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' DIGITAL WORKSHOP '

中国汽车行业标杆数字化车间

合肥长安汽车有限公司冲压车间

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Part.01

概述

本项目的研究对象是合肥长安冲压车间，项目在原有合肥长安冲压车间基础上布置2条高速双臂智能柔性冲压生产线（2400T-1600T-1000T*3）以及增加8套机器人，14套双臂式机械手及2台8连杆高速机械压力机、8台6连杆高速机械压力机以及辅助检测调试设备，同时对原有两条生产线进行升级改造，实现整线设计综合效率（设计OEE）≥60%；设备开动率≥95%；一次交验合格率≥95%，满足P3、P4平台产品生产需求。本项目自 2017 年启动建设，总投入资金29578万元，2019 年 6 月 30 日建成投产。 

本项目采用智能化设备、数字化仿真、生产信息集成等先进技术，搭建汽车生产线信息化、智能化的系统架构平台，实现生产线底层物联网与上层管理系统 MES（Manufacture Execution System 制造 执行系统）、ERP（Enterprise Resource Planning 企业资源计划） 等的互联互通，填补企业上层管理和现场自动化制造之间的信息断层；并应用 PDM（产品数据管理系统）/CAD（计算机辅助设计）/CAE（计算机辅助工程）协同设计，缩短冲压工艺设计制造时间；实施车间、物流虚拟仿真验证，提高工艺流程设计和生产计划管理准确率；建设冲压车间级 BI（Business Intelligent）、MES、SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）等信息化平台；通过搭建冲压模具 生产智能检测系统，实现模具工装的使用状态及使用过程中的质量监 控的量化监控，提升产品质量及产能；大幅提升汽车冲压工艺智能制造水平，达成研制目标。

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Part.02

总体架构

合肥长安冲压车间采用智能化设备、数字化仿真、生产信息集成等先进技术，搭建汽车生产线信息化、智能化的系统架构平台，实现生产线底层物联网与上层管理系统MES（Manufacture Execution System制造执行系统）等的互联互通，填补企业上层管理和现场自动化制造之间的信息断层；并应用PDM（产品数据管理系统）/CAD（计算机辅助设计）/CAE（计算机辅助工程）协同设计，缩短冲压工艺设计制造时间；实施车间、物流虚拟仿真验证，提高工艺流程设计和生产计划管理准确率；建设冲压车间级、MES、SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）等信息化平台；通过搭建智能制造系统，实现模具工装等的使用状态及使用过程中的质量监控的量化监控，提升产品质量及产能。

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图2-1 智能制造总体构架

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图2-2 网络拓扑图

合肥长安冲压车间用数字化技术完成车间总体设计、工艺流程及布局数字化建模，用智能传感、智能识别、工业以太网A等技术将车间高速压机、高速传输设备、端拾器、工装模具、自动化立体仓库、物流盛具等硬件集成为智能“物联网”系统，用自动化技术、信息技术将底层智能“物联网”系统与上层管理系统无缝集成，最终形成自动化、数字化、信息化、智能化的冲压工厂。关键技术和亮点主要体现为如下四点：

（1）智能装备的高集成性

本项目集成了高档数控压机、智能传感控制装备、高速传输设备、智能检测装备、自动化物流仓储装备等类型的设备，支持Profinet、Ethernet/IP等多种通讯协议，兼容性高、通用性强、可扩展性强。

（2）生产线的高效性

本项目采用了八连杆传动技术的数控压机，同时配备智能同步控制的高速传输设备（双臂横杆送料系统）。压机回程速度达20次/分钟、生产节拍达到15冲次/分钟、单次换模时间小于3分钟，生产效率是普通冲压自动生产线的1.5-2倍以上。

（3）生产线的高智能化

本项目搭建冲压智能制造系统（SIMS系统），此系统包括整线控制系统、设备监控系统、质量管理系统、物流监控及生产智能排程系统、生产防错系统、工艺参数监控系统。通过车间智能制造系统的建设，解决底层自动化设备间、上层各系统间（如MES、PMC、MQS等）的互联互通，以及设备参数、工艺参数、质量信息、生产过程数据全面采集。开发工艺参数、设备运行状态、生产计划状态、质量大数据分析优化模型，以支持工艺、质量、生产管理的持续优化，形成产品内部执行代码解析、工装字段定义、冲压设备数据采集及管理等内容的创新应用。

（4）全过程的数字化设计

汽车产品设计、冲压工艺CAE、工艺流程设计、数字化生产线设计、生产线仿真、生产线调试等全过程采用3D数字化设计，可提前发现、改正设计和制造中存在的问题，实现一次设计对、一次制造对的目标。

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Part.03

建设方案

3.1项目技术路线及建设方案

合肥长安数字化冲压车间以高效设计、精益生产、快速交付为管理基础，以数字化、网络化、智能化、柔性化制造为核心，以可集成、快速反应、快速交付的管理流程和业务运营管理平台为特征，整合企业计划、采购、生产、销售、物流等各环节，集成企业内部及内部与外部之间各个信息系统，实现信息的及时传递与交互，打造高效协同的汽车制造供应体系。本车间采用的安全可控数字化手段主要包括以下几个方面：

1、建设智能柔性高速冲压生产线

通过平台化冲压能力设计、全自动化高速冲压线、高参数自动化立体端拾器仓库、智能生产信息管理系统等关键技术的应用，建设智能、柔性、高速冲压生产线，为长安汽车智能柔性高速冲压新模式应用提供了研究和实施载体。

（1）整线全自动ADC系统3分钟换模

整线逻辑控制采用树状结构分模块管理，每个模块（拆剁单元、清洗单元、各压机参数、自动化轨迹等）都具有独立的记忆、调用、执行功能。整线ADC系统启动后，只需要在总控台输入下一批次要生产的零件号，生产线的各单元模块将得到更换该零件的指令，并进行该零件生产参数（板料信息、平衡器压力、模具生产参数、机械手运行轨迹）的调用，根据程序设定的选后顺序进行自动调整、跟换。整个过程不超过3分钟。

（2）双臂连续生产模式的应用

传统断续模式的生产线，压机每运动一个冲次都会由离合器将压机滑块与主电机进行动力切断，但主电机不停止运动，在切断期间造成能耗的浪费。采取连续生产模式后，压机将不在停车，每一个冲次需要的能耗将降低10%以上，同时减小了压机在停车时受到的巨大的冲击载荷，延长压机的使用寿命。

采用双臂横杆送料系统，结合压机的连续模式，生产节拍达到15次/分钟，是机械手或机器人单机联线自动生产线的1.5-2倍以上。

（3）整线数字化的应用

冲压生产线信息采集、分析、反馈技术：汽车冲压线生产的零件数量大，种类多，过程复杂，对设备要求高，因此研发一套智能生产监控系统以及远程监控系统就可以在一定条件下通过Internet监视生产过程和现场设备的运行状态及参数，管理人员可以远程监视生产运行情况，根据需要及时发出调度指令，制造商可以方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行故障诊断、系统升级。冲压车间高速冲压线与冲压生产管理MES系统集成联接，实现生产管理系统自动化、无纸化及成本控制。

（4）生产线首台8连杆压机的应用

首台压机采用八连杆机构传动，成形时，滑块速度低且匀速，回程速度快；拉深工作区间内模具受到的冲击力小，大幅提高使用寿命，噪音小；满负荷工作区域长，适合深拉深工艺工作；每个驱动元件负载较低，加速和制动的惯量低，节约能源。

（5）自动化立体仓库的应用

利用自动化立体仓库存放零件端拾器，可以减少端拾器的存放面积，提高冲压车间空间面积利用率。同时自动化立体仓库采用先进的自动化物料搬运设备，不仅能使端拾器在仓库内按需要自动存取，而且可以与仓库以外的生产计划的互联，提前准备生产需要的端拾器并实现系统智能自动防错，提升工作效率。

2、建设冲压车间智能制造执行系统

智能生产信息系统包括整线控制系统、设备监控系统、质量管理系统、物流监控及生产智能排程系统、生产防错系统、工艺参数监控系统及SCADA数据采集集成平台。通过车间智能制造执行系统的建设，解决底层自动化设备间、上层各系统间（如MES、PMC、MQS等）的互联互通，以及设备参数、工艺参数、质量信息、生产过程数据全面采集。开发工艺参数、设备运行状态、生产计划状态、质量大数据分析优化模型，以支持工艺、质量、生产管理的持续优化，形成产品内部执行代码解析、工装字段定义、冲压设备数据采集及管理等内容的创新应用。

结合现场总线技术、工业以太网、RFID电子标签、自动传感器、PLC、电控元器件、人机交互界面、搭建“物联网”车间。消除车间设备相互独立的信息孤岛，实现车间底层数据（生产、工艺质量、设备、人工）全采集。建设冲压智能制造系统，将生产、质量、工艺、设备的管理逻辑融入系统，实现冲压核心业务自动运行，提升生产效率和设备利用率，实现长安汽车智能柔性高速冲压新模式应用的研究与突破。冲压车间智能制造执行系统功能结构如图所示。

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图3-1 冲压车间智能制造执行系统

3、冲压车间制造执行系统结构和数据集成方案

（1）冲压车间制造执行系统网络架构

车间网络包括三层网络结构：车间办公网络，车间设备控制网络（主要是工业以太网，少数不支持工业以太网的设备用现场总线连接），车间数据采集网络。三层网络结构在网络硬件上相互独立，通过交换机和核心PLC相互连接。车间办公网络采用标准TCP/IP协议，负责连通车间管理层的服务器、数据库、上层企业级管理应用系统（ERP、MES、PLM等），以及车间现场其他由PC控制的设备（三坐标或其他质检设备）；车间设备控制网络采用（工业以太网协议），组成区域环网结构，负责连通现场设备的控制器、设备通讯模块、网关等；为避免干扰设备控制信号，单独建设数据采集网络，数据采集网络采用星型结构，将自动化子系统的设备控制器、离散仪器仪表、传感器、网关等连入核心PLC，再通过核心PLC与车间管理系统连接。冲压车间制造执行系统网络架构如图所示。

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图3-2 冲压车间制造执行系统网络拓扑

4、数字化车间

通过数字化设计软件，贯穿工艺全过程的3D数字化设计模式，形成长安汽车特有的数字化工艺设计体系，对汽车生产制造过程和生产布局方案进行仿真和优化，确保生产工艺最优，设备利用率最高，工厂运行状态最稳定，产品质量最可靠，实现3D工厂的建设目标。对标行业应用情况，大众、通用等汽车企业已应用该技术，可借助规划软件的技术资源，通过业务流程的融合和优化，实现该规划系统的建设目标。

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Part.04

技术难点与创新点

4.1、项目主要技术难点

（1）大规模运用多种自动化设备分布在生产线上执行不同工艺，对后期生产线设备故障率的风险评估带来前所未有的挑战；

（2）生产线控制系统：在搭建制造平台过程中，需要对国内合资、自主品牌主机厂柔性智能线进行详细的工艺资源分析，但是通过调研方式了解的信息有限，在支持工作开展时，局限性很强。另外，工艺段多、数据量大，相互通讯和集中数据采集工作繁琐，通讯种类多。

（3）开展数字化工艺设计时，在进行各项仿真工作时，数据大部分为经验值，准确仿真的可靠性不高；需要有大量的基础数据作为支撑，找寻长安汽车生产现场的实际运行参数，并通过多次仿真对比，建立长安汽车的资源库。

（4）安全可控的超高频RFID在复杂金属环境下远距离读写的应用。在车间开放式生产环境和物流中，采用RFID技术实现盛具、托盘的物流跟踪，在移动状态下保证98%以上的正确读写率。稳定且高水平的RFID读写正确率，是冲压车间实现“物联网”信息全采集的基本保证。

（5）生产业务对象的抽象化，包括现场生产因素的基本元素的数字化、设备功能的模块化、生产管理逻辑数字化和用于管理分析和决策的数学算法。

4.2、项目的主要创新点

（1）建立生产线控制系统，将通讯、程序、HMI相关的软件编制成通用模块，标准化硬件和通讯接口，不同工艺段调用已编制好的模块或者硬件搭建使用自有的标准，提高研发效率、减低误差。

（2）开启工艺设计3D模式，实现工艺与产品、供应商3D在线协同设计。利用3D工艺规划系统，打通产品—工艺数据平台，在相同的工艺平台上进行生产线数据发包与信息交付，能高效、准确的进行在线协同设计。同时，为长安汽车智能工厂管理平台的建立奠定基础。

（3）3D运动干涉仿真分析：采用PLS(Plant Logistic Simulation)仿真软件建立生产线，提前匹配冲压线与模具，拟合干涉曲线，数字仿真冲压自动化，减少模具调试时间、消除产能瓶颈。

（4）托盘通用化、标准化研究：标准化、通用化托盘可提升板材更换效率、减少投资成本、保证托盘重复定位精度。

（5）端拾器、模具自动更换方式研究：采用自动更换方式，减轻工人的劳动强度，提升生产效率。

（6）整线封闭技术：整线采用全封闭隔离，减少噪音污染，提高工人生产效率；减少粉尘污染，保证产品质量。

（7）双臂自动化传输系统：采用该自动化系统，可以提升零件生产效率，达到10—15SPM的高速节拍。

（8）开放大型压机设备内部控制数据，冲压生产线融入车间“物联网”，打破传统生产线信息孤岛，必须人工职守的状况。采用基于计算机、总线通讯、信息采集、分析、反馈等技术对冲压生产线进行实时监控、数据采集、冲压零件缺陷、冲压模具的参数存储及查询、图形界面显示、报警信息、管理及在线分析、历史数据存储及查询。

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Part.05

解决的重大问题

5.1 虚实结合

（1）解决的关键问题

冲压生产线经历了手工生产线、机器人生产线、单臂生产线、双臂生产线逐步发展，生产节拍不断提升的同时对模具设计要求以及对生产线轨迹调试要求也越来越高，在生产初期轨迹调整时，部分模具由于受到结构限制，轨迹调整非常困难，费时费力且存在很多碰撞风险，效率不高。冲压生产线离线调试技术，通过提前离线调试轨迹曲线，减少模具上线准备时间。直观全视角动态检查干涉情况，规避现场调试时视角不全碰撞风险，使零件生产更加安全，效率更高。

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图5-1 冲压虚拟生产线

（2）突破的关键技术及做法

1.通过轨迹、扭矩和报警临界值的系列比对确保虚拟控制器的准确性；通过与实际运动控制系统的对接试验和实际轨迹测量试验，确保虚拟控制器与实际控制系统的兼容性；

2.通过将虚拟控制器与PLS进行接口开发，努力确保界面的操作方便高效、响应快速、信息友好、与合理仿真工作流程的高度集成。 

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图5-2机械手运动干涉分析

3.通过端拾器辅助自动生成（Tooling automount）开发、模具设置、双件分离等高级功能的实现，通过工作流程的总结和规范化，提升仿真软件使用的规范性、熟练程度和工艺优化的效能，提前识别并规避干涉风险，缩短试模周期，提升生产节拍；

4.将典型零件如侧围的仿真优化曲线与实际对比，严格地评估仿真系统的使用效果。在此基础上，总结、巩固与进一步提升仿真系统效能；

5.在目标达成后，再对同线生产的其它零件进行逐一的仿真、优化与现场提速。工作流程如下图：

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图5-3冲压干涉仿真的离线调试

5.2 生产低效

（1）解决关键问题

节拍提升。传统冲压生产线为断次模式生产，压力机与自动化不能同步运行，整线生产节拍较低。

3分钟换模技术。传统冲压生产线采用人工手动换模，速度慢、耗时长、效率低。

（2）突破的关键技术及做法

采用一套高度同步控制系统和实时软件操作系统确保压力机及自动化同步，让压力机及自动化处于连续模式下，让整线节拍达成SPM15。

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图5-4压力机与自动化同步连续模式

断次模式：整线SPM15，压力机SPM19。

连续模式：整线SPM15，压力机SPM15。

（3）取得成果及其产业化

目前合肥长安冲压生产线相较于一条单臂生产线平均节拍提升30%。

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Part.06

实施效果及效益分析

6.1、冲压高速智能柔性生产线的行业对比分析

（1）建立智能柔性生产线，可实现多车型产品柔性生产，大幅提升生产效率，保证生产的稳定性，智能设备可靠性，后期设备开工率高，维护成本底。

（2）通过建立设备监控及预测保养、工艺参数、设备参数、制造过程、质量控制、生产计划管理、工厂级管控指标标准，将诸多信息系统有效的联系起来形成协同平台来支持工艺、质量、管理的持续优化及汽车制造标准的建立，可向国内汽车制造企业推广和应用。

6.2、冲压车间智能制造执行系统的行业对比分析

冲压车间制造执行系统在国内仅少数合资汽车企业完成部署。合肥长安通过建设数据采集集成平台，打破不同设备与控制系统间的数据隔离，全面采集产品制造过程工艺、设备、质量等信息，并建立数据采集与监视控制系统研究能力，指导新基地新项目数据采集及管理，推广智能制造综合标准化与新模式的应用；建立现场设备控制层与监控系统间网络通讯、数据传输能力，指导汽车制造其他专业（如总装、焊装等）的生产线建设。

6.3、其他先进技术的行业对比分析

（1）冲压生产线数字化仿真

三维工艺规划及仿真可实现设计制造一体化，将对制造企业推动数字化工艺提升具有示范作用。数字化工艺是智能制造全价值链上不可或缺的一环，对企业实施全价值链的数字化管理具有示范意义。基于虚拟制造技术的数字化工厂在国外一流企业已经得到成熟的应用，国内很多合资企业均已开始实施数字化工厂项目建设。

（2）产品数字化三维设计与工艺仿真

将三维数字化设计与仿真技术引入到冲压工艺开发的全过程，通过虚拟环境代替实际的试模过程，系统地归纳总结冲压工艺参数与实际试冲结果的关系，准确反映相关参数的波动对冲压结果的影响，使虚拟制造成为可能。

同时，三维设计与工艺仿真为冲压工艺开发提供理论依据，提升了覆盖件工艺设计的整体技术水平，提高车身覆盖件的精度，避免了重复性质问题的出现，且能够使试模周期缩短，从而缩短产品研发周期，减少模具整改轮次，降低产品研发成本，为企业创造了巨大的经济效益。

（3）PDM系统

基于PDM全球协同研发平台的在线研发模式的成功推行，在长安全球协同研发上具有里程碑式的意义，被业界普遍认为具有广泛的应用和推广价值。

（4）企业资源计划系统高效协同集成

长安汽车于2002年开始实施ERP系统，2010年建立标准工厂ERP应用系统建设标准，标准建立后，无论对于公司在国内，还是国外无论以何种方式建立基地，只要进行产品制造，ERP系统均具有很好的推广应用价值，可复杂性极强。经过哈飞、北京、合肥等基地ERP系统建设的实践证明，长安汽车ERP系统已经比较成熟，基地系统实施后，对基地运营管理的支撑起到了关键性的作用。

ERP系统建设带来的管理效益、经济效益，对新建生产基地具有示范价值，必将推行公司新建基地开展ERP系统建设，以支撑新基地按时投产。同时ERP系统建设对信息化基础薄弱的供应商、经销商具有示范作用，项目实施将带动这些企业一起实施信息化战略，提高经济效益。

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Part.07

实施效果及效益分析

本项目从技术研发、工艺/产线设计、生产制造、工厂管理、产品服务等研发制造周期智能化建设，提升汽车冲压智能制造能力，降低企业制造服务成本，形成离散制造、智能化生产排程等智能制造新模式，带动行业智能化发展，为企业创造经济效益，也对行业和社会起到应用示范作用。

7.1 经济效益

1.通过建设生产线系统集成能力和虚拟调试集成能力，实现智能柔性冲压生产线的控制系统集成、离线编程与虚拟调试的验证与研究，建立了相关的企业级标准、规范以及模型。可以在生产线建设规划以及方案设计初期，利用生产线系统集成实验平台和虚拟调试实验平台，对生产线关键工位进行虚拟调试，并为生产线建设方案提供可行性分析并缩短调试周期，降低产线建设成本。

2.建设了智能柔性高速冲压生产线，实现了各车型产品制件柔性混线生产，大幅提升了生产效率。通过设备参数的实时监控，保证生产的稳定性以及智能设备可靠性，后期设备开工率高，大大降低了设备维护成本。

3.建立了集成的冲压车间智能制造系统（SIMS），实现工厂拉式生产模式转型，促进快速响应焊接需求。通过对冲压坯料库存、模具状态、设备状态、仓库库存的实时监控，借助生产排程算法，实时优化车间生产序列。实现降低库存至1.5天，提升交付能力，保证车间对焊接订单的反应更加快速。基于冲压车间智能制造系统（SIMS）的支撑，合肥长安生产完成冲压推式到焊接拉式的制造模式变革，进入到大数据时代透明化过程管理及各环节效率提升的精益生产新阶段。

4.实现了数字化工厂精益管理，提升全价值链运营效益。基于制造执行系统信息支撑，通过数据挖掘和分析，完成精细到每一制件的生产计划执行反馈，有效提升企业对制造计划到产品交付全过程的管控能力。在供应链管理方面，借助冲压智能生产排程优化模型，自动发出供货需求，在逐渐实现准时生产的同时，降低零部件库存，减轻供应商的负担，消除因板材延迟影响生产停线，实现零部件库存降低，提升供应链运营效益。通过本次精益制造转型，不仅提升对客户需求的交付能力，降低库存积压，促进企业管理效益提升，同时还为整个制造供应链树立了精益管理的标杆，为供应链上供应商乃至是为国内制造业实现精益制造变革指出了方向。

7.2 社会效益

1.通过建立设备监控及预测保养、工艺参数、设备参数、制造过程、质量控制、生产计划管理、工厂级管控指标标准等，将诸多信息系统有效集成形成协同平台，建立工艺、产品、质量、管理的持续优化及汽车制造标准，将长安的制造标准和模式向国内汽车制造企业推广和应用。

2.数字化工艺是智能制造全价值链上不可或缺的一环，本项目通过建立三维数字化工艺设计能力，从二维工艺规划提升到三维工艺规划及仿真，实现了设计制造一体化，对制造企业推动数字化工艺提升、实施全价值链数字化管理具有示范意义。

3.柔性生产线在保证平台共性结构的基础上，可以根据不同市场需求快速开发出可以在柔性生产线上制造的不同类型的车型产品，满足日益多样化的顾客个性需求。

7.3 生态效益

在实施过程中使用精密智能冲压装备、智能控制设备、智能检测设备、高频电子标签、智能仓储装备等，实现了汽车冲压生产过程智能识别、智能检测、智能连接、智能输送、智能排程、库存监控、信息集成等，国产智能装备占有率提高，实现以国产大型智能装备满足我国汽车工业高端需求，对汽车冲压生产安全可控智能装备的创新应用具有极大的促进作用。

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Part.08

下一步进行智能化改造提升的计划和思路

随着互联网、人工智能、电动化等新技术的广泛应用，汽车工业面临着转型升级，智能网联汽车、新能源汽车正逐步成长为未来汽车工业的发展方向。公司要利用这个汽车工业“智能时代”的机遇，持续开展新技术研究，加强智能化、车联网等技术研发和应用，顺应细分市场的安全、智能技术升级趋势，持续不断为公司创造价值。 

我国组织实施了制造业信息化工程专项，推动设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和企业数字化等方面的发展，数字化制造技术在我国已经取得大量应用：一是CAD/CAPP/CAE/CAM的推广应用，改变了传统的设计生产、制作模式，已经成为我国现代制造业发展的重要技术特征；二是MRP/ERP的推广应用；三是CIMS的推广应用；四是网络建设方面，近年来互联网技术的飞速发展，企业网络迅猛发展。

目前，数字化制造技术正在深入发展，我公司将从以下几个方面进行数字化转变：一是正由2D向3D转变，形成以基于模型的定义/基于模型的作业指导书为核心的设计与制造；二是并行和协同，通过产品、工艺过程和生产资源的建模仿真及集成优化技术，提高多学科的设计与制造的协同性和并行性，实现产品和工艺设计结果的早期验证；三是数字化装配与维修；四是数字化车间与数字化工厂，这是数字化制造技术在车间和和工厂集成应用和高效运营的全新生产模式，为高效物流实施以及精益生产、可重构制造、元化制造等先进制造模式提供辅助工具；五是工业互联网，由机器、设备组、设施和系统网络组成，能够在更深的层面将连接能力、大数据、数字分析、3D打印等结合。

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