智能制造技术成功应用案例(「智能制造应用案例」案例二：高强铸件生产和加工数字化车间)

在铸造行业“十四五”发展的开局之年，中国铸造协会在第五届中国铸造节上正式向全行业发布了《铸造行业“十四五”发展规划》，《规划》中明确了“智能制造”的发展目标。

智能制造：加快行业信息化建设步伐，形成适用典型铸造工艺和不同产品的智能制造成熟模式，制订智能铸造及成熟度评价系列标准，通过典型数字化车间/智能工厂示范建设，引领行业智能制造快速发展。到2025年，培育200个以上数字化车间/智能工厂。

在铸造行业，安徽合力股份有限公司合肥铸锻厂的高强铸件生产和加工数字化车间作为智能制造示范项目，引领着行业智能制造快速发展。今天将对此项目做详细介绍。

高强铸件生产和加工数字化车间

一、企业简介

合肥铸锻厂是上市公司安徽合力股份有限公司的核心企业，工厂成立于1958年，是中国绿色铸造示范企业、中国铸造行业综合百强企业、中国铸铁行业及安徽省铸造行业排头兵。

企业拥有“V”法铸造、消失模铸造、树脂砂铸造、静压线铸造、垂直线铸造等国际先进的自动化铸造生产线，工艺技术实力雄厚。2016年被认定为合肥市高强铸件智能工厂，2017年被认定为安徽省智能工厂和数字化车间。

二、项目背景

铸造业作为全球经济建设中的基础产业，“中国制造2025”已经公布，未来铸造业的发展趋势是向大型化、轻量化、精确化、智能化、数字化、网络化及清洁化的方向发展。

安徽合力股份有限公司合肥铸锻厂具有先进的工艺装备条件，近年来高端用户纷至沓来，企业美誉度不断上升，重点配套的工程车辆领域每年约有15—20%的增长，铸件销售增长幅度年均约20%。工厂近几年一直维持高质量运行，技术水平在国内同行业中始终处于优势地位，对外出口占比连续增长、产品质量及产品盈利能力已达到行业优秀水平，企业综合实力位居前列，技术创新始终走在同行业前沿，已发展成为“技术领先，管理精细，产品高端，环境友好”的现代化铸造企业。企业以工业车辆配套为基础，全面拓展工程机械、汽车、铁路、绿色能源等领域铸件业务，由单一的铸件供应商转变为世界级铸造零部件供应商。

多年来，工厂一直不断加大科研投入，加大产学研合作步伐，以国际先进水平的领域为技术目标，确立了一批高端研发项目作为企业的战略研发方向和新的经济增长点。工厂生产的铸件产品的技术水平在国内同行业中始终处于优势地位，综合实力位居前列，技术创新始终走在同行业的前沿。但是，与工业发达国家和国内一流铸造企业相比，铸件产品的质量稳定性仍有较大提升空间。此外，专业化生产程度不高，数字化、智能化水平较低，高端铸件质量控制技术也有待提高，操作人员劳动强度大的问题仍未得到有效解决。项目将围绕对关键铸件生产中关键技术的研究，开展智能工厂和数字化车间的建设，使得工厂的质量控制和检测（特别是在线检测）水平稳步提升，原辅材料供应质量有很大改善。通过计算机CAD、CAM、CAE和炉前热分析等技术手段的应用，将使工厂的规模、装备和技术水平获得进一步提高。

三、实施方案

1、实现规划、生产、运营流程的数字化管理

智能工厂具有的体系结构，见图4.10.1。通过智能工厂的建设与运行，可以实现全面、准确感知企业的内外环境，对内了解设备工况、作业操作情况、计划执行情况、质量稳定性、订单跟踪、能耗、产品成本、各种绩效指标；对外了解市场环境、需求变化、销售情况、供应商管理、客户管理、竞争态势，做到科学决策、科学调度，各系统规范可控、精确可靠，以自动化方式实现业务管理和制造作业过程。

合肥铸锻厂智能工厂的总体架构和系统层级，见图4.10.2。在构建高强铸件生产和加工数字化车间，提升现有信息系统的基础上，打造合肥铸锻厂智能化工厂，形成离散型智能制造新模式的样板。

具体到生产过程运营，其总体结构和系统层级见图4.10.3。实现从制芯、造型、熔炼、浇注、开箱等流程的数字化生产。

2、实现产品数据的集成管理

先进设计技术应用和产品数据管理系统（PDM）建设情况：以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析。实践应用证明，凝固模拟软件系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化工艺，提高产品质量，降低废品率、减少浇冒口消耗，提高工艺出品率、缩短产品试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验对人员的依赖，保持工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的效果，见图4.10.4和图4.10.5。

喷墨砂型3D打印机的应用使得新产品开发时间大大缩短，通过计算机三维建模，直接生产砂芯、砂型，且能将多个砂芯合并成整体砂芯打印。同时，由于采用3D技术打印砂型，可以在提交样品阶段无需制作模96具，减少由此带来的模具制作和修改费用，这些将进一步提高产品开发效率，降低研发成本，增强市场竞争力。

在产品研发设计环节，以IPD研发理念为指引，建立产品数据管理系统（PDM），实现产品数据的集成管理，提高产品设计的模块化水平和制造工艺仿真水平，大量的图纸文档管理和调用、模块化参数化的选配设计、替代料和生产现场变更管理等瓶颈问题得以解决。

3、实现关键技术装备在生产管控中的互联互通与高度集成

本项目采用的核心智能制造装备主要有高档数控机床与机器人、增材制造设备、智能传感与控制装备、智能检测与装配设备、智能物流与仓储设备、软件与网络设备等几大类。

（1）．高档数控机床主要用于铸件清理和成品加工。铸件清理数控设备采用打磨专机，设备打磨刚性好、效率高。车削加工中心和卧式加工中心选用一流设备，加工精度和设备的可靠性高、稳定性好。

（2）．各产线、工位使用的机器人，由各个设备厂家在集成功能单元和部件的基础上集成应用以实现设计的功能。

（3）．增材制造设备为喷墨砂型3D打印机，作为独立运行的终端设备，安全可控。

（4）．智能传感与控制装备、智能检测与装配设备的元器件、PLC等控制平台选用国外品牌，其系统设计、应用程序开发、安装调试由设备生产厂家完成。

（5）．智能物流仓储系统由国内厂商实施，安全可控。

（6）．网络设备选用高端产品，保证整个网络环境的安全可控，为智能工厂提供安全可控的网络基础环境。

（7）．考虑产品的成熟度、先进性和平台升级的衔接性，PLM、ERP平台仍选用SAP的产品，由厂家提供技术支持，企业信息部门负责实施。

（8）．MES系统由该项目的系统集成商与核心设备供应商在其具有自主知识产权的平台上定制开发，并通过企业与高校的产学研合作共同完成信息系统的集成。

4、实现可视化管理

生产过程数据主要通过智能设备集成及现场条形码扫码的方式进行收集，数据汇总至中央数据库，经数据终端调用处理，见图4.10.6。通过实时数据采集分析，实现缩短生产准备时间和生产周期，提高产品质量，全面提升设备利用率，大幅度提高生产排产和调度效率、有效利用车间资源，快速提升车间管理能力和管理效率，进一步降低生产成本，有效控制产品的质量问题；大幅度提高在制品追溯效率和准确性，工时管理更加科学合理，减少成品/半成品库存积压，缩短交货时间，及时响应市场变化。

5、实现计划、调度、质量、设备、生产、能效的全过程闭环管理

建立企业资源计划系统（ERP），实现供应链、物流、成本等企业经营管理的优化。实现MES与SAP系统紧密集成功能，实现两系统之间的及时交互，见图4.10.7。

实施SAP、ERP系统六大核心业务模块（生产计划、物料管理、销售与分销管理、质量管理、财务会计、工厂维护），实现业务处理与会计核算一体化，利用信息化对工厂生产经营精细管理的支撑，基础数据、订单管理进一步规范，成本管理体系进一步健全，经营获利能力的分析更加清晰，管理精度和效率明显提升。各部门之间实现数据的网络传输，保证企业及时、高质量地完成客户订单，并能根据客户订单及生产状况及时对企业资源做出调整。

6、创新点

通过持续改进，实现企业设计、工艺、制造、管理、物流等环节的集成优化，推进企业数字化建设，使装备智能化、工艺流程、精益生产、可视化管理、质量控制与追溯、智能物流等方面得到快速提升。

在销售与售后环节，支持客户定制化下单并提供便捷的售后服务，准确感知用户的产品需求和用户体验，在需求预测和产品创新支撑方面持续创新。

在产品研发设计环节，应用PLM信息化平台和工具，提高产品设计的模块化水平和制造工艺仿真水平，解决了图纸文档管理和调用、模块化和参数化的选配设计及生产现场图纸变更管理等瓶颈问题。

在供应链和业务协同环节，通过ERP功能的完善和提升，使主生产计划、产能计划与物料需求计划动态协调一致，并与零部件供应商协同联动，使生产规划与原料供应保持准确。

以MES为管控手段、以自动化生产线和仓储物流系统为执行单元，保证了计划的精准执行、执行过程可控可视和执行结果及时反馈，质量控制和工艺执行闭环。

项目实现了生产信息系统集成，构建一体化的生产协作管理信息系统。通过集成信息平台的建设，构建了以更大的柔性满足市场和用户的生产运作系统。个性化定制，迅速交货、降低成本，为定制化时代的离散制造业打造了智能制造新模式。

四、项目实施效果

项目通过先进铸造设备、ERP系统实施、计算机辅助技术应用，实现生产信息系统集成，构建一体化的生产协作管理信息系统。与项目实施前比较如下：

1、生产工艺技术水平提升

以生产高质量产品为核心制定的工艺原则，各生产线的生产能力满足合理的批量与规模。在产品研发设计环节，应用PLM信息化平台和工具，提高产品设计的模块化水平和制造工艺仿真水平，解决了图纸文档管理和调用、模块化参数化的选配设计和生产现场图纸变更管理等瓶颈问题。产品研发过程中采用砂型3D打印技术，满足新产品试制、研发和小批量个性化生产需求，加快了研发速度，减少了试制和小批量生产模具制造、修理费用；避免了样品无法及时生产带来的经济损失和客户流失；同时显著改善了传统铸造行业生产环境恶劣、能源利用率低、安全隐患较多等问题。

2、内外物流运输流畅

根据工艺流程与生产特点，设计合理的内部物流体系，搭建物流信息平台，充分考虑物流的经济性，为实现最优化的供应链系统打下基础。在供应链和业务协同环节，通过ERP功能的完善和提升，使主生产计划、产能计划与物料需求计划动态协调一致。以MES为管控手段，以自动化生产线和仓储物流系统为执行单元，保证了计划的精准执行，执行过程可控可视，执行结果及时反馈，质量控制和工艺执行闭环。

3、质量监控手段齐全

完善原材料检测、产品质量过程监控、成品出厂检验的设施配套，建立快速处理与反馈的机制，全面提高产品质量。在生产过程中能够及时发现、有效控制产品质量问题，提高了生产过程中的合格率，减少了生产过程中不必要的原料消耗。

4、环保安全设施完善

通过选用对环境污染小的新工艺，同时加大环保、安全、卫生的投入，更好地落实安全环保和职业健康。

5、技术经济指标全面达标

提高生产过程中的智能化水平，降低从业人员劳动强度，改善现场操作环境，提高劳动生产率与能源利用率，合理进行岗位编制，做到技术先进、管理一流，项目整体技术经济指标国内先进。

6、企业管理水平提高

企业管理信息化建设实现了财务和业务处理的一体化，使财务数据做到了及时性和系统化，提高了工作效率。OA办公协同软件的应用也直接提高企业运作效率、降低了办公管理费用、增加了经济效益。

建立基于MES系统的制造及物流信息化平台，实现了PLM、MES、ERP的协同与集成，计划执行情况反馈时间粒度由天缩短至小时，物料拉动节拍由半天缩短至小时。

通过实施两化深度融合，提高精准制造、敏捷制造能力。在公司已经具备良好PLM\ERP等信息系统的基础上，实施公司级和车间级MES系统，实现了工业互联网的深度融合应用，实现了研、产、供、销、服全价值链的业务打通和数据共享，已在行业形成典型示范应用。

通过在熔化、造型、砂处理、制芯、清理、打磨、涂装等制造环节中大量采用智能化设备、机器代人作业，落实了安全环保和职业健康。通过升级改造现有工艺，特别是“机器换人”，降低了产品制造成本，提升了产品品质和稳定性，提高了企业的经济效益，同时可解决企业招工难的问题，降低对工人操作技术的要求，在铸造行业乃至制造行业具有一定的可复制性。

项目研制的分系统和单元技术，大部分可应用于离散制造模式的企业，可提高企业的竞争力和综合经济效益，具有极高的复制、推广意义。

安徽合力股份有限公司合肥铸锻厂的高强铸件生产和加工数字化车间项目的成功实施，在带动行业智能制造发展方面具有重大意义，为铸造行业企业转型升级赋能，推动行业健康发展。