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轴承的智能化:智能制造与智能轴承

2019-07-04 10:36:07分类:陌贝视角

摘要:智能化是当前政界和产业界的热门话题,包括制造过程的智能化和产品的智能化二个范畴。对我们轴承行业来说,即包括轴承的智能制造(流程)和智能轴承(产品)二个范畴。

  陌贝网从轴承工业杂志了解到,智能化是当前政界和产业界的热门话题,包括制造过程的智能化和产品的智能化二个范畴。对我们轴承行业来说,即包括轴承的智能制造(流程)和智能轴承(产品)二个范畴。智能化不论是流程的智能化,还是产品的智能化,都是基于信息物理联合系统(Cyber-Physical System, CPS),亦即“数字双胞胎”(Cyber Twin),实体物理世界与虚拟网络世界的融合。

  一、轴承的智能制造

  (一)在轴承制造智能化问题上不能妄言,也不能妄为

  不能妄言—— 不要用了几台工业机器人就说实现了智能化,不要用了几台功能强大一点的数控机床就说实现了智能化。智能制造有确切的定义,严格的界定:智能制造是一个不断向深度与广度发展的过程,是基于新一代数字与网络信息技术,贯穿于用户、设计、工艺、生产、检测、管理、服务,及上下游企业等制造活动各个环节,具有信息深度自感知,智慧化自决策(多参数人工智能)、精确控制自执行等功能的可控并可远程控制的具有反馈功能的先进制造过程、系统与模式的总称。

  不能妄为——智能制造不能一蹴而就,需要经历传统制造→ 数字化制造→ 网络化制造→ 智能化制造的发展。智能制造要“三不”:不要在落后的工艺基础上搞智能化;不要在落后的管理基础上搞智能化;不要没有数字化、网络化的基础就搞智能化。

  工信部部长苗圩在一次会议上的报告中指出:“《中国制造2025》包括了对智能制造三个阶段的表述,首先是数字化,然后是网络化,最终达到智能化。应该说,世界范围内现有的企业和产品达到智能化水平的还很少。智能化的基础是数字化,首先要把产品、整个生产过程、管理等都要引入数字化,也就是信息化的手段,这是智能制造的基础。在此基础上,再把不同的装备和装备、装备和产品、装备和人之间建立通信的路径,最终实现网络化。在数字化和网络化都已经实现的基础上,才能谈到智能制造。”

  (二)智能制造发展的路径:数字化 — 网络化— 智能化

  1.数字化

  工业数字化的基本原理是把物理系统投射到数字世界进行优化,之后再用于物理系统,即把物理系统(工业与产品)利用虚拟仿真技术转换成数字模型,在数字世界进行优化设计、优化流程,直至找到最好的解决方案,然后运用到物理系统中去。即有些人说的“数字双胞胎”。

  轴承制造的数字化要从以下三方面入手。

  研发设计数字化——

  通过模拟仿真,建立产品数字化模型,实现CAD(计算机辅助设计)/ CAE(计算机辅助工程分析)/ CAPP (计算机辅助工艺设计)/ PDM(产品数据管理)等单项信息技术的应用和集成。

  工厂装备数字化 ——

  工厂装备应用深度融入数字化技术的数控系统、控制器(PLC)、伺服电机、电子标签(RFLD)等功能部件。实现编程、操作、维护和管理的数字化。切削工艺及切削参数的自动优化。整机操作自动装卡、自动对刀、自动切削。具有主轴监控和温度补偿、运动部件的位置补偿和热补偿、加工件在机精度检测和补偿、刀具(磨具)磨损和破损在机监控和自动修正补偿等功能。

  生产过程数字化 ——

  应用具有人力资源管控、设备运行管控、生产工艺管控、进度计划管控、生产工单管控、物料供应管控、产品质量管控、工磨具管控和生产可视化等模块的MES系统(制造执行系统)。运用这一系统,能够实时采集机床信息、掌握设备状态、进行设备效率分析、成本分析、质量分析、工单计划、生产趋势分析,适时控制、调整、预警,并可通过手机终端,访问车间管理信息。

  2.网络化

  建立企业资源计划管理系统(ERP)、产品全生命周期管理系统(PLM)、客户关系管理系统(CRM)、供应链管理系统(SCM)等,并实际运行,由单项信息技术的运用,发展到综合集成。进而发展到PDM—MES—PLM—ERP的高效协同与综合集成。

  培育企业互联互通的生态体系。建立企业中央数据库,运用云技术、大数据技术,以数据流为核心,人、机器、产品互联互通,人人互联、人机互联、机物互联、机机互联,实现企业内部信息流、物流和资金流的集成,企业内部所有环节无缝对接。

  企业组织结构由金字塔式转变为扁平化矩阵式。业务流程由串联转变为并联,去中间化,去中介化,畅通价值链,企业各个环节与用户和供应商实现信息实时同步、互联互通,以利于快速响应用户订单,整合用户碎片化需求。

  通过以上整合,实现信息系统纵向、横向和端对端的集成,形成覆盖全产业链、产品全生命周期的网络化。

  3.智能化

  在数字化、网络化的基础上实现智能化。

  —— 基于实体物理世界与虚拟网络世界融合的信息物理系统(Cyber-Physical System),人(机器人)、智能化设备、产品之间通过有线无线、宽带、移动、泛在的工业互联网(物联网)联系、链接在一起。

  —— 贯穿于用户、设计、工艺、生产、检测、管理、服务,及上下游企业的制造活动的各个环节、产品全生命周期、全制造流程。

  —— 具有信息深度自感知、智慧化自决策、精确控制自执行等功能。

  —— 具有在大数据基础上的实时调整能力,实现高度灵活、柔性化生产和服务,大规模个性化定制。

  (三)轴承智能制造技术路线图

  (四)国家对智能制造的导向

  1.智能制造是《中国制造2025》的主攻方向

  《中国制造2025》的核心内容为三个“一”——

  一个目标:从制造业大国向制造业强国转变,最终实现制造业强国目标。

  一条主线:以加快新一代信息技术与制造业深度融合(两化融合)为主线。

  一个主攻方向:以推进智能制造为主攻方向。

  2.国家对智能制造的政策支持

  为了推动智能制造的发展,国家工信部和财政部通过组织实施智能制造项目,对智能制造的发展给予政策支持。对于我们轴承行业的企业,宜实施“智能制造专项”中的“重点领域智能制造新模式应用项目”,并争取政策支持。

  二、智能轴承

  (一)智能轴承的定义

  由经过改进的轴承本体及相关辅件、镶嵌在轴承体内或相关辅件内微型传感器、处理传输电路(专用芯片)、采集卡、信号处理与分析软件和轴承服役状态调控装置组成,可实现服役状态的自感知、自诊断、自适应的轴承系统。智能轴承是“机电软”的结合体,是“数字双胞胎”。智能轴承按其功能分为二大类,一大类为初始型智能轴承,具有服役状态自感知、自诊断功能;另一大类为全功能型轴承,不仅具有服役状态自感知、自诊断功能,而且具有自调控、自适应功能。

  自感知(自检测)—— 通过传感器检测轴承服役状态:旋转速度、加速度、角度位置,累计旋转转数,温度,振动、噪声,载荷,工作游隙,润滑状况,磨损程度等。自决策(自诊断)—— 对即将发生的故障诊断、预警,对已经发生的故障诊断、报警,对轴承剩余寿命预测。自执行(自调控)—— 根据轴承实时服役状态,通过调控装置,对轴承工作游隙、预紧力、润滑等服役状态进行调控、矫正,以适应主机的运行要求。

  (二)智能轴承的关键技术

  1. 传感器技术

  传感器集成方式由外挂式发展为嵌入式。结构微型化,功能集成化,无线传输及低功耗。

  2. 嵌入式测试技术

  运用嵌入式系统将所需的功能嵌入到产品、装置或大型系统中的计算机系统,使数据采集控制、分析处理功能迁移至传感器端,提高数据精度,降低数据传输量。

  3. 信号传输技术

  将测试获取的数据或信息通过现场总线、有线网络、无线网络、专用网络、互联网,安全、可靠、稳定、高速率、低功耗地传输到服务器、用户端或云端。

  4. 自组网技术

  基于轴承单元的智能化、无线化,实现信息互通,使得大范围内多个智能轴承的监测成为可能。

  5. 供能技术

  热点效应、振动发电等能量捕获技术,光电耦合、电磁耦合、电磁谐波等无线供能技术,自发电技术等。

  6. 信号处理技术

  研究针对不同工况、不同类型轴承的非线性信号处理方法、特征提取及选择方法,使采集到的数据经过处理变成有用信息。  

  7. 状态智能评估技术

  研究运行状态的评估指标、评估方法,建立评估模型,并能基于实时数据对评估模型进行实时修正。做到能对轴承故障,包括早期微弱故障进行远程、实时、智能的诊断、报警。并可对即将发生的故障进行预警。对剩余寿命进行预测。

  8. 状态调控技术

  通过与轴承集成的调控装置,对轴承润滑、预紧力、工作游隙等服役状态进行实时调控,矫正服役状态,适应主机运行的需要。同时,对功能性故障进行自我维修,视情维修。

  (三)国内外智能轴承研发情况

  国内——

  万向钱潮、新火炬、人本、重庆长江等企业研发生产的第三代轿车轮毂轴承单元集成了ABS传感器。

  重庆大学:轴承振动加速度、温度、转速检测。

  国防科技大学:振动加速度传感器。

  西安交大:轴承内圈温度、无线供电及无线传输传感器。

  国外——

  NTN:伺服电机的速度控制和转动方向、轴承旋转角度检测。

  舍弗勒:铁路货车轴承温度、运转转数、转速、噪声检测。深沟球轴承转速及旋转方向检测。

  NSK:铁路货车轴承、电动机轴承、发电机轴承转速检测。

  SKF:汽车轴承、牵引电机轴承和深沟球轴承转速、加速度、旋转方向、角度位置检测。

  铁姆肯:汽车轮毂轴承转速检测。

  (四)智能轴承开发技术路线图

  三、培养智能制造新生态

  1、必由之路策马扬鞭

  智能制造是《中国制造2025》的主攻方向,是面临正在孕育兴起的新一轮科技革命和产业变革,企业存续和发展的必由之路。不发展智能制造,企业迟早要被淘汰。我们轴承行业的企业在发展智能制造上不能畏葸不前,应策马扬鞭自奋蹄。我们既要讲求实效,不搞花架子,面子工程,又要扎扎实实提升水平,对标达标;既不要急躁冒进,超越阶段,又要积极进取,有所作为。我国轴承行业有一万多家企业,其中规模以上企业1500多家,企业的发展水平千差万别,大企业和中小微企业的发展诉求和路径也存在巨大的差别,在智能制造上不能一概而论。

  从总体上,我国轴承行业智能制造发展路径数字化→网络化→智能化,“十三五”期间应是数字化普及,网络化、智能化示范。2025年全行业智能制造取得重大发展,2030年全行业实现智能制造。处于不同发展阶段的企业,都应从自身实际出发,加快数字化→网络化→智能化的进程。

  2、两化融合夯实基础

  推进工业化和信息化两化融合是国家战略,两化深度融合的方向和目标就智能制造。全行业不论处于智能制造哪个发展阶段、何种发展水平的企业,都要积极采用信息化技术,并由单项信息技术的应用向系统集成发展,努力推进工业化和信息化两化深度融合,夯实实现智能制造的信息化、数字化基础。

  研发设计数字化——通过模拟仿真,建立产品数字化模型,实现CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM等单项信息技术的应用和集成。规模以上企业数字化研发设计工具普及率要达到70%以上。

  工厂装备数字化——实现轴承制造设备数字化控制,状态信息实时检测和自适应控制。特别要注意采用高档数控机床和机器人、智能传感与控制设备、智能检测与装配设备、智能物流与仓储设备。关键工序设备的数控化率要达到50%以上。

  制造过程数字化——要建立生产过程数据采集和分析系统并实现可视化管理,进而建立车间制造执行系统(MES)。

  经营管理数字化——有条件的企业要建立企业的资源计划系统(ERP)、产品生命周期管理系统(PLM)。

  市场营销数字化——有条件的企业要建立客户关系管理系统(CRM)、供应链管理系统(SCM)。

  3、整体推进  分类施策

  轴承行业的智能制造,要在整体推进的前提下,对不同类型的企业,一是“铺天盖地”的中小微企业,二是“顶天立地”的大企业,分类施策。

  (1)扶助中小微企业提升信息化、数字化技术应用能力和水平

  对众多中小微企业来说,还处在数字化阶段,“十三五”应实现数字化普及,应大力在研发设计、生产制造、经营管理、市场营销等核心业务环节应用信息化、数字化技术。

  为解决自身能力不足的问题——

  取得当地政府中小企业信息化服务平台的支持。

  慎重选择大学和科研院所,实行产学研联合。

  慎重选择软件开发商、系统集成商,进行服务外包。

  (2)大企业尤其是轴承销售额行业前30名的企业,应大力开展数字化车间/智能工厂的建设工作。

  目前,我们轴承行业已有新火炬、人本、慈兴、大冶轴、聊城金帝等大企业在数字化车间建设方面已迈开了步伐,特别是新火炬的数字化车间智能制造项目已列入国家重点项目,推广上述企业在智能制造方面的做法和经验,发挥示范作用,推动全行业智能制造的发展。

  本文由陌贝网整理编辑(http://www.mrobay.com/

 

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