智能工厂的高效率、超精密以及优质个性服务。图7所示为智能化应用实例。

 
 

 
 

图7 ATOS扫描采集数据