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西安研究院:构建钻机装配数字化车间

2022/1/19    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:数字化车间案例  e-works年度盘点  智能制造  西安研究院  
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

       中煤科工集团西安研究院有限公司(以下简称“西安研究院”)成立于1956年,现隶属于中国煤炭科工集团有限公司,为中央管理的大型科技型企业。现已成为我国煤炭系统专业从事煤炭地质与勘探,在煤矿安全高效开采地质保障技术、装备与工程领域唯一具有突出优势的国家重点高新技术企业。

       西安研究院现有职工总数1581人,正高级职称76人、副高级职称291人、中级职称530人。钻探装备产品占据国内市场60%以上份额,西安研究院被列为国家“双百行动”企业,是陕西省两化融合贯标企业及智能制造示范企业,是工信部2021年度智能制造示范工厂企业。西安研究院多年来一直坚持以先进信息化系统为支撑,以智能制造先进理念为指引,融合先进制造技术和先进制造系统,不断进行信息化建设和生产线数字化升级,形成了一批具有代表性的智能制造典型场景,在满足自身发展需要的同时,也为煤矿企业转型升级和高质量发展注入新动能,具有示范引领行业转型和产业升级的重大意义。
 
中煤科工集团西安研究院有限公司
图1 中煤科工集团西安研究院有限公司

二、企业在智能制造方面的现状

       西安研究院作为钻探装备行业领军企业,多年来一直坚持企业的信息化建设和生产线自动化与数字化升级改造。自2015年以来,围绕智能钻探装备产业建设,已累计投资4.78亿元,开展了钻探装备关键工序离散智能制造单元和信息化系统建设工作,多点发力促进制造业务数字化转型。

       在生产能力提升方面,将视觉识别、数字孪生、增材制造、工业机器人等新兴技术与生产工艺深度融合,建设了钻机关键部件柔性装配线、液压阀块加工工作站、钻机自动喷漆工作站、钻机智能装配工作站等自动化生产单元,实现了钻机关键零部件的自主化加工和关键工序的自动化、智能化生产,提质降本增效效果显著,建成了钻机装配数字化车间。

       在数字化管控方面,西安研究院已经完成了ERP、MES、PLM、TCM、WMS、MDM、OA、全面预算等信息化系统的建设,并已经实现了各系统之间的集成和互通,实现了业务和数据的在线操作和共享,钻探装备产品数字化设计、离散型工艺数字化设计基于PLM、TCM、MES系统贯穿了产品设计、工艺分析、生产制造、产品质检的全生命流程,基于PLM、TCM、MES系统串联了多业务场景,实现了新产品研发与制造的一体化,提升了设计与制造业务协同效率;纵向以ERP、MES等系统为主线进行业务集成,实现了从销售、计划、物流、采购到生产的全业务贯通,通过客户需求拉动,优化了年度大纲、T+3月度滚动、月度生产计划和车间派工四级计划体系,高效提升产品交付能力;在车间执行层面,MES与车间立体库、钻机关键部件柔性装配线、AGV等设备深度集成,实现了车间物料配送的自动化,进一步加强了车间生产制造过程的执行管控能力。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

       1. 项目背景介绍

       钻机是西安院钻探装备核心产品,钻探装备制造产业经过几十年的规模化发展,产品类型及产量在全国钻探装备领域占有相当体量,产品性能和先进性也是行业领先水平。但在制造过程中,与国内外其他先进制造企业相比,大而不强,钻探装备制造行业整体处于粗放生产阶段,缺乏高水平制造的问题突出。

       数字化车间项目实施前,钻机装配车间采用传统式点位装配,装配操作工艺不标准、监督管理不到位、物料配送不及时,造成工人装配效率低下。钻机具有多型号、小批量特点,不同型号钻机的装配顺序不同,要求制造过程具备高度灵活性,但制造过程主要依靠人工管控,生产进度不透明、生产信息滞后的问题严重。此外,由于西安研究院是从早期的科研院所转制而来,“设计装配在内,加工制造委外”的生产模式,导致钻机装配所需零部件大多为外协加工,各零部件未标准化,各机型主要部件通用性差,加大了设计、生产及物流的成本。

       针对实施前生产过程中的痛点问题,西安院针对性的分析了各项痛点问题所在,明确了本项目的建设需求:一是针对产品零部件标准化低、互换性差、种类多的特点,从产品源头实现设计标准化,通用化;二是由于供应商物料运送周期长,各部门衔接不到位,生产过程采用传统的推动式生产,易造成物料堆积,需要转变生产模式,以客户为主导的拉动式节拍化生产模式,引入准时生产和看板管理的理念;三是传统生产线的检测技术落后,耗时长,需要突破系统一体化在线检测技术、全机在线检测等技术,构建钻探装备分装-总装模式,并建立快速、高效在线检测平台;四是单一点位生产方式装配效率低,对工人要求高,应采用点位式管理,专业化各点位工作,合理规划节拍,对车间设备、制造过程及仓储信息实时监控;五是建立生产过程管控系统和制造档案数据库,通过电子看板、触摸屏实现信息交互,提升制造过程管控的透明化程度。

       本项目的建设目标是围绕智能钻探及煤层气开发装备的设计、工艺、制造、试验、服役等产品全生命周期的关键环节,以钻机回转器等核心零部件加工及钻探整机装配为对象,突破钻机高效柔性数字化装配、液压阀块关键零部件自主化加工焊等核心工艺难题,研制钻探过程在线检测、钻进参数专家系统、报警与诊断为特征的智能制造技术装备,建设以“集成化、精益化、数字化、网络化、智能化”为特征的钻机装配数字化车间,并通过项目实施,总结和形成“运营管理精益、核心装备智能、制造技术领先、能源利用寻优、试验检测严格、产品性能卓越、服务运维主动”的智能制造新模式,并逐步推广至钻具、钻头制造车间,为钻探装备制造产业的转型升级开启探索之路。

       本项目在规划和实施过程中,按照总体规划、分步实施,工艺试点验证先行、生产线建设同步跟进的思路进行建设,以市场需求为导向,建设数字化车间生产线,充分体现个性化定制、生产线柔性、生产装备预测性维护、提高部门间协作效率。

       2. 项目实施与应用情况详细介绍

       1)数字化车间总体规划

       钻机数字化车间为总装车间,依据钻机装配工序相对独立的特点和多品种、小批量、订单式定制化生产组织模式,确定钻机数字化车间的建设关键为智能高效柔性数字化装配生产线的建立。因此,以智能高效柔性数字化装配生产线为建设重点,结合柔性生产和模块化制造思想,依据精益化思想及点位负载平衡等原则,将钻机数字化车间的建设划分为六个关键模块,分别为钻机液压阀块智能制造单元、钻机关键部件柔性装配线、钻机总装高效柔性数字化生产单元、钻机数字化检测工作站、钻机数字化喷涂工作站、线边智能立体库及自动物料配送系统。其中,钻机部件装配柔性生产线可以进行动力头装配,同时对操纵台和夹持器进行装配。
 
钻机数字化车间作业区规划图
图2 钻机数字化车间作业区规划图

       根据钻机装配工序相对独立的特点和多品种、小批量、订单式定制化生产组织模式,合理布局车间工艺流程,钻机车体进入车间后,到达指定组装工位,通过AGV小车将主机、油箱、液压元件运送至装配工位完成组装,钻机关键部件柔性装配线完成钻机泵组、动力头等部件的组装,通过AGV小车运送至组装工位实现钻机整装,钻机整装完成后,采用AGV自动运送至调试工位。调试完成后,自动将钻机运送至在线检测工作站,实现钻机性能测试,在钻机柔性喷涂生产线完成车身喷漆、安全标识等工作,之后通过AGV自动将成品运送至仓库。
 
钻机数字化车间业务流程示意图
图3 钻机数字化车间业务流程示意图

       在钻机数字化车间规划设计阶段,根据钻机生产特点,优先考虑采用定工位、定操作来增加工作的专业化程度,对工人进行技术培训和规范化操作,降低工人劳动强度;通过仿真系统规划合理的生产节拍,点位对物料的需求,减少浪费,保证产能满足生产计划;在各点位通过计算机控制、激光测量、三坐标定位器等先进工艺和技术装备的大量采用,提高生产质量;通过对生产流程再造以及生产管理体制重塑,建设MES、WMS、AGV调度管控等信息化系统,实施可视化生产管理、现场配送,提升生产管理及其信息化水平;工作现场各点位配置可视化滚动电子看板,实时监控各点位的工程进度和各类工程信息的具体情况,向生产管理人员实时反映各类影响生产进度的问题,并对问题处理情况进行跟踪显示。
 
钻机数字化车间信息化建设规划
图4 钻机数字化车间信息化建设规划

       2)数字化车间建设成效

       经过两年的项目实施,钻机装配数字化车间基本建设完成,已经研建的钻机关键部件柔性装配线、液压阀块加工工作站等自动化工作站和产线,自动化立体库、AGV配送系统投入使用,开发的适合钻机“多品种、小批量”生产特点的制造执行系统上线运行,钻机生产过程自动化水平、管理信息化水平显著提升。车间工业网络全覆盖,车间综合信息展示平台以及工位终端看板系统上线运行,实时生产信息互联互通,生产管理高效透明。
 
钻机数字化车间信息化建设规划
图5 钻机数字化车间总装区生产现场

       在钻机整机装配、部件预组装生产环节建设了两个自动化柔性生产线/工作站,钻机车间物流自动化配送和信息化建设方面取得新突破。

       (1)钻机关键部件柔性装配线

       钻机关键部件柔性生产线采用RGV、悬挂式装配工具库、自动化工装、RFID等技术,根据生产工艺特点,设计了H型布局结构的流水生产线,通过RGV往复式配送方式实现多工位人机协同工作,实现了钻机回转器、夹持器、操纵台三种关键零部件共18种规格的混线快换生产。开发了装配线数字化管理系统,数字化物料条码追溯识别技术,实现了装配过程质量追溯、电子报工,关键部件装配效率提高27%,一次检验合格率达到97%。
 
钻机关键部件柔性装配线
图6 钻机关键部件柔性装配线

       (2)钻机液压阀块加工工作站

       采用五轴加工中心、工业机器人、精密三坐标测量仪、机器视觉等先进设备和技术,建成了钻机液压阀块加工工作站,开发了阀块自动上料机器视觉寻位定位技术,设计了多功能柔性手抓,集成在线质量检测及自动补偿,满足了钻机液压阀块等零部件的柔性高效快换生产,加工效率提高50%,下线产品合格率达到100%。
 
钻机液压阀块加工工作站
图7 钻机液压阀块加工工作站

       (3)物流配送

       在钻机车间物料管理和配送环节建设了线边自动化立体库、工位配送采用AGV小车,开发了动态路径规划算法及基于神经网络的智能物料配送系统,实现了车间物料的自动化配送,配送效率提高了40%,物料流转效率提升20%。
 
工位AGV自动物料配送
图8 工位AGV自动物料配送

       (4)信息化建设

       在车间信息化方面,以钻机及其零部件生产过程中的问题为导向,结合企业自身生产流程的特点,在钻机车间建设全模块平台化生产管理制造执行系统,逐步逐层推动内部生产管理工作提升,实现钻机制造全流程的信息化管理。在生产区域配置了固定式和移动式数据采集终端,方便了装配过程的数据采集、进度报工、工艺文件查看,启用了物料条码,车间生产线一线可以通过扫码、拍照、手动录入等多种方式,记录生产过程中的物料信息等数据。
 
工位固定式和移动式终端使用
图9 工位固定式和移动式终端使用

       基于制造过程数据统一管控,建成钻机车间综合信息管控平台,通过区域显示看板和综合管控大屏,直观显示生产动态;通过数据分析,对异常情况进行精准预警和提醒。
 
车间区域化电子看板
图10 车间区域化电子看板
 
钻机数字化车间智能管控平台
图11 钻机数字化车间智能管控平台

       在数字化业务集成方面,目前已经实现了MES、TCM、SAP、MDM、AGV、WMS(立体库)、装配线控制等多系统的信息集成,横向打通了产品从设计、工艺到制造的全数据链条,实现三维工艺文件、作业指导书、生产工艺路线等工艺文件和BOM数据与MES系统的无缝衔接;纵向实现了从销售、计划、物流、采购到生产的全业务贯通;向下与车间智能立体库、钻机关键部件柔性生产线、AGV系统深度集成,实现了车间物料配送的自动化,加强了车间生产制造过程的执行管控能力。

       3. 效益分析

       通过钻机数字化车间的实施建设,在产能提升、降低成本、缩短生产周期等方面取得了明显成效。

       1)大幅提升了产能。钻机数字化车间建成后,钻机产能从原来的800台(套)提升到1000台(套),也具备了产能提升至1500台(套)的条件。

       2)降低了综合成本。针对在产品研发、生产制造、仓储物流、销售服务等全生命周期链条的共性需求,通过信息化系统的建设和集成,提高信息资源集约度,实现了设计-制造一体化、作业拉动与计划协同管理,以客户需求为核心驱动生产,打通了信息孤岛,降低了部门间协作沟通成本,制定了标准化业务流程,实现企业信息化、运维、管理等成本大幅降低,已使企业运营成本下降2.5%,资源综合利用率提升1.5%。

       3)生产经营效率显著提升。实现企业研制周期的大幅度缩短、生产效率的大幅度提升、资源综合利用率的大幅度提升、产品不良品率的大幅度下降,据测算生产效益提升20%以上;制定标准化的作业指导和规范,加强原材料质量管控,产品不良品率下降了16.5%;重复性岗位工作流程简化,通过关键部件柔性装配线等自动化生产单元的建设,优化人员6%以上,分流到其他岗位,实现了人员更加高效的利用。
责任编辑:梁曦
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