構建中國沖壓行業的工業互聯網平臺

文／金吉光·蘇州菲尼網器數字科技有限公司

劉麗旻·中國鍛壓協會

2020 年3 月國家發展戰略提出“新基建”概念，明確了七大投資領域，工業互聯網領域便是其中之一。工業互聯網(Industrial Internet)是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態，通過對人、機、物、系統等的全面連接，構建起覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業乃至產業數字化、網絡化、智能化發展提供了實現途徑，是第四次工業革命的重要基石。

我國的工業互聯網建設正處于起步階段，各種軟硬件能力不能滿足現代化生產的需要。以沖壓行業為例，正處在艱難的數字化轉型期：一是CAM 等生產制造類軟件的缺失，短周期、高質量、低成本的市場競爭與企業自身發展要求難以滿足；二是作為制造業基礎材料與零部件生產的沖壓行業，在過去以實體實踐迭代制造過程的進步方式，尚未全面在質量、交期、成本上贏得高端制造的優勢，沒有實現和互聯網的全面接軌。

現代制造業要求產品從構思到樣件的研制，必須能縮短研發周期、降低整體成本、提高產品的質量與性能；后期在量試、量產、備件階段，實現“好、快、廉”的理想狀態，因此，構建中國沖壓屬性的工業軟件與工業互聯網平臺至關重要。

我國沖壓行業現狀

沖壓模具成本居高不下

沖壓與鍛造的核心在于模具技術和生產工藝。以沖壓行業為例，首先，需要根據沖壓件設計工藝和模具；其次，才是沖壓件的生產過程。沖壓件就是對模具的謄寫復制。在實際生產中，沖壓力和受力變形分布需要計算；模具精度直接影響沖壓件的精度，而且隨著使用磨損后模具喪失原有精度，也需要預見與計算。傳統手工繪制或者2D 設計圖紙的方式，是根據沖壓件多道壓制結果偏差，推測模具型腔與輪廓成形尺寸，再次修正模具尺寸。

傳統的沖壓業競爭激烈。批量生產第一步就是獲得技術新品的訂單，大批量生產需要高質量的沖壓模具，因此模具設計與制作周期是首樣生產的關鍵。傳統的沖壓企業，首先要依據沖壓件技術與品質要求，設計與制作簡易的沖壓模具，按照實際生產過程分工步生產。傳統沖壓生產會面臨這樣的難題：新產品研發期間的試產、量產技術變更頻繁，質量控制與要求不斷增加；批量生產后，為了降低成本和保證品質，會頻繁出現技術變更的情況，導致加工工藝、模具結構的變更，同時樣件檢測確認與承認、圖紙更新、文件版本、品質修正承認等文件也會隨之變更。

為了應對市場要求與變化，一些管理薄弱的沖壓企業，會采用囤積材料、在制品、產成品的措施，提前過量生產保證交期。一旦發生結果變更與品質修正，沖壓企業會疲于奔命，管理、技術、質檢、試制等人員難以應對，導致企業增加巨大的成本。在產能過剩、低價競爭、低效益的經營環境下，中小型沖壓企業生存狀況雪上加霜，舊的發展路線已經走到盡頭，亟需尋求新的發展路線。

沖壓仿真與模擬技術應用尚需提高

沖壓生產中，材料成本占總成本的60%以上，材料的利用率低，會導致成本上升。傳統人工計算排料會導致材料利用率、最小沖壓力、最短工序、合理分配變形等問題很難實現多個可行方案的優選。而利用3D 設計、3D 仿真、3D 加工等工業軟件，選取標準模架和沖壓加工過程，可以實現運動模擬仿真，模具的零部件、沖壓生產需要的外購件和材料的采購清單輸出，模擬測試與演示自制零部件的數控加工和裝配調試過程，甚至可以對任何需要的部位測試，進行理論與實際尺寸的誤差對比，及時修正加工參數。

單個產品追逐沖壓件和模具系統全過程的最優化，大多數有規模的沖壓企業，或多或少實現了其中的一部分，但中小沖壓企業由于經濟和人才的制約仍然沿用純傳統技術與舊生產方式。

沖壓過程的監控數據缺失

中小沖壓企業一般都是采取人工管理模式，品質管控缺少系統性。例如，沖壓及模具的信息登記不及時，生產調度記錄錯誤頻繁，沖壓件和模具占用大量空間。因為缺乏有效的監管數據手段，不能掌控模具的使用狀態，模具的定期維護保養以及報廢更新，缺乏科學的數據決策依據。

沖壓件材料與配件庫存數量直接影響沖壓零件的生產計劃進度，半成品庫存直接影響生產計劃的正常推進。因此，模具、材料和零配件的數量管理，對生產計劃員來說十分苦惱。傳統的粗放管理模式下，不能及時準確地統計庫存數量，模具實行無頻次管理，不僅影響到生產零件的品質，還容易造成各類資源的浪費。沖壓企業迫切需要引入新的數字采集技術，實現對模具全生命周期的管理，同時又能實時記錄沖壓原料消耗、沖壓件的生產狀況、產品的出入庫情況，將繁瑣復雜的數據統計與識別判別工作，變得簡單透明。此外，產品的尺寸精度與品質在線量測監控更是鮮有采用。

工業互聯網發展契機

沖壓行業數字化、智能化發展的內在動力

有規模的日本沖壓企業，在集團或企業內部構建國際性的數據中心與文件圖紙管控平臺，可實現新品研發階段的過程控制，利用互聯網技術在集團內使得客戶可見，實現信息與數據的共享，通過賬號身份認證機制，定向獲取必要的信息與數據，不必等待事務人員層級轉發、簽發圖紙文件等手續，實現快速交樣與產品數據文件管理。成熟的歐美、日本企業在新辦企業時，工廠建成時系統立即上線，保證用最短的時間達到設計產能，工廠生產管理運行的軟件是基本保障。

過去中國中小企業，自身沒有通信技術能力或者建設資金，無法搭建屬于自己的信息與數據共享系統。隨著云技術和平臺的成熟，特別是5G 通信技術的出現，給中小微企業提供了經濟的技術手段，為中小微企業生存帶來了曙光。整體技術的集合就是工業互聯網的概念，企業上云與工業企業互聯能力的實現，可為中國沖壓企業可持續良性發展跨越行業性障礙。

利用工業互聯網平臺，在新產品研發過程中的試樣、沖壓模具首樣、量產批準等環節中，可以經濟地實現縮短交樣評判、圖紙文件的傳遞時間。沖壓企業在研發過程的管理水平，也會通過流程數字化能力的增強得到提升。

沖壓行業發展的外在工業互聯網生態機遇

首先，工業互聯網進一步促進沖壓行業的資源整合能力。工業互聯網的應用能夠進一步打破企業內部以及企業之間的信息孤島問題，進一步促進行業產業鏈的細化，通過云計算、大數據和人工智能等新技術提升企業的資源整合能力。云技術及計算在沖壓企業的普及與使用，大量的資源逐漸數據化，整合資源的成本將得到明顯的下降。目前中國一些企業已經開始在工業領域搭建起了各類云服務平臺，沖壓企業可以借此來給自己賦能。

其次，工業互聯網進一步提升系統生產效率。提升效率主要通過三類技術手段：通過物聯網技術提升整個生產過程的自動化和信息化程度；通過云計算拓展員工崗位任務的時空范圍，實現一人勝任多個崗位；通過人工智能技術降低工作技能要求和處理量，提升整體的勞動效率。

最后，工業互聯網進一步提升可持續發展能力。在產業結構升級的過程中，沖壓企業的綠色發展和可持續發展是重要的訴求，通過工業互聯網的應用能夠在很大程度上實現資源的有效和充分利用。從目前已有的工業互聯網實踐運用來看，對沖壓企業決策效率提高的作用越來越得到認可。

工業互聯網的發展不僅僅是科技企業的發展，更需要沖壓企業參與。中國提出工業互聯網的發展戰略，每個沖壓企業都要找到自己的位置與發展方向，并抓住發展機遇參與其中。隨著數字化云技術的快速發展，相關平臺的建設成本正在快速降低。

客戶新品上市倒逼沖壓企業改革

數字化轉型本質是跨越管理數字化的鴻溝，管理必須實現信息化和數字化，其中，過程可視化是關鍵。進度可視與問題可視是關鍵：一是系統流程與進程需要菜單化；二是輕重緩急度量的標識化；三是視角維度的窗口化。以客戶新品研制需要的技術試制件為例，新品研發前期的圖紙設計尺寸與要求不完整、不清晰，試制品尺寸與試制過程的問題共享，在產品構思構造時重新確定尺寸與公差標準。傳統模式下，客戶要求沖壓企業可以快速提供工藝方案、圖紙尺寸技術要求、成本和時間評估，集團內部或多家企業要分別給出不同方案與評估結果，再從中選擇可行乃至最優的方案，是一個非常難以協調溝通的過程。

在工業互聯網的通信技術與軟件構建引領下，企業能夠實現低成本報價與快速評估。圖紙和信息的流動障礙與非對稱信息消除后的溝通效率，將是各類企業致勝的前提。高速信息工業網絡構建、低成本云計算與存儲，為大量面向行業的、專業的或是特定場景的解決方案提供了生存與發展的生態基礎。

工業互聯網實現沖壓生產全過程管理

沖壓件開發到量產一般采用四階段18 步法，見表1。

表1 沖壓件開發到量產四階段18 步法

生產案例

接下來，通過一個具體的案例來介紹一下工業互聯網平臺下的沖壓件生產的亮點。

某沖壓件材料為普通鍍鋅板，展開尺寸1500mm×1200mm×1mm。零件展開后為單體的沖壓件，由項目技術總工分割成4 個獨立部分，如圖1 所示。

圖1 沖壓件展開后分成4 部分

⑴沖壓件新品研發階段。

沖壓件新品研發階段，是配合新產品開發技術試驗的沖壓件制作過程，目的是為沖壓件定型。沖壓件定型本質是確定與完善圖紙要求，此時圖紙上非機能部位沒有尺寸標注。沒有IT 系統幫助時，此過程通常需要2 ～3 周；有了工業互聯網平臺的加持，可保證新品打樣周期為72 小時，如表2 所示。

表2 新品試做72 小時生產安排

此沖壓件新品開發設計與制作72 小時，根據每一個部位獨立設計，依據加工難度級別，分別指派相應技能的設計人員和加工人員，如圖2 所示。

圖2 沖壓件結構難度分級

⑵模具局部設計與加工。

快速局部設計和局部加工模具，不按照未來實際工序進行設計與加工，從而極大地縮短了設計與加工時間。一旦出現技術變更，只要修改對應的局部就可以快速完成模具變更，試制樣品的檢測也只針對變更部分和修正部分進行測量與記錄。模具生產采用先模擬后制造的方式實現，通過模具設計軟件推導各處參數與驗證必要的尺寸，縮短了研發周期，減少了與實際參數的誤差。

其中，不同設計者部分設計和分步制作模具，即將任務分解后派發給不同的設計和加工人員，圖紙審批審核的流程控制，由系統自動進行，以保證快速協調共同完成。將模具制作切分成為可在規定時間內完成的工作量，完成情況、圖紙下發、加工進度、檢測記錄也全部網上可見，有權限者可以下載，必要時可以通知變更預警與工作督促。

⑶樣品檢驗與圖紙數據交付。

樣品完成時，調用3D 圖進行對應的尺寸精度檢測與記錄，如圖3 所示，檢驗合格的樣品包裝好交付客戶。實際的測量尺寸在圖紙上進行準確標注，便于客戶直接進行核對與借用。

圖3 調用3D 圖進行對應的尺寸精度檢測與記錄

⑷沖壓產品的數字化與數據的共享。

所有過程的圖紙、數據、文書、流程的審批，項目的進度，全部系統共享。

特別值得介紹新產品的經驗就是硫酸紙對照打印，如圖4 所示。由于所有的圖紙都是經過人工、系統的換算，容易出現操作性大的要素疏漏，過程的記錄與編號非常復雜，通過1:1 精確地打印出來，并與半透明的模板對照，記錄到對應的位置上，核對每一個尺寸與技術要求，避免出現謄寫轉抄的低級錯誤。在實際檢查過程中，確實發現許多低級錯誤。

圖4 硫酸紙對照打印

工業互聯網平臺總體框架

工業互聯網不是互聯網在工業的簡單應用，而是具有更為豐富的內涵和外延。它以網絡為基礎、平臺為中樞、數據為要素、安全為保障，既是工業數字化、網絡化、智能化轉型的基礎設施，也是互聯網、大數據、人工智能與實體經濟深度融合的應用模式，同時也是一種新業態、新產業，將重塑企業形態、供應鏈和產業鏈。

這樣的工作方式，在傳統的設計與研發的方式下很難完成。如果自身構建一整套這樣的系統，在過去很難想象其中的學習成本，在如今工業互聯網技術支撐下，可以快速搭建成形，甚至可以短期借用平臺的小應用，不需要購買昂貴的硬件和通信設施。工業互聯網平臺由許許多多小的應用組成，不僅僅是文件文書記錄類的傳遞，更重要的是平臺可以控制機械與設備的運行。這里的關鍵是安全、低延時、云存儲、快計算、可視化等一系列設備與服務支撐，需要產業鏈規?；能浻布丈?。

工業互聯網產業鏈層次模塊圖

工業企業發展到一定程度，越是追求精益求精的高端企業，越是需要工業互聯網的助力發展。制造業的智能化轉型，需要部署到生產管理系統中的嵌入式工業軟件變得越來越多，這些軟件嵌入在控制器、通信系統、傳感裝置之中，采集生產過程數據，支撐起智能化工廠的感知和分析能力，成為制造業智能化轉型中最為重要的部分。工業互聯網作為新一代信息技術與制造業深度融合的產物，通過實現人、機、物的全面互聯，構建了一個全要素、全產業鏈、全價值鏈連接的、新型的生產制造和服務體系，是促進傳統產業轉型升級、實現高質量發展的重要驅動。

工業互聯網產業鏈(圖5)可分為安全體系、設備層、網絡層、平臺層、軟件層、應用層等六大部分。其中，信息安全體系滲透于各層中，是產業中重要的支撐保障；設備層是指包括智能生產設備、生產現狀智能終端、嵌入式軟件及工業數據中心；網絡層是指包括工廠內部和外部的通信；平臺層包括了協同研發、協同制造、信息交易和數據集成等工業云平臺；軟件層包括了研發設計、信息管理和生產控制軟件，其中軟件是幫助企業實現數字化價值的核心環節；應用層是包括了垂直行業應用、流程應用及基于數據分析的應用。

圖5 工業互聯網產業鏈層次模塊圖

工業互聯網建設的組織要點框架

在具體建設投入前，必須對企業進行流程化建設，分專業模塊梳理流程，實現流程的組織運行方式。表3 是流程建設的基本框架。

表3 流程建設的基本框架

某沖壓企業工業互聯網的總覽實例

工業互聯網是由許多產業、行業、企業、業務、設備組網而成的，具有多種多樣的生態形式，圖6 是某國際集團下屬工業互聯網建設的一個總覽圖。

圖6 某企業工業互聯網建設總覽圖

結束語

當前工業互聯網融合應用向國民經濟重點行業廣泛拓展，形成平臺化設計、智能化制造、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸、數字化管理六大新模式，賦能、賦智、賦值作用不斷顯現，有力地促進了實體經濟提質、增效、降本、綠色、安全發展。

圖7 某沖壓生產線數字化建設示意圖

沖壓行業的許多企業，在裝備改造升級的進程中，還是受傳統思維影響，重視裝備機械化及自動化能力。一部分企業對于未來對接工業互聯網的基礎建設思想認識不足；另一部分企業不知道如何進行數字化轉型工作，沒有專業的指導與系統性學習，沒有做好必要準備工作，匆忙選擇大型系統，導致效果與收益不明顯。要構建中國沖壓屬性的工業軟件與工業互聯網平臺，要做好工業互聯網企業自身建設對接準備，首先要學習工業互聯網的知識，了解其中的經濟性和特點；其次，構建企業運行的模型；最后，實現整體貫通系統，構建上下貫通、左右貫通、主題貫通的流程性組織。這樣才能保證企業在系統上線時用最短的時間達到設計產能，促進企業向智能化邁進。

楊家將里有個楊五郎，自創了五郎八卦棍