基于智能制造的汽车保险杠柔性铣孔焊接设备

1.前言

2.实施背景

2.1工艺方面

2.2信息化方面

3.创新成果的内涵和做法

3.1创新成果的内涵

3.2创新成果的具体实施

3.2.1工艺创新

3.2.2缩短周期

3.2.3细分模块

3.2.4信息化提升

4.实施效果

4.1经济效益

4.2社会效益

01

年10月，北京汽车工业控股有限责任公司和江南模塑科技股份有限公司在江苏江阴签订合作协议，双方将按51∶49的股比在北京合资成立北京北汽模塑科技有限公司（以下简称北汽模塑），并于年6月在北京注册成立，是由北京海纳川汽车部件股份有限公司和江南模塑科技股份有限公司共同出资建立的国有控股企业。

北汽模塑股东方为北汽集团与江阴模塑集团。北汽集团拥有四大汽车整厂（北京现代汽车、北汽福田汽车、北京奔驰、北汽有限），海纳川为北汽集团零部件产业平台，拥有与世界强、国内前三强合资合作的30多家零部件产业。江南模塑为国内最大的汽车生产基地之一，为了扩大今后北京地区的汽车外饰系统业务，双方强强联合建立。

北汽模塑一期工程总投资2.5亿人民币，占地面积亩，已于年7月建成并正式运营量产，因业务发展需要公司二期工程追加投资约2.5亿并计划于年初正式运营量产，一期二期工程都都坐落于北京汽车零部件生产基地大兴采育经济技术开发区，主要从事设计、研发、制造汽车保险杠总成、门槛边梁总成、汽车柱类装饰件及轻量化汽车零部件产品，在北京、株洲、重庆拥有配套生产基地，重点服务于北京奔驰、北京现代、沃尔沃等高端品牌客户，属于汽车零部件行业，致力于成为国内保险杠行业的领跑者。

02

在《中国制造》中提出坚持把创新摆在制造业发展全局的核心位置，完善有利于创新的制度环境，推动跨领域跨行业协同创新，突破一批重点领域关键共性技术，促进制造业数字化、网络化、智能化，走创新驱动的发展道路。智能制造被定位为中国制造的主攻方向，是实现制造大国向制造强国转变的重点战略目标。汽车行业是实施“智能制造”行动的主战场，现有企业同质化严重，企业间竞争形势严峻，需要通过新技术的开发来提高企业的核心竞争能力。

北汽模塑的二工厂主要服务于北京奔驰的项目，北京奔驰为打造更多适宜中国本土市场的新车，扩大了针对中国市场研发的车型数量，承每年上升的趋势。同时，同一车型需匹配奔驰不同总装线以及不同节拍的JIS供货的背景下，为迎合市场的变化，开发柔性设备势在必行。

表1：北汽模塑-承接奔驰项目数

2.1工艺方面

汽车保险杠是吸收和减缓外界冲击力、防护车身前后部的安全装置。一般汽车的塑料保险杠是由外板、缓冲材料和横梁三部分组成，其中外板和缓冲材料用塑料制成，横梁用冷轧薄板冲压而成U形槽，外板和缓冲材料附着在横梁。

保险杠在注塑和喷涂之后，需要在保险杠上开孔并焊接雷达支架，传统的工艺为冲孔成型。近年来，随着汽车技术的不断发展，市场的不断变化，顾客对产品有了更多元化的需求。许多新的生产工艺不断涌现，其中异形孔成型的工艺要求应运而生。

现有的汽车保险杠上的雷达孔都是通过冲孔压合成型工艺来实现的，冲孔焊接设备多为单机设备，一个工位需完成所有工序，生产节拍长、占用场地大，工作效率较低，无法满足客户日益增长的新项目开发需求。冲孔焊接工艺在调试阶段变更孔径需新制冲刀周期长，冲刀及冲套匹配不理想，易形成料丝进而压伤保险杠表面。

通过柔性铣孔焊接设备的开发，可有效解决以上出现的技术难点，不被新工艺的出现所掣肘。

2.2信息化方面

数据采集与设备联网，迈不过去的坎。工厂要真正实现智能制造，必须对先进的智能设备进行系统规划、管理和充分运用，必须进行设备、生产等数据的自动采集，实现生产设备、检测设备、物流设备，以及移动终端的联网，没有这个基础，智能制造就是无源之水。

智能制造的概念有些宽泛，涵盖了从“工业3.0”到“工业4.0”很长的战线，尽管与其它行业相比，汽车行业在数字化转型道路上走得最远，但就目前发展情况来看，仍有很多问题尚需解决。

数字化企业是通向“工业4.0”和智能制造的必由之路，统一的标准化的软硬件和通讯，让工程数据保持高度一致的同时，并在水平方向和垂直方向上的集成。控制器、分布式I/O、人机界面（HMI）、传动、运动控制系统、电机管理系统等都可以无缝集成到一个单一的工程环境。企业管理水平要提高，统一的标准化文件必不可少。如果将机械设计的过程与电气数据联系到一起，就可以自动生成PLC程序和相应的E-CAD布局方案。这是工程实现阶段跨越性的一步。目前大部分车企还难以实现自动化设备配置和程序生成，基本处于人工编程调试的阶段。

PLC以其高可靠性、灵活性以及强大功能被广泛应用于工业控制领域。传统的PLC程序设计主要是基于面向过程的编程模型，重要特点是(逻辑)函数,通过主函数调用一个个子函数。按这种模型编写的程序以一系列的线性步骤(即作用于数据的代码)为特征。它是自底向上的设计流程，即从I/O点着眼，然后逻辑事件、对象、工艺流程、人机界面。基于此方法设计的PLC程序完成依赖于程序设计者的经验和技巧。存在编程效率低、可读性差、可靠性差、代码重用性差以及修改维护、扩展困难等缺点。当规模不大时，面向过程的设计方法因其逻辑(函数)关系明确实现简单，问题突显不出来，但是当规模扩大到大中型软件时，一个项目的代码量不是一个人可以单独完成的，小组的分工与合作成为解决代码量大的方法，这就向程序员之间的配合提出了新的挑战，同时数据共用导致了不安全，代码重用率低等问题也阻碍着面向过程方法在大中型软件工程中的发展。

目前北汽模塑已经开始智能化工厂建设，其中立体库已经开始破土动工、智能仓储、智能物流、AGV等自动化项目也在规划中。运用物联网和自动化控制系统实现物理世界与信息世界的集成，发布控制指令，实现对底层物理设备“感”、“联”、“知”、“控”的闭环管理，工厂全流程管理的透明化，这是智能化工厂建设的基础。

通过柔性铣孔焊接设备的开发，设备可以从上位系统里获知实时的生产计划，同时将完成信息反馈给上位系统，此设备成为了北汽模塑智能制造工厂建设的先行军。

03

3.1创新成果的内涵

保险杠柔性铣孔焊接设备将多种项目的保险杠集中到一个柔性流水线上进行加工，流水线上集成了胎膜库、雷达支架库、异型压工位、CNC工位、柔性焊接工位、上件工位、下件工位，胎膜作为独立单元在线体上流动，保险杠在一个流水线上完成加工处理，加工高效快捷。流水线上的胎膜、雷达支架，以及各个加工工位的加工设备可以进行更换，例如铣刀、焊接单元、胎膜等，从而适用于不同规格型号的保险杠，进而实现柔性生产，提高了保险杠的加工效率。

此外保险杠柔性铣孔焊接设备可直接与工厂的上位系统进行对接，以物联网技术以及信息化等先进技术为手段，把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地联系在一起，进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

保险杠柔性铣孔焊接设备真正实现了柔性化、自动化、智能化和信息化，提升了发动机公司的整体核心竞争力，进而推动国内大保险杠制造行业智能工厂发展、提高智能制造水平，在行业内起到示范作用。

3.2创新成果的具体实施

3.2.1工艺创新

柔性铣孔焊接设备由异型孔冲孔压合成型工艺，优化成为异型压合成型、铣削成型工艺，将金属加工工艺中所使用的CNC设备，首次引入塑料零件后处理，此工艺方式为业界首创，颠覆了原有的工艺流程，实现了工艺流程的革新。

原有的异型孔冲孔焊接单机设备，采用与产品数据一致的仿型的冲头与冲套，在对保险杠内外表面加热到指定温度的时候，开始进行冲压成型作业。在异型冲头与保险杠外表面，异型冲套与保险杠内表面完全贴合之后，进行冷却保压成型作业，待保压时间结束后，异型孔成型完毕。

异型孔冲孔焊接单机设备的不足主要有如下几个方面：

（1）在保险杠加工时，工艺流程中加热及保压时间较长，生产效率较低；

（2）由于是保险杠局部区域温度较高，塑料件受热之后变软，在冲压过程中，极易产生冲孔后的滞留料丝，需要冲头及冲套的配合精度良好，才会避免滞留料丝的出现，制作精度要求较高；

（3）在设备调试过程中，保险杠异型孔孔径尺寸无法满足使用要求的情况下，需根据实际尺寸要求，冲头及冲套配套进行重制更换，来满足异型孔的孔径尺寸要求，冲头及冲套表面为异型面且精度要求极高，同时材质特殊，因而重制更换成本较高；

（4）在冲孔成型过程中，冲孔、异型压同时进行，保险杠局部区域应力瞬间释放，成型之后会有一定比例的回弹现象，同时极易造成保险杠漆面表面的损伤，需要油漆受热之后的延展性较好，对保险杠油漆品质要求较高。

柔性铣孔焊接设备，将冲孔压合成型工艺分拆为异型压合成型、铣削成型工艺，针对异型孔冲孔焊接单机设备的不足点有如下改善：

（1）设备在工艺上进行了拆分，同时采用流水线工作模式，整体效率提升明显；

（2）设备在工艺上采用先异型面成型，并在成型过程中进行保险杠内外表面同时进行吹气冷却。在进行下一步工序铣孔成型时温度已基本降至正常温度，不存在冲孔之后的滞留料丝现象；

（3）设备在调试过程中，可直接通过更改CNC铣削程序更改保险杠孔孔径尺寸，无需新制冲头冲套，方便快捷，节约成本；

（4）设备在运转过程中，会先进行异型压合成型，保险杠外表面形成满足理论数据的异型形状。在异型压合成型之后，胎膜流转至CNC加工中心位置，进行铣削成型作业，应力比冲孔成型能够较为均匀的释放，异型孔成型回弹现象较小，同时保险杠漆面表面的损伤情况也比冲孔成型的效果好。

3.2.2缩短周期

近年来,汽车工业发展迅猛,而市场竞争激烈和消费理念升级决定着汽车产品需要快速迭代,因此缩短整车研发周期是一个汽车企业在整车项目管理中的重要手段,这对一个汽车企业在满足客户需求同时能继续保持其产品竞争力有着非常直接的影响，汽车制造设备的开发周期在整车研发周期中也占用较多的时间。

原有的设备需要制作单机设备来满足不同项目的需求，制作单机设备耗费时间包括较长的整机设计时间、制作较多的机械加工件、采购较多的标准件、较长的设备调试时间。对于柔性铣孔焊接设备来说，在新项目数据确定之后，只需要制作与项目产品匹配的可移动胎膜即可满足项目开发的需求，相较于单机设备，优势在于机构简单、机械加工件和标准件较少、设备调试时间较少。对于项目的设备开发来说，可将原有的设备开发周期有24周缩短至8周，对缩短整车研发周期提供了有力的支持。

3.2.3细分模块

柔性铣孔焊接设备中将原有的工艺流程细分为多个模块，分别为异型压工位、CNC工位、柔性焊接工位、上件工位、下件工位，胎膜作为独立单元在线体上流动，保险杠在一个流水线上完成加工处理，加工高效快捷。此外每个模块可独立进行柔性化生产，同时可根据订单的不同，灵活的调整线体上的胎膜种类、雷达支架种类，以及各个加工工位的加工设备可以进行更换，例如铣刀、焊接装置、胎膜等，从而适用于不同规格型号的保险杠进行加工，进而实现柔性生产，提高了保险杠的加工效率。整个生产形态上，从大规模生产转向个性化定制，实现全自动柔性化智能生产。

图1：异型压工位

图2：CNC工位

图3：柔性焊接工位

图4：柔性铣孔焊接设备平面布局图

3.2.4信息化提升

柔性铣孔焊接设备中，基于面向对象思想的PLC编程模式是自顶向下，着眼点为人机界面、工艺流程、对象。而逻辑(函数)事件、I/O点处理是封装在对象里。设计者面向的是对象，然后再描述对象之间的关系即流程。其基本思想是，对问题进行自然分割，以更接近人类思维的方式建立问题域模型，从而使设计出的软件可能直接地描述现实世界，即构造出模块化的、可重用的、可维护性好的软件，并能控制软件的复杂性和降低开发维护费。通过特定工具软件实现面向对象编程，可以自动生成PLC标准程序及人机界面等。

车间内以太网一统天下，通讯规约统一，会让通讯组态和调试变的更加简单和迅捷。大数据依赖依赖于底层数据的收集，打通垂直数据集成通道是“工业4.0”的重要标志。

Profibus以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，成为国际上通用的现场总线标准之一，广泛应用于汽车生产线。但由于Profibus基于RS串行技术，存在网络低速复杂、诊断困难及通信可靠性受条件(如总线终端电阻的匹配性、接地良好性等）影响大的问题，特别是集成工业自动化控制系统与企业较高层IT系统(如MES、ERP等)技术复杂、迫切要求Profibus技术的纵向扩展。

柔性铣孔焊接设备控制采用Profinet（工业以太网）集成的单一网络处理工艺过程和安全信号，实现从现场控制到制造执行等一网(以太网)到底，实现智能制造。

柔性铣孔焊接设备中进行了信息化提升，可直接与工厂的上位系统进行对接，把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地联系在一起，进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，实现互联互通的先进智造。

3.2.4.1柔性铣孔焊接设备自动化网络架构

（1）N0级网Profinet网络，用于传感器执行器层；实现从现场传感执行层到控制层一网到底，打通垂直数据集成通道，Profinet集成的单一网络处理过程信号；

（2）N1级网ETHERNET网络；用于控制系统内设备间的批量数据交互。例如主控制柜与机器人、子操作屏等之间的数据交互，细部网络架构如下：

a.MES系统将库存数据传送至柔性线PLC系统，PLC系统根据内部算法生成生产队列；

b.WMS系统根据产品队列生成物料单和叫料单，人工排序捡料，扫码出库，同时更新WMS库存数据；

c.柔性线BUFFER线上线扫码放错，同时生成颜色队列，PTS支架库根据颜色队列出库等待；

d.柔性线S1工位扫码上件，至S9工位工作完成；

e.生产完成，将生产数据传送至MES系统，NG产品生成插单计划。

（3）N2级网ETHERNET网络；用于工厂各系统之间的信息交互。例如各控制系统、制造执行系统MES、库存管理系统WMS、备份等系统。

图5：柔性铣孔焊接设备N1级网络架构图

3.2.4.2控制策略

（1）WMS库存数据传送至MES系统，同时柔性线PLC将无故障的胎膜型号传送至MES系统，MES系统生成生产队列，同时将生产队列传送给柔性线PLC系统，调整胎膜顺序；

（2）WMS系统根据产品队列生成物料单和叫料单，人工根据现场电视看板排序捡料，扫码出库，同时更新WMS库存数据；

（3）柔性线BUFFER线上线扫码防错，同时生成颜色队列，PTS支架库根据颜色队列出库等待；

（4）柔性线S1工位扫码上件，至S9工位工作完成；

（5）生产完成，将生产数据传送至MES系统；

（6）MES系统规划PTS支架库动态配置。

图6：柔性铣孔焊接设备数据方案流程图

3.2.4.3控制系统标准化

（1）开发应用标准柜、安全装置（如安全门、安全光栅等）及其他标准元器件；减少设计和制造成本,减少备件种类和费用,提高设备可靠性;

（2）自动化生产线控制系统采用模块化设计；每个模块单元组成于区域、操作员面板、电器柜、装置、元件、故障信息、监控系统、执行系统(SEW、IM-6等)、RFID系统。包含Profinet网络PLC面向对象编程等创新技术应用，建立各工艺自动化标准架构。

同时柔性铣孔焊接设备的生产线数据包括设备运行状态、当班产量、合格品产出、产品队列、质量信息反馈到MES系统，最终实现上位系统对柔性的产品数据采集、设备运行状态监控、质量管理控制等多种功能。

待后续北汽模塑智能制造工厂建设完毕时，中控系统通过直接下达生产订单及BOM到进行订单生产，同时工厂信息化系统实时采集记录生产中质量信息及产品生产过程数据，并形成完整的电子产品档案，建立起产品及设备的大数据库，并依据柔性铣孔焊接设备所有数据实时形成各种报表，最终实现产品过程在线管控和质量追溯，因此柔性铣孔焊接设备成为了智能制造工厂建设的先行军。

04

柔性铣孔焊接设备的实际应用，从源头上有效的实现了保险杠产品的质量追踪控制和生产最优管理，提高了产品质量和生产效率，降低了不合格率从而有效的降低了生产损耗成本，降低了设备的综合投资，减少了设备停机率及故障率。自主研发能力的提升，确保了公司的可持续发展，以及提高了公司的核心竞争力。

4.1经济效益

在业内，柔性铣孔焊接设备基本达到了“中国制造”的理念，以创新形式实现了柔性化智能化的共线生产，并线生产极大减少设备投资，提高了工厂现代化信息化智能制造水平，进行了生产组织控制优化，稳定并提高了产品质量，加强了产品质量追溯能力，减少了人力资源的投入。

以下为柔性铣孔焊接设备的实际效益评估，根据工厂的实际产品的产能配比、人力成本、场地成本、能源成本等进行计算，其中实际产品仅按照现有规划的产品进行计算，后续的持续性降本增效效果将十分显著。

图7：冲孔焊接设备

图8：柔性铣孔焊接设备

表2：柔性铣孔焊接生产线

上表为普通冲孔焊接设备与柔性铣孔焊接设备的对比表，其中产品种类可扩展为20种，现只计算目前在线体生产的9种产品所节约成本。根据上表所提供的数据，可计算节省成本如下所示：

4.1.1改进前所需成本：

（1）设备开发成本：0*9=13000

（2）人工成本：生命周期产能*节拍/*人数*18.93=

[(++++)*90+(+++)*]/*1*18.93=.

（3）用电成本：设备功率*运行时间*0.67=设备功率*生命周期产能*节拍/*0.67=

[15*(++++)*90/+25*(+++)*/]*0.67=

（4）场地成本：场地面积*场地租金*项目生命周期=3.8*3.2**5=

（5）总成本：设备开发成本+人工成本+用电成本+场地成本=13000+.++=.

4.1.2改进后所需成本：

（1）设备开发成本：

（2）人工成本：生命周期产能*节拍/*人数*18.93=

（++++++++）*45/*2*18.93=.1

（3）用电成本：设备功率*运行时间*0.67=设备功率*生命周期产能*节拍/*0.67=

*(++++++++)*45/*0.67=

（4）场地成本：场地面积*场地租金*项目生命周期=23*7.4**5=

（5）总成本：设备开发成本+人工成本+用电成本+场地成本=+.1++=.1

综上所述：改进后共节约成本=改进前总成本-改进后总成本=.-.1=.

4.2社会效益

截至目前为止柔性铣孔焊接设备项目，为世界上第一台柔性保险杠生产线，同时也是国内第一台将雷达孔由冲孔替代为铣孔的设备，处于行业领先地位，也是未来我国智能化、柔性化制造发展方向。同时通过物联网、生产流程实时数据采集，通过工业网络解决了人、机、料、法、环、地理信息的有效管理，实现了工厂信息系统与智能装备的深度融合。

此项目引入多项创新技术及集成应用点，降低了生产过程中对人的技能依赖，降低了运营成本，缩短了产品的开发周期，进行整体的信息化提升。同时为类似设备的开发提供了极为宝贵的经验。

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