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三环锻造:汽车精密锻件全流程数字化检测与质量大数据管控

2022/1/19    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:大数据案例  e-works年度盘点  智能制造  三环锻造  
本文为“2021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2021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

       湖北三环锻造有限公司是三环集团子公司,公司是集模具设计制造、锻造、热处理、机加和装配于一体的专业化厂家,是中重型商用车转向节单项冠军企业。公司位于湖北省汽车工业走廊中心地带——襄阳市谷城县,占地67万平方米,员工1800余人,年产销规模15亿元。

       公司生产的中重型商用车转向节连续多年在国际和国内市场占有率都居于领先地位,与东风有限、汉德车桥、中国重汽等二十多个国内主机厂建立了战略合作伙伴关系,国内市场占有率57%以上;产品出口到美国、德国、荷兰等国家,为戴姆勒奔驰、达夫、美驰、采埃孚等国际知名主机厂配套。

       公司“东银”牌汽车转向节连续五届被授予湖北省精品名牌,“东银”牌中重型汽车转向节被中国机械工业协会授予“全国机械工业用户满意产品”。公司是高新技术企业、中国锻压协会理事单位、中国机械工程学会塑性工程学会委员单位、工信部首批“智能制造”专项企业、“制造业与互联网融合发展”试点示范企业、国家工业强基工程承办单位。公司获得了国家级绿色工厂、湖北省第七届长江质量奖、湖北省首批支柱产业细分领域隐形冠军示范企业、湖北省知识产权示范企业、湖北省技术创新示范企业等荣誉称号。 
湖北三环锻造有限公司
湖北三环锻造有限公司
二、企业在智能制造方面的现状

       三环锻造信息化设施完整健全,信息化普及程度较高,已完成车间网络的全面覆盖,且有专职部门及人员负责运营维护,三环锻造已建成的研发类(PLM)、决策类(BI)、管理类(ERP、销售管理 系统、采购管理系统、来料检验管理系统、模具管理系统、委外生 产管理系统、新产品报价系统、食堂管理系统)、办公类(智慧协同 办公系统、企业微信、一卡通系统)、生产制造类(MES、质量数据 管理系统、质量月报分析系统、andon 系统、能源管理系统)、安全类信息化系统(亿赛通加密系统、奇安信工控系统、360 天擎安 全系统)。

       三环锻造从智能工厂顶层设计到智能制造落地,从产品研发设计到交付客户的全生命周期管理,融合人、机、物、能、环泛 在物联网,搭建了工厂虚拟仿真系统,集成智能工厂信息模型,应用了产品全生命周期管理系统,集成三维建模、三维工艺、有限元仿真等技术,打通 PLM、ERP、APS、MES 等系统的集成,实现从运营 计划到作业计划的垂直无缝管理。公司依据锻造行业特征特性,逐 步建设了泛在连接边缘层、混合云平台层、业务应用层,培育了独 具锻造行业特色的工业互联网平台

       针对研发设计、供应链管理、制造过程管理、资源调配管理等环节业务痛点,通过实施信息系统,运用物联网、云计算、大数据等新一代信息技术弥补管理漏洞,最终实现相关业务的优化与提升:

       (1)研发设计优化

       公司从产品设计到制造数据传递的过程,信息点多达200多个,非结构化文件较多,转换次数多,基本靠人工半自动解析,耗费大量的人力物力。为此,公司引进了西门子TeamCenter PLM平台,集成了SolidWorks/NX 等三维图纸设计软件。以PLM平台为基础,为了提升一次性设计成功率,缩短研发周期,公司进行了两个方面的优化。

       一是产品设计优化。公司多年来积累了大量的工艺开发经验,将工艺资源上云,形成产品模型库、模具模型库、工装模型库、刀具库、NC代码库等工艺资源库,各工艺资源之间进行多维关联,实现了通过产品关键特征对设计参数自动检索,检索效率比人工搜索提高70%,知识传承和设计复用率得到有效提升。

       二是锻造工艺三维仿真优化。传统锻造工艺多凭经验及手工合模分析胶泥模型进行改进,公司引进Deform/ AFDEX等专业锻造有限元分析软件安装在云平台上,弹性运用云平台资源,在夜间云计算处理量较小的情况,集中CPU和GPU的算力对锻造成型过程进行模拟分析,大大提高了分析的效率,缩短研发周期。

       三是机加工艺验证优化。公司机加工艺流程长,所需设备多,传统验证方法是小批量试制,废品率高,试错成本高,浪费时间。公司技术中心运用云CAM软件,模拟各台设备的加工过程和刀具路径,计算出最有效的加工程序,利用云平台分发到全厂300多个工位电脑上,工位电脑连接设备在线传输程序进行再次走刀模拟,一旦发现问题立即反馈给技术中心重新模拟,最终完善后即可投入生产,一举提升了机加工艺一次性成功率。

       (2)供应链协同优化

       公司产品资源庞大,常规生产品种达800多类,主辅材料供应达160多家,生产协作供应商达30多家,全程供应链周期长,库存高,市场响应速度慢,信息不对称,导致厂内制造与厂外供应链协同上存在盲区。公司在激烈的市场竞争中,探索基于工业互联网平台的供应链上下游企业合作模式,

       一是实现上下游企业的链路优化,系统对接,原材料供应商提高响应速度,满足定制化需求;公司基于三环“锻造云”搭建智慧供应链协同管控APP,优化供应链网络,依据生产计划快速生成精准的采购计划,及时快捷的订单推送,让供应商在第一时间做出响应。实时统计的供应商绩效数据,激励供应商精准完成订单。

       二是以公司产品生产为中心进行生产协作优化,对于委外加工企业,发挥统筹协调作用,基于平台实现计划协同、委外生产过程监控与调度,物流追踪,质量追溯,提高供应链的配置效率。

       (3)制造资源调度优化

       生产资源调度优化包括生产能力的调度优化和生产辅助人员调度优化。

       一是通过生产线实时数据分析,对空闲设备进行调度优化,提升设备整体效率,又可以发生在企业之间,协同委外加工供应商充分利用资源。公司基于三环“锻造云”开发了设备管理APP,在工业互联网二级标识解析节点上注册每台设备唯一的OID标识,此标识以二维码形式喷印在设备操作台面上,可通过工业互联网二级标识解析系统自动识别,识别后可实现设备资产管理、联网管理、日常点检、保养管理、维修管理、备件管理等6个APP功能。APP产生的数据可上传至公司云平台,在云平台上进行处理和分析,在线监控设备运行状态,结合故障预测模型,与历史数据相结合,进行设备综合效率优化。

       二是开发了云工装模具管理APP。公司现有模具达3000多套,为每套模具在工业互联网二级解析系统上注册唯一的OID标识,转换成二维码,用激光刻印在模具本体上,围绕此二维码,设计了6个APP功能:加工维修、检验入库、模具调拨、使用报工、延期或报废评审。根据生产计划,智能调度模具工装的配送、安装、调试,充分利用模具资源。

       三是生产辅助及维护人员的灵活调度,优化人员安排,缩短辅助时间和维护时间。

       (4)生产工艺流程优化

       公司模锻件的生产流程较长,工艺复杂,人工劳动强度大,合格率低,生产数据无法实时采集和在线分析。基于“锻造云”平台,结合设备联网采集、传感器数据采集、机器视觉识别、AI智能分析、在线检测等技术,公司对生产过程中人、机、料、法、环、测等动态生产数据进行实时监控、分析和优化。

       一是锻造生产节拍优化。公司对主要锻造线进行了全线虚拟建模,可输入设备及自动化系统关键运行参数对生产流程进行模拟,手工驱动虚拟产线的运行,自动计算出全线最优生产节拍。虚拟产线也可与MES系统采集到的实时数据进行绑定,自动驱动运行,计算出产线的实际生产节拍,通过分析影响实际生产节拍变慢的因素,调节设备参数或提前预防意外因素,达到生产节拍优化的目的。

       二是模具修复工艺流程优化。传统的模具修复主要采用样板比对,量具检验等方式,公司采用PowerScan-ⅡS、ReadyScan Pro等数字化手段对模具进行3D快速扫描检测、采用模具3D打印增材制造系统进行模具的快速制造与修复,这些数字化研发软件的集成交互,实现研发设计全流程智能化管理。

       三是锻造成型工艺优化。在压力机锻造打击时,机器人和工业相机协同工作,运用人工智能技术,判断锻件摆放位置及成型质量。首先运用工业视觉相机,对锻造成型步骤拍照,感知锻件成型的质量;其次运用视觉识别和深度学习技术,分析锻造成型的数据是否与标准件相符,并给符合性评分;然后后台系统根据评分数据分析作出指令,传达给自动化总控系统;最后机器人执行控制指令,调整锻件摆放位置,保证锻件成型的每一步都很完美。

       四是热处理调质工艺优化。热处理炉采用特殊的分区分段砌炉技术,各区设有独立的温度和控制执行系统,温度控制采用智能化温控仪,集数显、测量、触发于一体,能直接驱动三相负载中的控制元件,并具有自动调整参数的功能,确保各区精准控温,实现各区控温、记录、超温报警等功能。淬火炉出料口安装有双色红外测温仪,可有效监测产品淬火温度,实现全过程的数据记录和温度异常时的自动报警。

       五是机加NC程序优化。公司数控加工设备600多台,产品1000多种,每个产品至少12道机加工序,NC程序文件达1万多个,为了有效管理这些程序,利用安装在云端NCB加工程序优化软件,合理优化走刀路径,根据硬度不同设定走刀速度和进给量,提升了加工效率。

       (5)质量保证优化

       公司对不同的工序开发或引进了在线检测APP,实时采集每件产品的检验数据,运用数理统计方法,对检测数据进行分析评价,自动生成控制图,对随机超差数据及时发现并预警,采取措施消除其影响。

       一是原料加热温度检测优化。锻造前加热工序使用的中频炉配置了两套德国高精度测温分选装置及系统,分别安装于加热区和出料口。在加热区实时监控加热曲线,实现加热温度和工艺设定温度的实时比对,自动完成在线补偿调整;在出料口实现超温、合格、欠温三种状态的分选,保证送到锻造压力机上的棒料温度符合要求。加热温度曲线上传到云平台。

       二是热态锻件外形检测优化。刚从锻造压力机上下线的锻件,温度高达900摄氏度,人工须等冷却后再检测,无法实现首件必检及过程抽检,由于生产过程不能间断,易造成批量质量事故。公司联合华中科技大学开发热态锻件在线检测系统,由码垛机器人抓取热态锻件,再由配备蓝光三维扫描仪的检测机器人对热态锻造进行不同角度扫描,系统对扫描获取的点云数据自动建模,和标准CAD模型进行比对,生成全方位误差报告和精度检测报告,整体测量误差控制在±0.15mm以内。热态锻件的在线检测时间由2小时降低到50秒,锻件批量废品事故得到有力控制。

       三是毛坯内部质量无损自动检测。公司配置了一套进口检测机器人和德国IBG公司的两通道涡流检测仪。在热处理下线检测时,由机器人从上一道工序自动抓取工件,并按照程序预设的姿态和位置完成检测,实现自动分选。该检测仪为检测材料的混料、热处理(硬度、淬硬层深度、回火等)、烧结密度及组织结构差异而设计,基于PMFT(预多频)涡流技术,比单频涡流检测仪可靠,而且计算及加载时间特别短。检测完毕,统计结果自动刷新、记录。

       四是机加尺寸在线检测优化。产品毛坯在上机加线时用激光机打印唯一身份标识二维码,在线测量前先扫描二维码让检测系统获取产品身份,再使用无线电子量检具检测产品各部位尺寸,检测数据无线传输到检测系统与产品身份标识绑定形成数据包,数据包上传到云平台上,在云平台上通过严谨的数据分层,实时生成相应的SPC控制图,并反馈到生产工位上,通知工人调整加工参数。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

1. 项目背景介绍

       湖北三环锻造有限公司是采用模锻工艺生产钢制、铝合金模锻件的生产企业,主导产品中重型商用车转向节是一级汽车安保件。三环锻造致力于转向节的研发设计和生产制造30余年,积累了丰富的经验知识,但在转向节制造质量管理创新与升级过程中,面临如下机遇和挑战:

       1、响应“质量强国战略”,通过新一代信息技术与工业化深度融合,加快推动企业数字化转型和创新发展。公司当前面临传统质量检测手段落后,无法形成完整的质量数据链、缺乏对质量数据的规则分析和价值挖掘的难题;

       2、汽车市场“多品种、个性化”趋势已成常态,对产品质量检测难度、检测精度、检测频次、质量数据及时性、完整性提出更高要求,传统检测手段难以实现,必须依赖自动化、智能化管理工具和手段;

       3、以8D、帕累托为代表的质量管理工具和方法无法适应新形势下的质量管理需求,需要通过与信息技术融合,不断改进和创新质量管理工具和方法,提升企业国际市场竞争力,最终实现“锻造全球转向节行业领导品牌”的愿景。

       基于以上背景,三环锻造大力开展汽车精密锻件全流程数字化检测与质量大数据管控项目建设。

2. 项目实施与应用情况详细介绍

       通过建立“一个流”的在线检测工艺布局实现转向节从下料、锻造、热处理、油漆、机加工工序全流程数字化质量控制,布局设计了少人化甚至无人化的在线检测手段,在每个工艺节点嵌入了在线检测流程:

       ①在下料工艺中应用了光栅尺检测,自动测量每件棒料的长度和直径;

       ②在锻造工艺完成后应用蓝光三维扫描技术,自动随机抽检测量热态锻件的外形尺寸;

       ③在热处理工艺中应用了在线IBG检测设备,无损检测每件毛坯的材质和硬度;

       ④在油漆工艺完毕后应用了漆膜及油漆附着力检测仪,在线随机抽检检测油漆喷涂质量;

       ⑤在机加工工艺过程中应用了无线电子量检具,在线全检每件产品每次加工的尺寸,在机加工艺完成后应用三坐标检测系统,对空间位置尺寸进行抽检,双系统检验保证机加工尺寸的精度完全合格。在线检测布局如下图所示:
 在线检测布局图
在线检测布局图

       在线检测设备的布局,重点在于加强过程质量控制,所选设备全部采用具有数字化和网络化功能的专用检测设备,设备即可向上传输数据,又可接收服务端反馈的指令。实现动态的微调节设备及工艺参数,从而保证生产质量的稳定性,体现出新一代信息技术在质量管理中的重要作用,改变了传统的质量管理方法和方式,为质量管理升级奠定了重要的基础。在能力建设过程中,形成了以下典型应用场景:
锻件成形质量智能控制系统
锻件成形质量智能控制系统

       我公司在锻造成型过程中,采用机器人和工业相机协同工作,运用人工智能技术,判断锻件摆放位置及成型质量。首先运用工业视觉相机,对锻造成型步骤拍照,感知锻件成型的质量;其次运用视觉识别和深度学习技术,分析锻造成型的数据是否与标准件相符,对符合性进行评分(如下图所示);然后后台系统根据评分数据分析作出指令,传达给自动化总控系统;最后由机器人执行控制指令,调整锻件摆放位置,保证锻件成型的每一步都正确。
热态锻件外形三维扫描系统
热态锻件外形三维扫描系统

       我公司针对热态锻件的检测,与华中科技大学共同研发,开发了一套热锻件三维护扫描系统。通过下料抓取机器人和一台检测机器人相互配合,检测机器人测头采用进口工业相机定制而成的蓝光精密三维扫描仪,对抓取机器人送过来的高温锻件进行360度全景测量,整体测量误差控制在±0.15mm以内。检测机器人按照预先设定的视点与路径,从多方位对锻件进行三维测量,得到锻件的三维点云数据,和储存在系统中标准CAD模型进行比对,生成全方位误差报告和精度检测数据,系统立即对检测数据评估,判断锻件是否有折叠、错模、缺陷等质量问题,外形尺寸即将达到临界值,迅速反馈给锻造主控系统停止工作,亮灯报警,提示进行换模或调整棒料尺寸指令,避免了人工检测滞后造成的批量质量事故,检测人员的工作则由检测变成了对系统的监控和对检测数据的校核。
 机加关键工序在线检测及质量大数据分析系统
机加关键工序在线检测及质量大数据分析系统

       机加工关键工序检测数据通过无线电子量检具采集传输到现场工作站,工作站接收软件将数据存入本地质量管理数据库中,工作站根据预先维护的尺寸公差对上传数据进行判定,如尺寸超差,工作站出发声光报警,提醒操作人员进行不良品隔离;系统后台对数据库存储数据进行实时监控和分析,针对所有项目提供Xbar-R、Xbar-Rs、Xmed-R、X-Rs四种计量型控制图及直方图分析显示,所有控制图下,软件自动计算以下通用指标:Cp、Cpk、PPM、Pp、Ppk。专用指标包括了Xbar-R图、Xbar-S图、Xmed-R图、X-Rs图和单值极差控制图等专用图表。系统提供质量8大判异功能,通过加载实时监控项目,后台自动对每个项目的采集数据进行运算,出现异常后,系统会根据功能设定完成质量异常事件的处理和记录,通过数据模型对质量问题走势分析,提前预判质量问题并提醒生产人员进行对应调整,将质量管控由事后控制优化为事前预防,实现质量控制的智能化:数据采集—模型分析—自动反馈—自调节纠偏的闭环管控。

3. 效益分析

       通过实施汽车精密锻件全流程数字化检测与质量大数据管控项目建设,对传统锻造生产工艺过程质量管控的智能化改造,颠覆了锻造行业传统的纸质单据记录传递、检测数据人工统计分析、不良品事后补救修正的质量管理模式。以智能传感器、视觉相机、无线电子量具等自动获取实时质量检测数据;以5G+工业互联网打造数据传出的“高速公路”;以数据模型、机理模型实现制造过程质量监控和预警。以数据为核心,推动锻造行业质量管理流程和质量管理技术优化和创新。推动公司在产品质量提升、节能降耗方面取得显著经济效益。三环锻造的顾客满意度稳步提升到92%,品牌效益凸显,国内外市场占有率进一步提升,企业近三年营业收入年均增幅达25%,公司质检岗位数从18人核减到6人,全过程质量数据自动化采集率达85%,年均节约质量管理成本100万元;产品不良品率降低了12.6%,累计节约质量成本达600余万元 。

       质量管理数字化转型受益,获得行业广泛认同,社会效益突出:基于工业互联网的大数据质量管理的成功实践,得到了国内外同行和社会各界的广泛认同。2017年,三环锻造荣获第七届“湖北省长江质量奖”;2018年公司入选工信部“工业强基工程”,2019年公司中重型商用车转向节被工信部授予“制造业单项冠军产品 ”,2020年公司“汽车模锻件数字化制造云应用”入选工信部“企业上云典型案例”,2021年公司“以大数据驱动改进创新的质量管理实践”荣获“全国质量标杆”。
责任编辑:吴婕
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