■上海大眾動力總成有限公司汽車檢測專家 朱正德

談“工業(yè)4.0”對中國汽車制造業(yè)發(fā)展的啟示和指導(dǎo)作用

■上海大眾動力總成有限公司汽車檢測專家 朱正德

作為第四次工業(yè)革命表征的“工業(yè)4.0”，通過其鮮明的特征體現(xiàn)出對現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)、尤其是汽車工業(yè)的啟示和指導(dǎo)作用。文章通過剖析國內(nèi)汽車制造業(yè)近年的一些發(fā)展情況，提出了既需要鞏固已有的良好基礎(chǔ)，又必須樹立工業(yè)4.0的高標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能真正地提升自身的發(fā)展水平。

關(guān)于“工業(yè)4.0”

“工業(yè)4.0”是德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界于2013年推出的一項振興工業(yè)的國家級戰(zhàn)略，但之后迅速獲得了世界范圍內(nèi)的響應(yīng)，被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命的標(biāo)志。而對“工業(yè)4.0”提出的以智能化制造為主導(dǎo)、通過充分利用信息化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間系統(tǒng)等手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型的革命性的生產(chǎn)方法，中國的最高領(lǐng)導(dǎo)則給予了極大的關(guān)注和重視。在2014年習(xí)主席和李總理先后訪問德國時，都曾明確表示了兩國將開展“工業(yè)4.0”方面的合作，有望成為中德兩國未來產(chǎn)業(yè)合作的新方向。

再聯(lián)系到近一年來，從中央到地方各級政府都在反復(fù)強調(diào)夯實實體經(jīng)濟(jì)，在這樣的大背景下，先進(jìn)制造業(yè)作為實體經(jīng)濟(jì)的主要組成之一，受到了相關(guān)行業(yè)和各級政府的很大關(guān)注和重視，尤其是對于汽車制造業(yè)這一最具有代表性的行業(yè)。而在改革開放的大環(huán)境下，實際情況是自21世紀(jì)初以來，融入了眾多先進(jìn)技術(shù)的“智能化制造”，已逐漸為越來越多的企業(yè)所接受并予以實踐，此時所追求的已并非只是減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率等目標(biāo)，而是出于最大程度地適應(yīng)、滿足不斷變化的市場和消費者的需求。

現(xiàn)今，“工業(yè)4.0”進(jìn)一步為現(xiàn)代制造業(yè)勾勒出了更清晰、更完整的一幅發(fā)展路線圖。無疑，這會大大地促進(jìn)中國汽車制造業(yè)這個既得到國家的有力支持，又已經(jīng)有了相當(dāng)基礎(chǔ)的支柱產(chǎn)業(yè)的茁壯成長。

“工業(yè)4.0”與現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)

互聯(lián)網(wǎng)的深度參與生產(chǎn)過程，將制造業(yè)對勞動力的依賴和生產(chǎn)成本的優(yōu)化帶到一個新高度。眾所周知，之前經(jīng)歷的幾次工業(yè)革命，一個主要標(biāo)志就是實現(xiàn)了單機設(shè)備的機械化和自動化，以及推進(jìn)智能化水平的提高和應(yīng)用的普及。而工業(yè)4.0的核心是單機智能設(shè)備的互聯(lián)，把不同類型和功能的單機的互聯(lián)組成智能生產(chǎn)線，由不同的智能生產(chǎn)線間的互聯(lián)組成智能車間，再由智能車間的互聯(lián)組成智能工廠，而不同地域、行業(yè)和企業(yè)的智慧工廠的互聯(lián)，組成

一個制造能力無所不在的智能制造系統(tǒng)，這些單機智能設(shè)備、智能生產(chǎn)線、智能車間及智能工廠可以通過自由動態(tài)地組合，以滿足不斷變化的制造需求，這是工業(yè)4.0的重要特征，也是與前三次工業(yè)革命的最大區(qū)別。

因此，以“工業(yè)4.0”為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命的進(jìn)步性，絕不只是技術(shù)層面的一次躍遷，還突出地反映在另一些重要的特性上，主要包含有這樣幾個方面：

（1）工業(yè)4.0強調(diào)了對企業(yè)運行全過程的服務(wù)功能利用服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)可對整個工廠運行過程中的各個環(huán)節(jié)提供相應(yīng)的服務(wù)，因為它包括了智能化制造、智慧工廠和智能化物流這樣三個主題。

（2）顯然在“工業(yè)4.0”以上的的三大主題中，核心還是智能化制造，畢竟這是任何一個企業(yè)的本職所在。而企業(yè)還必須按多品種、中小批量和高品質(zhì)個性化智能產(chǎn)品的模式來組織生產(chǎn)（見圖1）。

（3）企業(yè)在具體實施時，還必須執(zhí)行綠色生產(chǎn)的原則，遵循可持續(xù)發(fā)展的道路。因此，任何工廠在制定新規(guī)劃時，就必然會采用一系列的新工藝及相應(yīng)的制造設(shè)備，以適應(yīng)這個需要（見圖1）。

（4）由于由物聯(lián)網(wǎng)加以控制的智慧工廠的制造流程完全可以由電腦來加以整合，使企業(yè)的生產(chǎn)組織不但變得極為高效，而且新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用也使整個工廠變得既有效、清潔又十分緊湊。這就導(dǎo)致昔日的制造型企業(yè)從城市遷往郊外的態(tài)勢將會發(fā)生逆轉(zhuǎn)，現(xiàn)實和今后的預(yù)測都表明，智慧型企業(yè)建在城區(qū)會逐步形成趨勢（見圖1）。

至此，在基于“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上，現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)的內(nèi)涵和外延的概況已較全面地勾勒出來了。

圖1　工業(yè)4.0的幾個典型特征及相互關(guān)聯(lián)示意圖

制造過程的信息化提高了企業(yè)整體的運行質(zhì)量

事實上這些年來“智能化制造”已逐漸為越來越多的企業(yè)所接受并予以實踐，而提高企業(yè)運行過程中的數(shù)字化、信息化水平就是一個重要內(nèi)容。以下從兩個方面予以簡單說明：

自20世紀(jì)90年代初起，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法對制造過程進(jìn)行監(jiān)測和分析，使之處于可接受并且穩(wěn)定的水平的統(tǒng)計過程控制（SPC）在以批量生產(chǎn)為特征的汽車行業(yè)得到迅速的推廣。尤其是進(jìn)入新世紀(jì)以來，又有越來越多的企業(yè)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把SPC數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)經(jīng)拓展后，形成了富有特色的產(chǎn)品制造質(zhì)量信息數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高了對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控能力。圖2是一個選用（德）Q_DAS公司企業(yè)版qs-STAT統(tǒng)計分析軟件后建立的系統(tǒng)實例，應(yīng)用在某先進(jìn)的汽車發(fā)動機廠。

圖2　經(jīng)拓展后的制造質(zhì)量信息數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)示意圖

但事實上，近年來企業(yè)也已日益深刻地認(rèn)識到，決定產(chǎn)品最終質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量成本的，并不僅局限在上述SPC所關(guān)注的現(xiàn)場采集的質(zhì)量信息，還取決于來自生產(chǎn)、物流等整個制造過程的相關(guān)信息。尤其在當(dāng)前，眾多汽車廠都面臨著為了應(yīng)對日趨激烈的市場競爭和滿足消費者不同的需求，而必須徹底地從已習(xí)慣的大批量生產(chǎn)方式，轉(zhuǎn)變?yōu)榘炊嗥贩N、中小批量的柔性化模式來組織生產(chǎn)。顯然，相比前者，此時的企業(yè)結(jié)構(gòu)和對產(chǎn)品質(zhì)量的影響因素較之過去更多、更復(fù)雜，例如：如何實現(xiàn)面向訂單生產(chǎn)，縮短交付周期? 為適應(yīng)柔性化生產(chǎn)，提高操作和生產(chǎn)靈活性，以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)可靠、完整且易于實時監(jiān)控，該采取什么措施? 為提高設(shè)備維護(hù)的可預(yù)見性，減少可預(yù)見的停線時間，提高生產(chǎn)開動率，又需要怎樣做? 進(jìn)而，為了增強零件的可追溯性，減少產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險，必須加強過程管理，杜絕生產(chǎn)過程缺陷和一次下線合格率（FFT），又得執(zhí)行哪些有效措施？怎樣加強質(zhì)量問題的現(xiàn)場控制，充分利用SPC 分析手段。當(dāng)一旦出現(xiàn)召回要求時，能從容應(yīng)對，降低品牌風(fēng)險。制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）也正是在這種大背景下才日益被國內(nèi)車廠看好，并在近幾年獲得了相當(dāng)可觀的應(yīng)用。圖3是一個具體案例，從圖中可見該系統(tǒng)幾乎覆蓋了或涉及到整個制造過程的全部核心環(huán)節(jié)。

圖3　一個幾乎涉及到制造過程全部核心環(huán)節(jié)的MES系統(tǒng)

企業(yè)生產(chǎn)自動化模式的演變及實施

1. 當(dāng)今先進(jìn)汽車制造業(yè)的二個鮮明特征

（1） 高柔性、高效能的自動化加工手段已漸漸占據(jù)主流地位，如對于箱體類等零部件，廣泛采用了加工中心；而對于軸類零件，則越來越多地應(yīng)用了先進(jìn)的CBN砂輪隨動/跟蹤磨削技術(shù)。

（2)基于現(xiàn)代質(zhì)量理念的生產(chǎn)現(xiàn)場在線檢測規(guī)劃思路，導(dǎo)致了所采用方式和具體在線檢具配置上的變化。

2. 適應(yīng)轎車制造發(fā)展趨勢的生產(chǎn)規(guī)劃思路

采取多品種柔性化生產(chǎn)方式已成為現(xiàn)今多數(shù)企業(yè)運行的主流，而在那些發(fā)動機廠里，在生產(chǎn)箱體類零件時，主要就體現(xiàn)在以多軸加工中心組成的全柔性生產(chǎn)線，而在平面布置上則由傳統(tǒng)生產(chǎn)線的“串行”方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤安⑿小薄Ｔ僖郧S為例，所呈現(xiàn)出的發(fā)展趨勢主要反映在以下三個方面：①生產(chǎn)線的工藝布局采用魚骨形，一改之前L形或U形布置；②在粗加工階段，加工深孔用了采用了高速深孔鉆方式，并利MQL微量潤滑技術(shù)。③工件的主軸頸和連桿軸頸的精加工采取了高速高效隨動/跟蹤磨削技術(shù)，選用了高性能的曲軸磨床。值得指出的一點是，不久前知名的上海機床廠也已開發(fā)出了性能不亞于國外同類產(chǎn)品的高效、精密曲軸磨床，且首臺就將提供給具有很大影響力的上海通用發(fā)動機廠使用。

3. 在線檢測出智能化、在線檢具簡約化和柔性化趨勢

與此同時，現(xiàn)代質(zhì)量理念的演變，也體現(xiàn)在線檢測的工藝規(guī)劃中和在線檢具具體配置的變化趨勢上。在線監(jiān)測呈現(xiàn)出智能化的趨勢，而在線檢具則出現(xiàn)了簡約化和柔性化的傾向。通過曲軸這一實例即可清楚地認(rèn)識到這一點。此時，在生產(chǎn)線的磨削工序，主軸頸和連桿軸頸均采取了高速高效隨動跟蹤磨削技術(shù)，只需經(jīng)過一次裝夾就可完成全部的磨削加工。采用砂輪能夠?qū)崿F(xiàn)隨動、跟蹤的CNC磨床是曲軸精加工技術(shù)一次很大的突破，一方面通過對CNC控制程序的調(diào)整，可以靈活地應(yīng)用于不同類型工件的加工，即具有很好的柔性，而且由于執(zhí)行了一次裝夾即能完成全部主軸頸、連桿頸的工藝，有效地降低加工誤差，提高精度。另

外，因為采用了CBN砂輪后，大大地增加了砂輪的耐用度，又提升了生產(chǎn)率。尤其是通過將先進(jìn)的隨機測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相結(jié)合，能進(jìn)一步改善、提高工件的尺寸和形狀精度。一般采用以下這兩種方式：

（1）藉助設(shè)置于車間現(xiàn)場的生產(chǎn)測量室中的Adcole1200儀器對工件軸頸的圓度測得的數(shù)據(jù)，在輸出磨床的控制系統(tǒng)之后，通過修正、補償，即得以有效地改善軸頸的制造質(zhì)量。

（2）利用掛鉤式外徑主動測量儀來完成對被磨削軸頸輪廓的隨機測量（見圖4左），并根據(jù)自動檢測的結(jié)果，進(jìn)而通過即時的數(shù)據(jù)反饋修正，以實現(xiàn)對被加工軸頸輪廓的控制（見圖4右）。

具體來說，如軸頸的圓度將由按原磨削工藝生產(chǎn)時只能控制在4～4.5μm，提高到2μm以內(nèi)。也正因為如此，在采用了柔性化的曲軸加工方式后，整條生產(chǎn)線工序間檢測器具的配備也發(fā)生了顯著的變化，呈現(xiàn)出智能化、簡約化和柔性化趨勢。原來在整個磨削工段共配置了3臺不同檢具，分別對應(yīng)于3臺磨床（1臺主軸頸和2臺連桿軸頸），且均為多參數(shù)半自動綜合性檢具，利用動態(tài)（回轉(zhuǎn)）測量方式，不但能測出尺寸參數(shù)，還能檢查圓度、凸度、錐度和跳動等形位公差。而在采取了新的磨削技術(shù)后，由于精度、特別是形位公差基本上都可以由工藝來保證。在這種的狀況下，新線配置的檢具由原來的動態(tài)改為靜態(tài)，所有的形位公差都不再檢測，對軸頸也只需要測量1個截面，而不再是原來的3個。故整個工序僅配置了1臺由多個單參數(shù)手持式檢測裝置組成的簡單檢具（見圖5）。兩者相比，無論是從先期投入、其后的維修成本，還是在占有工作場地方面都有大幅度的降低。

圖4　通過修正、補償方法來提升軸頸圓度的加工質(zhì)量

圖5　由多個手持式單參數(shù)檢具組成的智能化檢測工位

至于應(yīng)對箱體類零件時的措施，則出現(xiàn)了越來越多地將三坐標(biāo)測量機作為在線檢測器具，直接配備在車間現(xiàn)場的情況。事實上，隨著坐標(biāo)測量機用于生產(chǎn)現(xiàn)場的技術(shù)日臻成熟，越來越多的測量機被置于生產(chǎn)現(xiàn)場作為工序間在線檢測的重要手段，甚至串接于生產(chǎn)線中成為一個工位，不過國內(nèi)外的企業(yè)多數(shù)還是采取更簡單的半開放型式。例如，配備在與前述同一發(fā)動機廠的一條新建成的缸蓋罩殼生產(chǎn)線旁的三坐標(biāo)測量機，選用了?？怂箍倒镜腉lobal這個機型。而在幾年前的一條老線邊，則是以一臺多參數(shù)綜合檢具為主體的檢測工位。兩者相比較，前者的優(yōu)勢主要是由坐標(biāo)測量機的通用化、柔性化程度遠(yuǎn)高于多參數(shù)綜合檢具而帶來的，因此它們無疑更適應(yīng)于當(dāng)代汽車工業(yè)的多品種混線生產(chǎn)方式。

與此同時，另一些頗有特色的柔性化檢測設(shè)備也發(fā)揮了它們專業(yè)性強、效率高和適應(yīng)性好的特點，如以通用性很強的FARO關(guān)節(jié)臂式測量機為主體的柔性檢具，十分適合用于如發(fā)動機缸體、缸蓋和變速器殼體等箱體類零件的測量。至于另外一類以帶有單截面測量卡規(guī)的通用機器人為主體的全自動柔性曲軸檢測設(shè)備，僅需將被測工件支承在托架上，之后只要經(jīng)過編程，該檢具即可方便、自如地完成任何多種曲軸的連桿軸頸、主軸頸的單截面或多截面檢測（軸頸直徑范圍可在40～60mm之間變化）。由于是靜態(tài)測量，當(dāng)采用后一種方式時主要是為檢驗凸度，即人們常稱的“巴雷線”。

結(jié)語

事實上，無論對于何種經(jīng)濟(jì)體制下的何種經(jīng)濟(jì)體，“工業(yè)4.0”都將是21世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的必由之路，是未來制造業(yè)的又一波“浪潮”，我們期望這也將成為在實現(xiàn)“中國夢”過程中，體現(xiàn)國內(nèi)現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)，包括汽車工業(yè)發(fā)展的一個里程碑。

收稿日期：（20150415）