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本文针对某已建曲轴精锻工厂进行绿色化、数字化、智能化改造设计思路，运用ERP软件系统—订单式管理—分配生产任务—MES系统—指导独立生产；通过锻造车间的数字化建模，完成物流系统及工艺过程的可视化仿真；通过工业互联网，实现锻造工厂的制造装备与信息化系统之间的互联互通。

某已建曲轴精锻工厂具备年产112万支（10万吨）发动机曲轴精密锻件（毛坯锻件70～200kg）的生产能力，为国内外30多家知名的汽车、发动机及车桥企业配套，部分产品进入国际知名汽车制造商全球采购体系。运用 ERP软件系统、MES系统、从产品特点分析，到工艺方案制定，再到锻造工厂工艺布置和物流运输，生产线设备及精密锻件的数字化采集、建模，采用模拟仿真技术进行验证。将14000t、8000t热模锻压力机和库卡机器人、应达感应加热炉、起重机、机加工设备等国内外最先进的技术装备，通过自动化总线控制技术将整个生产工序串联起来，实现棒料切割→感应加热→辊锻制坯→预锻终锻→热处理（调质/正火）→抛丸处理（去毛刺、氧化皮、应力）进行工序间上下料全自动传送，实现锻造工厂生产全过程的数字化、智能化、少人化（或无人化）。

数字化改造目标

⑴绿色。围绕环保、节能、高效的目标，打造新型绿色工厂、大力推进新型核心技术推广。

⑵透明。围绕制造大数据整合的目标，打造透明的数字工厂，生产、运营、销售、服务全面透明化，使工厂始终处于自我提升优化的进程中。

⑶高效。掌控所有的生产资源、现场数据，包括设备、人员、物料信息等，能快速应对生产现场的紧急状况，实现远程操控，保证整体生产运营的高效高质。

⑷智能。建设统一的智能制造平台，各类信息系统、自动化系统、装备系统实现无缝对接，经过自主运算、分析、控制，实现全面智能柔性生产。

锻造工厂信息采集

数字化建设包括软件的集成，即生产线智能化集成、智能制造管控系统、智能物流系统、工业大数据系统。

锻造工厂信息采集包括MES系统采集、设备控制系统采集，如图1所示。MES系统能够全面规划、管控、展示产品制造过程；MES系统（SACDA或MDC模块）必须提供实时收集生产过程中数据的功能，并作出相应的分析和处理；MES系统能够实现物流的协同管理，包括基于计划的生产资源预先准备和建立、生产物流故障快速响应等方面；MES系统可以对整个车间制造过程进行优化。

图1 锻造工厂信息采集

设备采集信息主要包括设备产能、状态及报警信息。通过数据网关及服务器采集设备控制系统（PLC或工控机）及数字化仪表的信息，通过上位机、工业触屏、摄像头、PDA、扫码枪等手段采集生产现场管理信息。

数字化建设主要内容

改造前锻造工厂情况

曲轴精锻工艺流程（图2）：棒料（非调质钢/调质钢）→材质检查→精密下料（棒料剪/带锯、称重）→感应加热（中频感应加热炉）→辊锻（辊锻机）→预锻终锻（热模锻压力机）→切边（机械压力机）→扭拐（扭拐机）→校正（校正液压机）→热处理（通过式正火/调质设备）。

曲轴精锻的技术难度包括以下5点：

⑴加热——中频感应、表里一致。

采用中频感应加热，坯料氧化少，加热质量高，适用于大批量生产。中频炉设置温度检测装置，符合加热规范要求的坯料直接由输送带送到下一工位，温度过高或过低的棒料坯料做废料处理。为保持棒料加热的表里一致性和温度精密控制，中频加热炉采用美国应达公司。

⑵热模锻——举重若轻、运行稳定。

采用工艺成熟、高效节能的热模锻压力机进行曲轴的预锻和终锻。14000t热模锻压力机线国内尚无引进先例，但该机在国际上已有多例成功使用经验，使用效果良好，设备运行稳定。目前国际上生产此类热模锻压力机的主要是德国EUMUCO公司和俄罗斯TMP公司，而德国EUMUCO公司此类设备的价格是俄罗斯TMP公司的2倍。

⑶连线控制——“人机”同步、遥控操作。

热模锻生产线最大的难点和核心是自动化连线。生产线从加热、辊锻、锻造、切边、扭拐、校正，全部采用德国KUKA锻造机器人进行工序间的传送，所有线上设备实现全线总线控制，实现全自动化锻造生产线。生产工人不到设备旁操作，由技术工人在总控台遥控操作。

⑷热处理——余热正火、控温节能。

锻造后工件温度约960℃，如何将如此高温的工件上挂到热处理生产线的悬链上，是本项目锻造余热利用技术上实现的难点。现在国内采用的办法是不利用这部分余热，待工件冷却至室温后再进入热处理生产线，采用人工上挂，效率低，工人工作环境恶劣。本项目中采用德国KUKA机器人上挂，定位准确、运行稳定、生产效率高，处于国内领先水平。

图2 曲轴精锻工厂下料-加热-锻造-热处理工艺平面布置图

⑸大功率配电——合理供配、经济给力。

本工程用电量大，供配电系统比较复杂，供配电系统的合理选择和设计，是保证生产线正常运行和产品质量的基本保证，同时最大限度的减少单件产品的耗电成本。

企业硬件平台搭建

⑴产品设计环节——三维建模是基础。

在产品设计环节利用数字化建模技术为产品构建三维模型，能够有效减少物理实体样机制造和人员重复劳动所产生的成本。同时，三维模型涵盖着产品所有的几何信息与非几何制造信息，这些属性信息会通过PDM/cPDM（产品数据管理/协同产品定义管理）这种统一的数据平台，伴随产品整个生命周期，是实现产品协同研制、产品从设计端到制造端一体化的重要保证。

⑵生产规划环节——工艺仿真是关键。

在生产规划环节，基于PDM/cPDM中所同步的产品设计环节的数据，利用虚拟仿真技术，可以对于工厂的生产线布局、设备配置、生产制造工艺路径、物流等进行预规划。

⑶生产执行环节——数据采集实时通。

这个环节的数字化，体现在制造执行系统(MES）与其他系统之间的互联互通上。MES与ERP、PDM/cPDM之间的集成，能够保证所有相关产品属性信息从始至终保持同步，并实现实时更新。

数字化工厂的集成（图3），首先需要强大的界面和数据库系统，将不同复杂层次之间和不同运作功能领域之间的实际数据和模块进行联合使用，常见的应用有：布局规划与仿真——布局确认与优化；零件流的静态分析与动态仿真；装配过程平衡；复杂的物流操作仿真；机器人及复杂运动仿真；零件加工仿真；人力资源仿真；人机工效仿真；生产物流系统仿真；控制软件测试仿真；生产动作控制仿真。

图3 数字化工厂的集成

企业软件平台搭建

PDM包含了产品从设计到制造过程的所有信息（产品、工艺和资源），确保数字化工艺规划仿真、3D数据化工艺仿真、工厂物流仿真得到有效集成，同时数据能够为整个车间共享。可以验证产品的可制造性、可维护性，并且在产品的实际生产前充分地验证生产工艺，以保证产品合格率，大大减少制造成本。

企业内部数据一般采用企业内部私有云运行，与外部产业云交互可采用API交互协议及安全机制（如VPN加密）实现与公有云上的产业云平台进行交互，如图4所示。同时针对多基地集团管多信息化系统联合运行，可采用数据中台或者MDM主数据管理协议的形式，实现不同信息系统之间信息交互。

图4 私有云与公有产业云交互

工作流程及系统集成

工作流程及系统集成包括以下内容：销售订单进入ERP系统后，生成生产计划；PDM根据订单需求进行产品开发工程，并将工艺BOOM返回ERP系统，把生产工艺要求（设备运行参数、作业指导书、工艺BOOM）发送至MES。在ERP的计划、仓储、采购模块及SRM系统运行完成生产资料准备，并生成工单；MES系统根据生产计划进行派工、生产组织及报工，并将报工质量信息、物料信息及生产进度信息反馈ERP，如图5所示。

生产过程质量追溯

该数字化系统通过接口，协同所有数据、所有制造要素及资源，达到“人机料法环”协同的目的。并通过数据采集及报工要求，形成制造信息数据流的闭环。通过工单串联产品生产制造的全过程，实现对每批次产品进行可靠标识和追溯（包括正向追溯及反向追溯），为后期大数据学习奠定基础。

图5 工作流程及系统集成

全线使用自动工装及机器人，代替人工操作，并实现锻造自动化；传送控制系统与MES系统相结合，在上线端、输送线上设置先进的RFID识别装置，能根据订单要求自动进行排序并选择料盘上线顺序，如图6所示。

图6 生产过程与质量追溯系统

智能化改造成果

虚拟现实仿真技术的应用为智能化的实现提供了保障，锻造工厂通过智能化改造还可以看到：盈利能力大幅度提高，产品投产时间缩短，产品质量大幅提高，交流透明化，规划过程标准化，胜任的知识管理能力提高。具体表现为生产效率提高10～15%、运营成本降低5%、产品研制周期缩短10%、产品不良率降低15%、单位产值能耗降低10%、设备数控化率95%、设备联网率95%。总结起来，从四个方面对锻造工厂进行了提升 ，如图7所示。

图7 锻造工厂通过智能化改造成果表现

⑴数字化。产品设计、制造生命周期管理数字化；主要工艺装备数字化；所有数控加工设备实现MDC、DNC等数字化管理；实现工单与工艺过程的协同数字化；质量信息采集及管理数字化；实现主要加工工艺过程无人为干预；生产装备与信息系统数字化互联；信息化系统之间数字化互联。

⑵标准化。主要加工程序及刀具标准化；主要结构件生产工时标准化；生产过程管理标准化。

⑶智能化、集成化。加工设备可实现一次装夹完成所有加工内容；质量过程控制集成化；信息管理智能化、手段装备智能化及处理集成化。

⑷精益化。项目完成后，企业管理层就可以在ERP终端的电子屏幕清楚看到，物流从哪里来，到哪里去，设备状况，生产情况，质量物料管控，产品完成、库存和出货情况等等。

结束语

“数字化锻造工厂”贯穿整个工艺设计、规划、验证、直至锻造工艺整个制造过程，在实施过程需要注意系统集成方面的问题，它不是一个独立的系统，规划时需要与设计部门的CAD/PDM系统进行数据交换，并对设计产品进行可制造性验证（工艺评审），还要考虑工厂资源情况。所以，“数字化锻造工厂”与设计系统CAD/PDM和企业资源管理系统ERP必须是集成的；“数字化锻造工厂”还有必要把企业已有的规划“知识”集成起来，整个集成的底部是产品寿命周期管理PLM构架。