先进制造技术在电梯制造中的应用研究.pdf

先进制造技术在电梯制造中的应用研究 A p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi ne l e v a t o rm a n u f a c t u r i n g 王琪冰L 2 ，李仁2 ，茹晓英2 ，徐晓斌3 ，孙新亚4 W A N GQ i - b i n 9 1 ’，L IR e n 2 ，R UX i a o - y i n 9 2 ，X UX i a o ．b i n 3 。S U NX i n ．y a 4 1 ．浙江科技学院，杭州3 1 0 0 2 3 ；2 ．森赫电梯股份有限公司，浙江3 1 3 0 1 3 ； 3 ．杭州电子科技大学，杭州3 1 0 0 1 8 ；4 ．清华大学，北京1 0 0 0 8 4 摘要随着国家对制造业进行智能性转型升级的大力推进，电梯作为人们在现代化城市中的重要机械 运载装备之一。其制造安全可靠性的要求越来越引起人们的重视。O S T 电梯制造公司自动扶梯 支架优化设计及电梯曳引机制造设计技术等都是先进制造技术的具体应用体现，通过对先进制 造技术的现状与特点，阐述了人工智能、成组技术、并行工程、敏捷制造等智能技术在电梯制 造中的应用，这对提升电梯行业制造水平升级和加快电梯技术的发展具有一定的促进作用。 关键词先进制造；电梯；自动扶梯；曳引机；精益生产 中图分类号T D 4 0 6文献标识码A文章编号10 0 9 0 1 3 4 2 0 2 0 0 5 0 1 4 7 0 4 0 引言 随着中国经济的高速发展，近年来城市化建设的大 力推动，使得电梯制造业发展保持在二位数增长，根据 国家统计局公布电梯相关的最新数据，2 0 1 9 年1 2 月全国 生产电梯1 0 ．9 万台，2 0 1 9 年全国生产电梯1 1 7 ．3 万台，创 造了历史性的新高。与2 0 1 8 年8 5 万台相比，净增3 2 ．3 万 台，增幅率达3 8 ％；电梯在用市场保有量2 0 1 9 年7 4 5 ．3 万台，2 0 2 0 年将突破8 0 0 万台；中国已成为全球最大电 梯制造国和市场消费国。中国电梯制造企业达到7 “ 6 0 0 多家，电梯售后服务企业约1 ．4 万家。每年电梯采购高 达2 0 0 0 多亿元，受城市化的推进发展影响，电梯正成为 现代城市化的重要标志，也是先进轨道交通装备，电梯 制造水平是制造业现代化的重要标志之一。随着我国加 大科技创新力度，在工业物联网、新能源、生物工程、 大数据、新材料等领域取得新突破。基于人工智能系统 的智能工厂正在引领全球制造行业的变革⋯；在2 0 1 5 年 中国国务院关于印发了国发 2 0 1 5 2 8 号中国制造 2 0 2 5 的通知文件政策支持，国内电梯制造企业不断壮 大也迫切需求加快在创新能力和制造水平建设步伐。本 文通过对成组技术、人工智能、并行工程、特征技术等 先进制造技术在电梯制造中的应用为研究对象，作简要 探讨与研究。 1 先进制造技术的基本情况 1 ．1 市场情况 随着先进制造技术的讯猛发展，促进了电梯制造水 平的快速发展，提升了先进轨道交通装备的配套质量， 而电梯制造行业中引进应用先进制造技术已经成为提升 电梯制造水平的硬指标，先进制造技术改变了传统的电 梯制造方式，创新了新的电梯制造生态系统。它将计算 机辅助设计与制造、集成制造系统等集成一个完整的先 进制造技术生态。先进制造技术的应用可以让制造企业 在市场竞争中获得必要的优势，虽然这种优势相对而言 比较强盛，但制造企业充分组织发挥好技术、管理和人 才资本等方面的统一协作与运行【2 J 。因此，提高电梯制 造水平是国家电梯产业持续发展的必须趋势。 1 ．2 中国电梯制造行业的先进制造技术现状 由于中国工业化进程起步较晚，与国际发达国家水 平相比，不管是在制度、设计方法、制造工艺、自动化 过程、管理方式、产品设计、生产投入结构、产业组织 结构，中国的制造业及先进制造技术都存在一定的整体 差距。随着国内外先进制造技术的不断应用，引起了电 梯制造行业一些企业的重视与投入，使得先进制造技术 在电梯制造中的应用研究是有必要性的。 2 先进制造技术的发展特点 2 ．1 先进制造技术的历程 先进制造技术是推动世界制造技术发展的重要创 新，是基于传统制造技术上创造发明进步，并吸收其优 良的制造技术要素，又不断学习收集整合了各种世界最 前沿的技术，使先进制造技术贯穿到产品生产过程中的 收稿日期2 0 1 9 - 0 4 - 0 9 基金璜目浙江省科技厅“一带一路”科技合作专项 2 0 1 8 C 0 4 0 2 0 作者简介王琪冰 1 9 7 8 一 ，男，浙江新昌人，正高级工程师，博士，研究方向为特种装备与机器人技术。 第4 2 卷第5 期2 0 2 0 0 5[ 1 4 7 ] 万方数据 各个加工工段。先进制造技术与当代高新技术相互应用 下而催生了全新的智能制造技术群。 2 ．2 先进制造技术的工业化应用 先进制造技术是根据市场终端需求与产品技术创新 发展而推动起来的，是一项注重工业化实用效果的新技 术，是制造业的新方法、是研发新产品新技术的重要手 段，在工业企业中的应用中发挥了巨大作用，并为制造 工厂创造了很好的工业产值和社会影响力。先进制造技 术不应以创新技术为追求目的，而是更加从技术与管理二 者融合产生的最佳效果，更加注重生产过程管理构架的科 学简化，从而提升企业的先进制造水平，增加企业在市 场上综合竞争力，促进国家工业经济转型升级发展。 2 ．3 先进制造技术的全球化 全球的制造业国家都想拥有将本国制造业打造成为 全球化和信息化，通过先进制造技术革新在国际市场竞 争中稳步发展。因此，先进制造技术影响到了小到制造 企业本身，更影响到了一个国家的制造业，甚至影响全 球制造模式。虽然中国目前是全球制造业的大国，但与 工业发达的西方国家相比还中国还不是科技制造强国， 开发和应用适合中国国情的先进制造技术一直被国家列 为重点科技发展领域，我国从计算机辅助设计技术发展 到金属成形技术、超精密加工技术等先进制造技术，改 变了制造业的传统模式，加速了先进制造技术在生产过 程中的应用【3 J 。 3 先进制造技术的应用情况 3 ．1 成组技术 G T 在电梯设计制造中，成组技术是辅助先进制造的 基本技术，将技术研发、产品制造和企业管理等整个系 统工程进行有机的组合，打破产品型号多、小批量生产 的常规生产模式，使企业在激烈市场中创造良好的经济 和社会效益。而成组工艺是成组技术的重要核心，根据 产品结构、原材料、生产工艺等特性部件组成一个部件 群，按照部件群制定相应产品的工艺进行科学加工，提 高生产效率瞪】。 例如C S T 电梯制造公司基于成组技术上在精益生产 管理方面进行了一定程度的应用。对新型生产管理流程 进行重新梳理如图1 所示。 1 采用成组技术，对制造的产品进行一定相似性 准则，分类编码，并以此为基础建立产品大数据库．组 织生产各个环节，实现对产品部件设计、制造工艺制定 的科学合理化．推动由零散加生产向规模化生产升级， 为企业达到技术生产效果，优化企业在实施精益化生产 过程管理模式陋】。 2 从销售合同签约生效后排产之日起，采购原材 料的到货率，生产产品的部件结构参数、性能及尺寸要 D 4 8 1第4 2 卷第5 期2 0 2 0 0 5 求，如轿厢支架、曳引机机架、轿板、门板、导向轮 等通过成组技术优化技术加工图纸生成，并就对相似零 件的图纸，生产工艺和工装进行调整，进入到预约采购 或预约加工，大大可以缩短电梯的加工周期。在整机生 产、原材料采购过程中，生产部、采购部、技术部与研 发部能根据以往相似产品技术数据及时交换信息。使发 现的问题得以尽早解决，实现并行工程”1 。 3 开展全面质量管理。该企业采用生产部早会、 车间宣誓会、抽查评比等形式让质量第一的意识深入员 工心里。采用成组技术让企业技术与生产部门的员工通 过相似性原理确定产品及其零部件的设计，加工，装配 等的检验手段和检验规律，确保检验手段和检验规律的 科学化。 4 推行准时化生产该公司产品绝大多数按合同标 准化生产，少数按市场技术特殊性或客户提供要求安排 生产。根据合同交付时间，安排技术处理、原料采购、 零部件加工、装箱运输等都按倒推的时间表进行，自成 组技术应用后，电梯轿厢、导轨、钢丝绳、曳引机等部 件的准备时间更精准，生产交货更及时。 图1C S T 电梯制造公司基于成组技术的精益生产流程图 3 ．2 人工智能 A I 由于电梯制造企业的信息化制造方面没有形成统一的 应用标准，不同类型企业管理模式在信息化制造应用方面 都存在一定差异化．特别是C A X 在不同企业制造领域应用 上都取得了相应的成功案例；同时一部分企业己将基于知 识的G 垣和P D M 系统进行了应用；少数企业将P D M 与E R P 系统进行有效集成后，应用到综合管理层面隅】。电梯设计 是一项集机械与电气、控制一体化的复杂工程，研发人 员在产品研发中存在很多基于算法、知识和规则的确定 广；i．．，．．●．．●；i．．● 万方数据 性和非确定性问题。要求人工智能来解决研发人员在开 发产品中遇到的技术瓶颈，利用好人工智能在运算速度 快、精准率高等性能，并逐步采用C A X A 、3 D M A X 、U G 等三维设计软件实现人工设计智能化。 以自动扶梯为研究对象，如在C S T 电梯制造公司企 业生产的自动扶梯支架优化设计中，采用N XN a s t r a n 、 M S CN a s t r a n 、A b a q u s 、A n s y s 、H y p e r w o r k s 计算软 件，以欧盟E N1 9 9 3 ．1 ．3 2 0 0 6 钢结构设计基础、国家 G B 5 0 0 1 7 ．2 0 1 7 钢结构设计规范及G B1 6 8 9 9 ．2 0 11 自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范等标 准为依据进行技术分析研究，如图2 所示。 L 图2C S T 电梯制造公司自动扶梯梁架强度校核信息化应用 研究发现自动扶梯作为公共场所升降设备必须要 有精确的各种最大负荷或空载承压计算，如果只是采用 理论校核、样梯试验等方法来做技术上的可靠性验证处 理，无疑加大不确定性，无法管控安时完成制造交货期 限。因此信息化技术的应用在大型公共型自动扶梯设计 制造过程中起到了非常重要的技术研究支撑。 3 ．3 并行工程 C E 在生产过程中采用并行工程时，早期传统的产品 研发中，综合设计考虑产品生命周期的问题不易发现， 而被发现的问题往往在产品零件加工、现场安装及维保 服务时才会暴露，并根据以上问题对产品设计图纸，制 造流程工艺、现场安装维修服务标准等重要环节进行结 合补充完善。利用工业物联网技术与大数据信息并行作 业，确保生产周期交货准确率如图3 所示。同时又在制 造过程早期时出现的问题得到充分处理，确保了产品在 技术研发、制造管控、过程品保，避免了今后可能出现 大量返工的现象。 a C S T 电梯制造公司传统设计过程 b C S T 电梯制造公司并行设计过程 图3C S T 电梯制造公司并行设计过程管理图 电梯是一个机械与电控技术高度密集集成的行业， 是属于高端装备产品之一。而电梯产品开发其本身也是 一项复杂的工程。它的技术设计流程包括思路、设计、 实验诊断、样梯试验、工装设计及部件生产等工作内 容。只有把各个环节有机的统一协调好，复杂而浩大的 电梯技术开发工程就不存在费时费力。近年来的房地产 业快速发展，带动了民族品牌电梯厂家的崛起，电梯的 生产周期、产品质量、交货准时在市场竞争中显得尤为 重要。大多民族品牌电梯企业由于在产品技术开发方面 第4 2 卷第5 期2 0 2 0 - 0 5 1 1 4 9 1 万方数据 舍不得相应的资金，直接造成的后果就是一味的仿制别 家企业，出现投放市场的新产品缺少在技术前期开发过 程中的实践试验验证，跟国外电梯企业的产品相比还存 在相当大的差距。特别是在产品开发的奖金投入，还是 在组织技术创新体系建设等诸多创新环节上。在电梯技 术研发中做到缩短产品研发时间、提高产品质量、控制 产品成本已是摆在中国电梯产业面前的必修课。 从电梯的技术角度来讲，我们可以分成6 个阶段， 即可行性认证阶段、研发进展阶段、部件应用论证阶 段、样梯试制阶段、小批型式试验阶段、整机验收阶 段。并行工程在电梯企业中的实施，就应该在产品开发 的这六个阶段运用一】。 电梯产品自生产前就要根据客户提出的要求，从 制造完成到检验合格出厂中抽取一定比例数量的产品， 通过实验检测来评价其产品质量特性是否符合技术、国 家法律法规、客户标准等要求；对抽查中发现质量存在 缺陷的产品进行就地隔离标识，对涉及品质问题的管理 部门应立即拿出改善措施，对己经投入市场的产品还应 通知用户提出反馈使用信息或合理化建议，并及时到现 场进行改进措施，保障电梯的安全可靠运行，让客户满 意。另外，由于电梯在我国属于特种设备行业，又供公 共场所使用，为此，电梯制造企业还必须对电梯进行多 次的安全可靠性型式试验。 3 ．4 快速成型技术 R P M 快速成型技术与传统制造方法不同，快速成型技 术是基于离散与堆积而成的思想，可采用多种不同类型 技术方法使用实现。其中S L A 立体平版印刷技术以光敏 树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截面 信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域 的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄 层，并叠加成形，尺寸精度高”0 1 ，使产品核心部件研发 制造试制周期缩短到几天、几小时，提高了新产品研发 周期。 例如在C S T 电梯制造公司曳引机设计过程中，针对 电梯曳引机金属外壳组装密度，减轻因曳引外壳与支架 在运行过程中引起的多向耦合振动冲击现象，充分建立 电梯曳引机的立体三维实体模型和有限元模态，分析电 梯曳引机与导轮振动约束关系。根据两者几何相容性与 作用力平衡条件，给出求解实现电梯曳引机的减振设计 图4 ，为多角边形体的动态设计及优化提供了参考。如 图4 所示。 3 ．5 敏捷制造 A M 敏捷制造 A M 是企业朝现代化制造发展而应运 [ 1 5 0 ]第4 2 卷第5 期2 0 2 0 0 5 a 电梯曳引机结构模型 一 ～ 图4C S T 电梯公司曳引机特征技术设计模态分析 计算机网络和信息集成为智能化系统，将公司的员工、 协同制造配套厂家、代理商、分公司共同搭建成一个全 新的生产经营模式。以相互合作的原则，组成面向任务 的虚拟公司，进行快速和最佳生产雎】。 4 结语 本文对成组技术、敏捷制造、人工智能等智能技 术在电梯制造中应用进行简要介绍，并详细展开描述了 先进制造技术对电梯制造过程中的自动扶梯支架优化设 【下转第1 5 6 页】 万方数据 通E R P 和P L M ，往下贯通生产设备，实现生产过程中各 要素的集成管理。引入遗传算法后，A P S 的功能价值获 得了质的提升，能够有效解决离散制造业定制化高端装 备企业的多项目并行生产计划和作业排程的难题。 6 结语 通过对定制化高端地下装备企业生产计划排程的理 解和分析，找到其关键生产瓶颈工序，对大型数控机床 的作业计划排程引入偏移量总和概念，实现对作业计划 排程结果的有效评价。利用零件加工顺序和落地镗设备 组成遗传算法的染色体，采用O B X 选择算子、交换算 子的变异算子和轮盘赌的选择算子，实现对落地镗零件 加工的遗传算法设计与进化建模。经过实际演算，引入 遗传算法的A P s 能够快速得到计划排程结果，提高计算 频率和排程精度，结果可直接应用指导生产，减少计划 调度员的人为调整，满足客户交期的前提下提高资源利 用率。同时通过M E S 和S C A D A 的集成，将设备状况、 生产订单的执行状况等信息及时反馈至A P S ，提升高级 排程系统的精细化颗粒度。随着人工智能和大数据的发 展，越来越多的智能算法会被集成到传统的信息系统 中，实现数字化到智能化的决策升级。 参考文献 【1 】雷德明．吴智铭．多目标模糊作业车间调度问题研究【J 】．计算机 集成制造系统，2 0 0 6 ，1 2 2 1 7 4 1 7 9 ． 【2 】] E O NG ，L E E PHR ，S H I MJY ．Av e h i c l er o u t i n gp r o b l e ms o l v e d b yu s i n gh y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h m [ J ] ．C o m p u t e r sa n dI n d u s t r i a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，5 3 4 6 8 0 ．6 9 2 ， 【3 】B h a w a r k a rNB ，J a d h a oCM ．M u l t i o b j e c t i v eA d v a n c e d P l a n n i n gA n dS c h e d u l i n gU s i n gI t e r a t i v eG e n e t i cA l g o r i t h m [ C ] ． I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nC o m p u t i n gC o m m u n i c a t i o nC o n t r o l a n dA u t o m a t i o nI E E E ，2 0 1 7 1 - 6 ． 【4 】M a r c o s i r i sAO ，R i c h a r dA ．A d v a n c e dP l a n n i n gA n d S c h e d u l i n gS y s t e m sB a s e dO nT i m eW i n d o w sA n dC o n s t r a i n t P r o g r a m m i n g [ J ] ．I F A CP r o c e e d i n g s ，2 0 1 3 ，4 6 7 1 9 2 1 9 7 ． 【5 】尹新．禁忌搜索与提前，拖期调度算法的研究【D 】．沈阳东北大学 信息科学与工程学院，1 9 9 6 ． 【6 】吴永明，张晗，徐艳霞，赵旭东．基于G A - I P S O 算法的柔性生 产线高级计划排程方法研究【J 】．组合机床与自动化加工技 术，2 0 1 9 ， 4 1 0 1 3 ，1 9 ． 【7 】宁维巍，仲华惟，闰光荣，等．两种不同生产管理模式下n A P S 应 用研究[ J 】．组合机床与自动化加工技术，2 0 0 9 ， 4 1 0 4 ．1 0 8 ． 【8 】恽庞杰，张东民。褚忠，等．J I T 模式下的蚁群算法在模具加工排程 中的应用【J 】．中国科技论文，2 0 1 7 ， 2 2 ． 【9 】徐锋．多阶段复杂M E S 系统排产算法与应用研究[ D I ．上海交通 大学，2 0 1 4 ． [ 1 0 】W A N GC ，L 1 UC ，Z H A N GZH ，e ta 1 ．M i n i m i z i n gt h et o t a lc o m p l e t i o nt i m ef o rp a r a l l e lm a c h i n es c h e d u l i n gw i t hj o bs p f i t f i n ga n d l e a r n i n g [ J ] ．C o m p u t e r sa n dI n d u s t r i a lE n g i n e e r i n g ，2 0 1 6 ，9 7 C 1 7 0 1 8 2 ． 【11 ] A N GW - L ，W A N GH Y ，Z H A OY - W ，e ta 1 ．P a r a l l e lm a c h i n e s c h e d u l i n gw i t hs p l i t t i n gj o b sb ya h y b r i dd i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h m [ J ] ．C o m p u t e r sa n dO p e r a t i o n sR e s e a r c h ，2 0 1 3 ，4 0 5 11 9 6 - 1 2 0 6 ． [ 1 2 】陈伟兴，李少波，黄海松．离散型制造物联过程数据主动感知及 管理模型【J 】．计算机集成制造系统，2 0 1 6 1 1 6 6 ．1 7 6 ． 【1 3 】张芬，杜朋，杨亚菲．离散制造企业M E S q b 的生产数据采集实践 【J 】．机械设计与制造，2 0 11 3 2 4 5 2 4 7 ． { 重‘j 蠢‘妇{ 童‘{ 童‘出j 囊‘j 岛●出．{ 出‘{ ＆‘妇{ 岛●血．{ 矗‘{ 重‘{ 矗‘{ ＆●{ 矗‘{ 毒‘．妇．{ 矗‘j 岛●| 盘‘ 【上接第1 5 0 页】 计、电梯曳引机制造设计技术的作用，提高了电梯制造 和技术开发设计水平的具体应用，经过实现验证，先进 制造技术对促进中国电梯制造产业基地转向电梯制造创 新产业基地发展，推动全球电梯产业可持续发展具有重 要的意义。 参考文献 【1 】周俊．茅健．先进制造技术。 [ 2 】张朝刚．快速成型技术的现状及发展趋势[ J 】．硅谷，2 0 1 3 ，6 1 6 1 5 9 ，1 2 8 ． [ 3 】胡燕海，叶飞帆．基于成组技术的精益生产方式及实例【J 】宁波 大学学报 理工版 ，2 0 0 2 0 4 5 9 。6 1 ． 【4 】刘静，沈晓红．先进制造技术在计算机辅助夹具设计中的应用 [ 1 5 6 1第4 2 卷第5 期2 0 2 0 - 0 5 【J ] ．北京工商大学学报 自然科学版 ，2 0 0 4 0 2 3 8 4 1 ． 【5 】张磊．先进制造技术的发展【J 】．2 0 0 9 ． 【6 】陈君．先进制造技术在空调行业中的应用【J 】．黄石理工学院学 报。2 0 0 5 0 3 6 1 6 3 ． 【7 】胡海燕．基于成组技术的精益生产方式及实例【J 】．2 0 0 2 ． [ 8 】S a b e r iS ；Y u s u f fRM ，Z u l k i f l iN ，e ta 1 ．E f f e c t i v ef a c t o r so n a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi m p l e m e n t a t i o np e r f o r m a n c e a r e v i e w [ J ] ．J o u r n a lo fA p p l i e dS c i e n c e s ，2 0 1 0 ，1 0 1 3 ，2 9 0 4 2 ． [ 9 】9王琪冰，李东流，朱利强，牛有权，陈振斌，荆华俊．船用电梯在船舶 工程中的应用研究【J ] ．船舶工程，2 0 1 2 ，3 4 s 2 1 4 5 1 4 7 ． 【1 0 ] 樊融融狲磊，郑华伟，邱华盛．第四次工业革命及其孕育的制造 新技术群对电子制造后端工序智能化的引领[ A ] ．第十一届中国 高端S M T 学术会议论文集【c 】．2 0 1 7 1 7 ．4 9 ． 万方数据