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龙城精锻:推进智能化协同设计,引领行业智能化转型

2023/1/20    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:智能设计案例  e-works年度盘点  智能制造  龙城精锻  
本文为“2022年度中国智能制造最佳应用实践奖”参评案例。本次活动将评选出2022年度,为中国智能制造领域带来突出效益的最佳实践工程,全面介绍企业推进智能制造的步骤、重点与难点、获得效益等,分享建设过程中的经验,供广大制造业行业企业学习供鉴。
一、企业简介

       江苏龙城精锻集团有限公司成立于1995年,总资产15亿元,员工1400余人,是全球知名的高端精密锻件和零部件制造商,汽车零部件行业精锻产品领域的国际知名企业。

       集团向全球十多家跨国零部件制造商提供200多种高端中小型精密锻件,公司主要产品有:汽车交流发电机爪极、转子、轴,燃油喷射系统用油轨、喷油器体、底盘悬架系统控制臂和转向系统锻件等,年出货量6800万件 。目前公司也正在参与新能源汽车相关锻件的开发。主营产品汽车发电机精锻爪极全球市场占有率达38%,位列全球第一,被认定为工信部第三批“制造业单项冠军产品”。

       公司先后获得国家知识产权优势企业、制造业与互联网融合试点示范企业;江苏省隐形冠军企业、首批“江苏精品”认证、示范智能车间、互联网标杆工厂、五星级上云企业;常州市市长质量奖、江苏省省长质量奖等荣誉;并被认定为江苏省隐形冠军企业。还先后荣获法雷奥全球唯一的精锻类产品优秀VIP供应商、博世的全球优秀供应商、电装集团海外优秀供应商等称号。
江苏龙城精锻集团有限公司
图1 江苏龙城精锻集团有限公司

二、企业在智能制造方面的现状

       公司于2019年开始智能制造的规划和建设,截至目前,公司已通过各层级纵向贯通、各系统横向集成,建立起融合设备与系统、物理与数字映射的智能工厂,实现企业成本不断优化,产品质量不断提高,生产效率大幅度提升,设计与工艺持续优化改进,单位能耗有效降低的智能工厂。企业已先后荣获国家制造业单项冠军产品、国家制造业与互联网融合发展试点示范、国家知识产权优势企业、省标杆工厂、市智能工厂、和五星级上云企业等荣誉。具体情况如下:

       1. 智能设计

       在智能设计方面,企业部署了CAD、CAE、CAPP、CAM、PLM系统,解决了从设计规划到生产制造全流程的过程和数据的管理,实现运营成本降低11%,不良率降低3%,研发周期缩短34%。具体来说,通过CAD特征库的柔性化设计,提高了设计的效率;通过CAE在锻造阶段、机加工阶段的模拟仿真,降低研发风险,节省了试错成本;通过CAPP实现快速工艺文件的准确输出,并且将BOM和工艺数据集成至ERP、MES、MDM等系统,全程端到端,数据不落地;通过CAM按照一定的规则生成最优的加工工序和加工程序代码进行仿真模拟,最终传递到对应的设计进行加工。同时,按照APQP进行项目管理,建设实施研发项目管理平台,实现各项目干系人的协同工作,提升工作效率,提高项目管理水平。

       2. 智能生产

       在智能生产方面,企业部署了MES系统、EAM系统,同时引进智能检测设备,实现设备层、执行层、经营层的一体化协同运作,实现生产效率提高9%,不良率降低1%。具体来说,通过MES进行智能排程、生产调度,通过EAM系统实现设备的日常的维修保养提升至预防性维护,保障设备资产健康高效的运行。通过引进或改造智能柔性生产线,项目实施期间,现场工人工作负荷明显降低,工作环境大大提升,同时由于效率提升,一线员工减少358人。
生产制造是企业的核心环节,项目从车间实际生产出发,设计了MES的生产管控功能(包括人机料法环的监测)、以及基于工位的物料配送设计、机械臂、测温仪、质量监测等一系列环节的过程控制。搭建了智能生产技术架构,包括设备层、采集平台、MES工厂模型,并在此基础上进行系统集成、运营系统、成本分析的功能,实现企业整体管理的数字化升级。
典型产线制造执行过程控制图
图2 典型产线制造执行过程控制图

       对于智能生产而言计划排产非常重要。将无限产能的生产计划结合人机料法环测等资源相互匹配约束,通过自动、手动的方式进行排产,最终形成工单或流转卡发送给机台和生产员工,合理调度,满总客户交付。随后,龙城通过对爪极和喷油器体等典型产品的工艺进行分析,结合精益生产的理念合理布局产线和物流,通过MES系统对生产过程和生产要素进行管控,通过Andon实现现场的快速响应,通过AGV实现部分物料和产品的智能化物流运输,实现敏捷生产。

       为满足客户“0”缺陷的要求,引进了智能检测设备,实现从人工检测到自动在线检测;采用系统管理实现质量管理精度提升至工序级;安全件启用单件追溯,用激光二维码实现单品序列号管理。

        项目通过EAM系统推动TPM,结合流程管理和维修知识库等从日常的维修保养提升至预防性维护,为设备保驾护航。

       各级管理人员可以根据自己的管理要求定制车间看板。
车间管理可视化
图3 车间管理可视化

       另外,还建设了智能产线,已建设的项目生产线覆盖企业大部分车间产线,实现生产自动化智能化升级;引进了理化分析仪、三坐标测量仪、3D扫描检测仪、AI智能探伤检测仪等一系列的智能化检测设备。
智能工厂项目生产线
图4 智能工厂项目生产线

       3. 智能管理

       在智能管理方面,企业部署了ERP、SRM、BPM、BI、SCADA等系统。通过BPM实现智能报价,是典型的端到端流程,提高企业管理效率。通过SCADA自动在线监测设备工作状态,实现在线数据处理和分析判断,及时进行设备故障自动报警和预诊断,设备稼动率自动生成,提升设备利用率。

       为了提高供应链的竞争优势,导入SRM实现采购寻源、准入、询比价、招投标、合同管理的全过程协同与管控,实现采购过程透明化,节省成本。
 
SRM系统功能图
图5 SRM系统功能图

       通过BI展示业务、发现问题、及时处理,实现每个车间、每个产线、每个工位、每个主管和员工,人人有指标,实时见绩效。随着数据的积累与知识的沉淀,可建立数据模型,分析预测、预警调优。通过一系列多维度的可视化管理,实现状态可视、事件可控、运营可管。通过智能管理的建设预计生产效率提高3%,运营成本降低1%,不良率降低1%,能源利用率提高1%。

       4. 智能制造项目建设成效

       智能工厂建成后,能够显著提高高端精密锻件生产的智能化水平,提升产品的质量、生产效率,降低新产品研发与产品生产成本,提升产品的综合竞争能力。具体来说,龙城精锻智能工厂运行后,生产作业组织方式,由按订单批量生产,形成了固定小批量连续流生产,设备利用率、作业计划执行率与存货周转率显著提升,同时通过文档节拍为智能排程提供了基础。数字化产品、工艺与仿真优化以及产品物理实际数据的比较分析等产品数字孪生应用,优化了工艺过程,大幅度缩短了新产品的开发周期,提高了产品的合格率。智能生产设备的升级换代以及人工智能技术的采用、智能检测装置的采用与联网、设备集成数据自动下发与采集,使生产效率、设备利用率与劳动生产率大幅提高,产品质量提升面型。智能物流与高级排程系统,缩短了产品生产周期,提高了存货周转率,满足了客户交货期的需求。

       智能工厂实施后,企业生产效率提高33%、能源利用率提高10%、企业运营成本降低20%、产品不良率降低12%,研发周期缩短40%。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

       1. 项目背景介绍

        随着新能源汽车的发展,特别是互联网造车的崛起,汽车零部件行业产品迭代快、新品开发多、多品种小批量、订单变更快等特点越发明显;客户需要质量“0”缺陷,价格年降3%-5%等;还有原材料涨价、运费涨价、人才紧缺,环保要求增加等作为汽车零部件行业发展的痛点。针对这些行业痛点进行分析,我们发现这些痛点的源头全部来自客户对“多、快、好、省”的需求。因此我们根据客户需求、行业痛点,结合公司的发展战略,按照两化融合的方法论,进行剖析,找出需要打造的能力单元,再将这些能力单元进行梳理汇总,最终形成需要打造的“智能设计”、“智能生产”、“智能管理”三个能力流。为了建设好本项目,龙城精锻配置了工具软件、系统软件、智能装备、检测设备以及相关人才等资源,为了保障项目建设及运行效果,我们同时设定了“生产效率”、“运营成本”、“不良率”、“研发周期”、“能源利用率”五个价值指标进行监控。具体见下图:
智能工厂项目分析设计图
图6 智能工厂项目分析设计图

       众所周知,汽车零部件行业产品的开发过程一般按照APQP的方法论推进的。在工装样品、小批试制、爬坡生产、批产四个阶段中存在大量的输入输出,过程和文件复杂,客户要求高,二方审核及三方审核严格,因此技术难度和管理难度都较大,需要一个平台将技术工具和管理工具集中到一起,实现一个信息系统把整个过程文件和数据交互做好集成,提升研发设计人员的工作效率,降低研发成本。

       据此,龙城精锻集团有限公司将智能设计模块作为智能工厂的建设重点。

       2. 项目实施与应用情况详细介绍

       智能设计能力流建设从CAD、CAE、CAPP、CAM、PLM这五个方面展开。

       1)CAX集成应用

       A.CAD

       汽车零部件产品以及生产工艺过程中所使用的冲压模具设计采用三维CAD技术进行设计,建立的三维模型可以用于后续的CAE分析。三维CAD软件采用西门子NX软件。

       在精锻爪极领域,爪极产品的结构类似,但是类型多样,传统的精锻爪极模具NX设计方式需要进行大量重复性的操作,设计过程繁琐且效率低。工程出图工作枯燥,耗时费力,标注容易出错,同时产品三维模型变更时,工程图纸也需要更改,需要大量重复性劳动,严重影响设计效率。

       基于上述原因,龙城精锻集团有限公司基于西门子NX软件平台,通过NX二次开发技术,实现计算机自动化辅助设计系统,以提高设计标准化、基于MBD的自动化和基于MBE的柔性化水平。
标准化、基于MBD的参数化、基于MBE的柔性化设计
图7 标准化、基于MBD的参数化、基于MBE的柔性化设计

       三维设计规范是PLM有效管理研发数据的基础,也是帮组企业实现三维数字化研发的基础。本次智能工厂项目中已实现:模具设计流程标准化,三维数据检查标准化,并且制定了属于龙城精锻标准的NX建模装配图纸标准规范文档。

       a.设计流程标准化  
     
       经过多轮的讨论分析和验证,确定了龙城模具设计的具体流程和流程中每个步骤中实现的方法。采用标准的设计方法,能够实现横向关联和竖向关联。

       横向实现客户产品,整形产品,精锻模型,预锻模型的关联(预锻模型也可以根据要求断开关联),当输入的整形产品需要调整,对应的精锻模型能够实现自动更新,减少模型修改调整的时间提高效率。

       竖向关联实现了精锻模型,热态模型,上下模具,切边模具,电极模型之间的关联性,只要模型根据需要做出了调整,同时一整套关联的数据也会同时更新,提高了模型修改的效率。
经过验证的模具设计标准流程如下图所示,实现了基于模具设计流程和方法的统一,提高了模具设计和修改调整的效率。

       b.三维设计数据标准规范制定

       三维设计数据标准化需明确标准化内容并且提供清晰的检查清单配合定制的标准化检查工具,实现数据标准化检查由程序检查,保证数据标准化的可操作性。

       在提供的现有模板的基础上,经过充分的讨论、调整、测试和验证,确保所列出的检查项内容符合龙城的实际业务需求,符合PLM系统的数据管理的需求。数据标准分为零件数据标准,装配数据标准和图纸数据标准。

       B.CAE

       CAE主要采用有限元分析技术对模具进行三维仿真,预测并验证模具的性能。使用有限元模拟技术,帮助预测产品的性能,将“隐患”消灭在虚拟制造阶段中,从而确保关键锻件一次制造成功,减少生产成本,缩短产品设计生产周期。有限元数值模拟技术可直观地描述金属变形过程中的流动状态,还能定量地计算出金属变形区的应力、应变和温度分布状态,简化试制与试验过程,缩短产品与工艺的开发周期。

       积极搜集行业内不同精锻产品的材料、工艺及装备相关技术标准,建立相应的数据库和项目开发流程,能够在短时间内为顾客提供适合的解决方案。通过多年的技术积累形成了标准的项目开发流程,能够满足不同顾客的产品开发需求,为顾客提供从设计输入、工艺模具设计、数值模拟验证、批量生产的成套技术方案。

       为了确保锻件一次制造成功,采用DEFORM热加工分析系统对热锻过程进行仿真分析,实现基于热加工多物理场条件下制件性能预测和控制分析。

       龙城精锻目前所采用的新工艺技术,热模锻加工环境复杂,通过研发多物理场环境下的热加工分析系统对过程进行仿真模拟。开发并完善基于热加工多物理场条件下制件性能预测和控制分析软件,解决传统经验方法所造成的工艺参数粗放、制件性能低下及不稳定等难题。

       锻造成形具有以下特点:(1)一般是三维成形;(2)多包括比较复杂的热力耦合关系;(3)变形之大和模具型腔的复杂是其他成形问题难以相比的。热变成型是一个复杂的过程,常见的耦合问题有流-固耦合、电-热耦合、热-结构耦合、热-电-结构耦合、流体-反应耦合、流体-热耦合等,这种物理系统的耦合就是多物理场。计算机的发展为我们提供了更灵巧、更简洁而又更快速的算法,强劲的硬件配置,使得对多物理场的数值模拟成为可能。

       龙城精锻采用DEFORM进行仿真分析,DEFORM可用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂的相互作用。拥有相应的模块以后,这些耦合效应将包括:由于塑性变形功引起的升温、加热软化、相变控制温度、相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影响以及含碳量对各种材料属性产生的影响等。

       利用DEFORM数值模拟方法分析锻造成形,在尽可能少或无需物理实验的情况下,方便地确定塑性成形过程各个阶段所需的变形功和载荷,获得工件的内部应力、应变、温度分布和金属流动规律,获得模具的应力、应变、温度分布,预测工件的成形状况、残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布,为精密锻造成形过程的模拟与优化设计提供了强有力的工具。
对于实际生产过程中精锻和预锻成形过程中设备压力差异过大导致的模架失衡的问题,通过仿真分析软件Deform模拟不同模具结构下产品的成形过程,比较成形过程中成型力和缺陷情况,来判断不同模具结构设计的优劣,筛选出优化设计方案。
仿真技术验证设计方案 
图8 仿真技术验证设计方案

       CAE方面从原材料到最终产成品,全过程模拟仿真。锻造阶段主要通过成型模拟,吨位模拟来分析变形和应力,从而确定锻造工艺参数;机加工阶段主要通过刀路仿真来验证并确定机加工工艺和NC程序。通过模拟仿真的应用,及时发现错误,降低研发风险,节省了试错成本,提高研发速度。
智能设计之CAE
图9 智能设计之CAE

       C.CAPP

       CAPP采用了西门子结构化工艺的解决方案,从产品设计、模具设计、工艺BOP构建、工艺文件的输出、工艺审核发布,同时将BOM和工艺数据集成至ERP、MES、MDM等系统,全程端到端,数据不落地。其中,BOP的搭建也采用柔性化设计的思想。
 
智能设计之CAPP
图10 智能设计之CAPP

       D.CAM

       柔性的产品设计,全过程的仿真模拟,最终产品的实现过程也通过计算机辅助CAM。通过特征识别,系统基于材料库、刀具库、加工知识库,按照一定的规则生成最优的加工工序和加工程序代码进行仿真模拟,最终传递到对应的设计进行加工。
智能设计之CAM
 
图11 智能设计之CAM

       E.智能研发集成

       企业的产品数据、工艺数据除了在研发设计环节中涉及,ERP、MES、MDM平台也会被使用到,在企业数据未集成之前常出现产品数据不准确、数据查找效率低、多部门协同不畅等问题。

       在PLM软件中内置工艺模版库、工序模型等的基础上,实现产品工艺的设计与变更,并将其对接到MES、ERP、MDM软件上,以实现对物料信息、零部件基本信息、图样信息、BOM信息、技术文档、工艺信息等数据集成。
智能研发平台集成
图12 智能研发平台集成

       2.PLM系统应用

       A.系统总体设计

       在PLM系统中,将产品性能参数、模具仿真分析结果与工艺仿真分析结果、工艺参数,与生产过程中的采集端的工序实际加工参数、检验试验数据形成孪生数据,在评审时进行对比分析,由有经验的工艺人员进行分析判断,改进优化,形成工艺的持续改进优化。

       PLM系统功能包括基础数据管理、工程变更管理、图样设计管理、工艺设计管理、设计与工艺知识库管理等功能,同时提供MES/ERP/CRM/SRM/等系统数据接口,并为产品目标成本管理提供物料构成信息。

       PLM系统的功能规划架构如下图所示:
PLM系统的功能规划架构
图13 PLM系统的功能规划架构

        B.PLM系统的功能与应用

       a.产品数据管理        

       产品数据管理主要通过PLM软件的分类管理功能管理物料、零部件基本信息、图样信息、BOM信息、技术文档、工艺信息等。

       b.图样设计管理
       
       图样设计管理是PLM系统的基本功能,为设计开发工程师提供图样设计交互界面,管理三维零部件,通过集成三维CAD软件完成三维模型设计,如图所示。

       c.项目管理
       
        汽车零部件行业的产品开发,基本按照APQP进行项目管理。实施研发项目管理平台,龙城先标准化,再实现具体客户的特殊要求,达成研发项目管理的柔性化。通过此平台可实现各项目干系人的协同工作,提升工作效率,提高项目管理水平。在评审时可以在系统平台上直接完成评审工作,透明高效,客户和第三方审核机构满意度高,提升公司形象。项目管理的流程如图所示。
产品开发项目管理
图14 产品开发项目管理
       d.工艺设计管理
       
       PLM系统提供结构化工艺模块管理产品及模具生产的工艺过程及加工工艺,提高工艺开发的工作效率。
系统工艺设计管理内容
图15 系统工艺设计管理内容
 
       e.工程变更管理        

       工程变更管理快速评估变更的影响范围,快速确认变更结果,快速传递变更内容,实现工程变更分发的自动化处理。
工程变更管理
 
图16 工程变更管理
 
       f.PLM系统典型产品开发流程设计
  
       选取公司典型产品如油轨产品为例,设计产品工艺开发流程,见下图:
油轨产品工艺开发流程
图17 油轨产品工艺开发流程
油轨产品开发PLM系统截图
图18 油轨产品开发PLM系统截图

       3. 效益分析

       通过整体项目的实施,研发平均周期为40天,项目实施后,主要在工艺设计研发周期缩短为24天。具体为:
效益提升
       通过数据集成技术的解决,提高数据检索效率30%,同时大大降低错误率,直接节省人员2人。

       项目还能提高企业项目管理效率,通过明确项目责任,保证项目按照进度完成,提高研发项目的效率,缩短产品开发时间,减少设计差错率;在社会效益方面,项目团队自主探索完成了研发设计参数化设计方法的搭建,通过行业交流、培训等活动,能实现该研发设计方法的有效推广,并在行业内起到较强的示范作用。

       在客户评审和体系评审时可以在系统平台上直接完成评审工作,透明高效,客户和第三方审核机构满意度高,提升公司形象,和客户长久合作发展。
 
责任编辑:黄菊锋
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