一、企業簡介

    山河智能裝備集團創始于1999年，以上市公司山河智能裝備股份有限公司（證券簡稱：山河智能；證券代碼：002097）為核心企業，以長沙為總部，逐步形成了一個以工程機械為核心、擁有自主知識產權、在國內外具有一定影響力的企業集團，躋身于全球工程機械企業50強、世界挖掘機企業20強、世界支線飛機租賃前3強。

    在集團創始人何清華教授的帶領下，以產學研一體化為典型特色，依靠“先導式創新”模式，以差異化競爭實現跨越式發展。集團總資產超140億元，2018年營收超55億元，員工4300余人，已在地下工程裝備、全系列挖掘機、現代鑿巖設備、礦業裝備、起重機械、液壓元器件、軍用工程機械和通用航空設備等十多個領域，成功研發出兩百多個規格型號，具有自主知識產權和核心競爭力的高品質、高性能工程裝備產品。公司立足自主創新，每年研發投入達到總銷售收入的百分之四以上，獲得專利技術800余項，承擔國家級項目10余項，其中“863”高科技計劃項目9項，獲得國家科技進步二等獎、國家發明獎等各種獎勵數十項。

    職業化的營銷服務團隊、遍布國內外強大的營銷網絡、服務中心使集團產品暢銷全國，批量出口全球100多個國家和地區。“SUNWARD”商標已在全球數十個國家注冊。

圖1：山河智能裝備股份有限公司

    二、企業在智能制造方面的現狀

    1、數字化設計

    山河智能研發信息系統突破了設計的局限，以三維模型和PLM全生命周期為基礎，將企業產品模塊化、系列化、標準化，建立最優的設計流程，形成智能的知識設計系統，為企業提供面向工業4.0柔性化的產品設計過程，讓設計走入智能化時代。

    山河智能研發信息系統由三部分組成：

    1.1 基于MBD的三維CAD平臺

    研發設計：以Autodesk產品為基礎，實現了概念設計、結構設計、優化分析、虛擬裝配及出版物制作的整個設計過程在統一研發工具平臺下進行。借助先進的計算機輔助設計平臺，山河智能的研發效率大大提升；通過改進繪制方法和變型方法，減少了設計時間、提高了模型質量；模塊化設計系統將產品系列化模塊化，形成結構和配置，融入計算、分析及優化，并將企業產品領域數據或專家的產品知識及經驗集中的管理在系統中。設計人員可利用專家的知識進行設計，讓每個設計人員具備專家的知識水平，設計的產品具備專家級的水平，從而提高設計質量。基于知識工程的模塊化設計系統可以幫助我們企業實現：更快的響應；更準確的成本估計與合理報價；更快速的設計和制造；更短的交貨周期；更合適的成本；更高質量和穩定性。

    高端工程裝備所有零件均已建成三維模型，部分關鍵零件（行走架、動臂、斗桿、鏟斗）示意圖如下。

 
              
圖2： 上，行走架；左一，動臂；右一，斗桿

圖3：鏟斗

    工藝設計：以Autodesk產品為基礎自動承接設計來源，構建了設計工藝一體化平臺，實現全三維、結構化、可視化的工藝設計模式。通過PLM系統建立工藝設計及管理環境，構建以工藝BOM結構為核心的管理模式，每個零部件會對應一個總工藝節點，在總工藝下建立零件所需要的工藝對象，比如裝配工藝、毛坯工藝、機加工藝、數控工藝等，在工藝中建立工序，在工序下添加設備、工裝、輔料等物料對象。工藝與工廠結構中的車間關聯，工序與車間的工作中心或工位關聯。

    1.2 PLM產品全生命周期管理系統

    PLM產品全生命周期管理系統實現了產品從創建到使用，到最終報廢等全生命周期的產品數據信息的管理。通過PLM系統集中統一管理產品數據，整個產品研發團隊安全有效地共享產品信息和協同設計；構建了單一數據源，提高重用，集團采購，減少庫存；建設了標準件庫、通用件庫和知識庫管理，構建了集團子公司產品數據的模塊化，系列化和組合化管理，提高了設計質量和效率。

圖4： PLM產品全生命周期管理系統

    PLM是產品數據管理系統，是CAD、CAPP、CAM集成平臺；利用PLM數據平臺將設計、工藝、變更信息傳遞進ERP系統，ERP系統充分共享這些基礎數據，實現了企業數據流的閉環管理與企業范圍內的信息集成要求。

    2、智能裝備、工藝及關鍵智能技術應用

    2.1 車間模型建立及智能生產線規劃

    為了科學地解決評估制造系統的合理性，2016年山河智能引進數字化工廠理念，通過虛擬現實和建模仿真手段，對生產線工藝布局、物流方案、生產計劃等進行仿真驗證，形成“先工藝仿真后廠房投建”、“同步規劃車間信息化”兩大指導原則。

    根據高端工程裝備生產線要生產的產品族、產能和生產節拍，山河智能采用價值流圖等方法來合理規劃智能生產線。智能生產線實現了在生產和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數控系統自動進行生產、質量、能耗、設備績效等數據采集，并通過電子看板顯示實時的生產狀態，能夠防呆防錯；通過安燈系統實現工序之間的協作；生產線能夠實現快速換模，實現柔性自動化；能夠支持多種相似產品的混線生產和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產模式；如果生產線上有設備出現故障，能夠調整到其他設備生產；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示，并充分利用人機協作。

    在后續的幾年，所有新建廠房都應用了數字化工廠預驗證和智能產線規劃。

    2.2 工藝流程及布局

    在新工廠建設時，山河智能根據企業在產業鏈的定位，擬生產的主要產品、生產類型（單件、小批量多品種、大批量少品種等）、生產模式、核心工藝（例如焊接、機加工、裝配等），結合生產綱領，對加工、裝配、調試、檢測等工藝進行了分析與優化。充分考慮智能裝備、智能產線、新材料和新工藝的應用對制造工藝帶來的優化。同時，基于綠色制造和循環經濟的理念，通過工藝改進節能降耗、減少污染排放；還應用了工藝仿真軟件，來對制造工藝進行分析與優化。

    高端工程裝備中的關鍵件流程復雜，主要涉及到下料、成型、焊接、機加、表面處理、涂裝、裝配、調試等工藝，所有零件都建立了穩定的工藝流程，并根據工藝流程編制了價值流程圖，部分關鍵件下料、成型后的工序價值流程圖如下圖:

    2.3 設備聯網及數據采集

    山河智能積極推進工業互聯網建設，實現MES應用，實現了設備與設備之間的互聯，建立了工廠網絡。充分考慮了設備與設備之間互聯方式和通信方式、通信協議和接口方式以及數據處理方式。在此基礎上，實現了對設備的遠程監控，實現DNC（分布式數控）應用。

    生產過程中實現了及時對產量、質量、能耗、加工精度和設備狀態等數據進行采集，并與訂單、工序、人員進行關聯，實現了生產過程的全程追溯。出現問題可以及時報警，并追溯到生產的批次、零部件和原材料的供應商。

    設備聯網和數據采集的實現，促進了山河智能建設工業互聯網的進程。

    2.4 原材料 (板材)入庫與出庫智能管理

    ①原材料入庫卸車配置80t龍門行車，行車帶計量器和庫位跟蹤器、電子吸盤，每個庫位鏈接MES掃描與ERP，以免原材料混存并保證材料庫存量可控。

    ②鋼材管理采用色標，不同顏色對應不同材質，做到材質可視化管理。設置鋼板預留位置，實現先進先出功能，避免鋼材大量銹蝕。

    ③原材料出庫由計劃下達倉庫和生產，通過MES系統向庫房下達指令，通過無線網絡向龍門行車下達需求指令，龍門行車將自動尋庫抓取材料，同時轉序小車向龍門行車發出信號，報告自己停靠位置，龍門行車根據指令將原材料送到轉序小車上，轉序小車顯示下料區所需工位，直接送到所需工位。

    2.5 下料工藝智能化

    ①下料設備配置激光切割機、精細等離子坡口切割一體機、坡口機器人，提升了產品切割效率及切割質量，通過全面取消人工坡口等落后工藝，減少了搬運距離，實現了少人化。

    ②自動上料、自動清渣切割臺逐步使用，火焰切割自動噴水裝置應用。異型切板件檢查均使用模板、原材料色標應用和管理得到實施。

    ③切割下料工藝利用軟件功能建立零件庫，將每個零件的參數進行了保存；產品設計更改時，及時更新零件庫。

    ④共邊切割、共孔切割技術得到推廣應用。

    ⑤下料區所有下料設備DNC集成管理，按板材厚度排序設備。下料編程用FASTCAM軟件排版，切割程序通過網絡直傳到設備，根據生產指令提取程序開始下料作業。

    ⑥對易損件進行有效管理，待切割設備易損件作業一段時間后，當不能達到作業要求，系統會自動報警，提醒員工更換易損件。

    ⑦下料完成后，清料到物流小車，進行掃描(MES)，配送到每個制作工位。

    2.6 成型工藝智能化

    ①大型的高強鋼中厚板關鍵部件成型工藝好，在行業內領先，模壓工藝普遍，減少了多刀折彎情況，提升了效率，保證了成型質量；局部應用了輥壓、冷擠壓等先進工藝，產品成型質量好。

    ②板件經過校平，校平設備根據工單掃描，自動調整校平參數，同時進行激光檢測平整度檢測，達到要求后，物流小車轉序卷板、折彎區或油壓區。

    ③折彎前對工件進行成型掃描與工藝BOM連接，自動夾取成型，設備對成型結果在線監測，達到工藝要求后停止折彎，實現全閉環作業。

    ④油壓前，掃描工單與模具二維碼，兩者匹配方可進行油壓，系統可對模具使用周期進行評估，提醒員工對模具進行維護，模具基本配置了專用模具。

    ⑤設計人員可通過系統對現場模具信息調取，設計人員從源頭設計符合客戶要求同時兼具符合工藝性要求的產品，降低產品制造成本，縮短制造周期。

    2.7 焊接工藝智能化

    ①焊接機器人的大幅使用提升了焊接自動化率，少量機器人難以焊接的部位采用人工補焊，人工補焊工位全面配置變位機，實現焊接水平化（船型焊），極大提升了焊接質量；

    ②液壓自動鉚焊工裝逐步投入使用，工裝自動化率進一步得到提升，高端工程裝備產品的工裝全面覆蓋，特種數字化焊機也得到引進，同時配置了許多先進的焊縫性能檢測設備與儀器。

    ③鉚焊作業標準化覆蓋率100%，工藝評定完善，各項作業有據可依。鉚接工裝覆蓋率100%，鉚接工位配備液壓工藝裝備，定位精準，裝卸夾緊快速完成。所有吊裝設備kbk全覆蓋，工序之間轉序采用自動滾動線或智能小車輸送到指定的下道工序。

    ④鉚焊產品按工件類別劃分區域（如：挖掘機結構件按底架、平臺、動臂、斗桿四大件規劃），即基于工藝共性的柔性化生產模式，鉚焊作業的來料通過系統指令，智能小車齊套輸送到工位，通過掃碼識別工單信息，各工位根據作業指令，在現場可查閱對應作業指導書等相關的工藝文件。

    ⑤每道工序完工后，通過AGV小車輸送到下道工序位置后，機器人通過掃描工件工單信息，自動啟用相應焊接程序進行焊接作業。

    2.8 機械加工數控化及DNC管理

    ①機加工藝裝備升級見成效，引進了多條柔性生產線、專業機加設備；設備數控化率達到70%，且所有設備數控設備DNC集成管理，程序在生效前均經過虛擬加工驗證，加工時在服務器端一覽所有加工動態，設備運行動態（可視化）、加工工件，運行程序號，加工時間，完工時間等等。

    ②專業工裝夾具和先進刀具的逐步使用，設備效率大幅度提升。先進的機加工藝得到試點并取得良好效益。

    ③智能刀具管理，促使工藝逐步優化，制造成本降低。

    ④加工時，工件由AGV小車輸送到機加區位置進行工件掃描，相應機加設備將自動啟用相應機加程序進行加工。機械加工配置了在線檢測手段，自動對刀儀，刀具破損檢測裝置，可有效的提升機械加工的效率和質量。

    ⑤針對結構件配置了專業機加工裝，通過工裝實現自動找正，節約對刀時間，縮短加工周期。機加工刀具全面采用涂層機加刀片，且配置了刀具管理子系統，可實時監測刀具消耗用量，評估刀具合理性，提升刀具利用水平。

    ⑥自動上料系統、自動進料系統、機械手等配置，提升了上下料效率、智能化及安全性。