一、企业简介

    山河智能装备集团创始于1999年，以上市公司山河智能装备股份有限公司（证券简称：山河智能；证券代码：002097）为核心企业，以长沙为总部，逐步形成了一个以工程机械为核心、拥有自主知识产权、在国内外具有一定影响力的企业集团，跻身于全球工程机械企业50强、世界挖掘机企业20强、世界支线飞机租赁前3强。

    在集团创始人何清华教授的带领下，以产学研一体化为典型特色，依靠“先导式创新”模式，以差异化竞争实现跨越式发展。集团总资产超140亿元，2018年营收超55亿元，员工4300余人，已在地下工程装备、全系列挖掘机、现代凿岩设备、矿业装备、起重机械、液压元器件、军用工程机械和通用航空设备等十多个领域，成功研发出两百多个规格型号，具有自主知识产权和核心竞争力的高品质、高性能工程装备产品。公司立足自主创新，每年研发投入达到总销售收入的百分之四以上，获得专利技术800余项，承担国家级项目10余项，其中“863”高科技计划项目9项，获得国家科技进步二等奖、国家发明奖等各种奖励数十项。

    职业化的营销服务团队、遍布国内外强大的营销网络、服务中心使集团产品畅销全国，批量出口全球100多个国家和地区。“SUNWARD”商标已在全球数十个国家注册。

图1：山河智能装备股份有限公司

    二、企业在智能制造方面的现状

    1、数字化设计

    山河智能研发信息系统突破了设计的局限，以三维模型和PLM全生命周期为基础，将企业产品模块化、系列化、标准化，建立最优的设计流程，形成智能的知识设计系统，为企业提供面向工业4.0柔性化的产品设计过程，让设计走入智能化时代。

    山河智能研发信息系统由三部分组成：

    1.1 基于MBD的三维CAD平台

    研发设计：以Autodesk产品为基础，实现了概念设计、结构设计、优化分析、虚拟装配及出版物制作的整个设计过程在统一研发工具平台下进行。借助先进的计算机辅助设计平台，山河智能的研发效率大大提升；通过改进绘制方法和变型方法，减少了设计时间、提高了模型质量；模块化设计系统将产品系列化模块化，形成结构和配置，融入计算、分析及优化，并将企业产品领域数据或专家的产品知识及经验集中的管理在系统中。设计人员可利用专家的知识进行设计，让每个设计人员具备专家的知识水平，设计的产品具备专家级的水平，从而提高设计质量。基于知识工程的模块化设计系统可以帮助我们企业实现：更快的响应；更准确的成本估计与合理报价；更快速的设计和制造；更短的交货周期；更合适的成本；更高质量和稳定性。

    高端工程装备所有零件均已建成三维模型，部分关键零件（行走架、动臂、斗杆、铲斗）示意图如下。

 
              
图2： 上，行走架；左一，动臂；右一，斗杆

图3：铲斗

    工艺设计：以Autodesk产品为基础自动承接设计来源，构建了设计工艺一体化平台，实现全三维、结构化、可视化的工艺设计模式。通过PLM系统建立工艺设计及管理环境，构建以工艺BOM结构为核心的管理模式，每个零部件会对应一个总工艺节点，在总工艺下建立零件所需要的工艺对象，比如装配工艺、毛坯工艺、机加工艺、数控工艺等，在工艺中建立工序，在工序下添加设备、工装、辅料等物料对象。工艺与工厂结构中的车间关联，工序与车间的工作中心或工位关联。

    1.2 PLM产品全生命周期管理系统

    PLM产品全生命周期管理系统实现了产品从创建到使用，到最终报废等全生命周期的产品数据信息的管理。通过PLM系统集中统一管理产品数据，整个产品研发团队安全有效地共享产品信息和协同设计；构建了单一数据源，提高重用，集团采购，减少库存；建设了标准件库、通用件库和知识库管理，构建了集团子公司产品数据的模块化，系列化和组合化管理，提高了设计质量和效率。

图4： PLM产品全生命周期管理系统

    PLM是产品数据管理系统，是CAD、CAPP、CAM集成平台；利用PLM数据平台将设计、工艺、变更信息传递进ERP系统，ERP系统充分共享这些基础数据，实现了企业数据流的闭环管理与企业范围内的信息集成要求。

    2、智能装备、工艺及关键智能技术应用

    2.1 车间模型建立及智能生产线规划

    为了科学地解决评估制造系统的合理性，2016年山河智能引进数字化工厂理念，通过虚拟现实和建模仿真手段，对生产线工艺布局、物流方案、生产计划等进行仿真验证，形成“先工艺仿真后厂房投建”、“同步规划车间信息化”两大指导原则。

    根据高端工程装备生产线要生产的产品族、产能和生产节拍，山河智能采用价值流图等方法来合理规划智能生产线。智能生产线实现了在生产和装配的过程中，能够通过传感器、数控系统自动进行生产、质量、能耗、设备绩效等数据采集，并通过电子看板显示实时的生产状态，能够防呆防错；通过安灯系统实现工序之间的协作；生产线能够实现快速换模，实现柔性自动化；能够支持多种相似产品的混线生产和装配，灵活调整工艺，适应小批量、多品种的生产模式；如果生产线上有设备出现故障，能够调整到其他设备生产；针对人工操作的工位，能够给予智能的提示，并充分利用人机协作。

    在后续的几年，所有新建厂房都应用了数字化工厂预验证和智能产线规划。

    2.2 工艺流程及布局

    在新工厂建设时，山河智能根据企业在产业链的定位，拟生产的主要产品、生产类型（单件、小批量多品种、大批量少品种等）、生产模式、核心工艺（例如焊接、机加工、装配等），结合生产纲领，对加工、装配、调试、检测等工艺进行了分析与优化。充分考虑智能装备、智能产线、新材料和新工艺的应用对制造工艺带来的优化。同时，基于绿色制造和循环经济的理念，通过工艺改进节能降耗、减少污染排放；还应用了工艺仿真软件，来对制造工艺进行分析与优化。

    高端工程装备中的关键件流程复杂，主要涉及到下料、成型、焊接、机加、表面处理、涂装、装配、调试等工艺，所有零件都建立了稳定的工艺流程，并根据工艺流程编制了价值流程图，部分关键件下料、成型后的工序价值流程图如下图:

    2.3 设备联网及数据采集

    山河智能积极推进工业互联网建设，实现MES应用，实现了设备与设备之间的互联，建立了工厂网络。充分考虑了设备与设备之间互联方式和通信方式、通信协议和接口方式以及数据处理方式。在此基础上，实现了对设备的远程监控，实现DNC（分布式数控）应用。

    生产过程中实现了及时对产量、质量、能耗、加工精度和设备状态等数据进行采集，并与订单、工序、人员进行关联，实现了生产过程的全程追溯。出现问题可以及时报警，并追溯到生产的批次、零部件和原材料的供应商。

    设备联网和数据采集的实现，促进了山河智能建设工业互联网的进程。

    2.4 原材料 (板材)入库与出库智能管理

    ①原材料入库卸车配置80t龙门行车，行车带计量器和库位跟踪器、电子吸盘，每个库位链接MES扫描与ERP，以免原材料混存并保证材料库存量可控。

    ②钢材管理采用色标，不同颜色对应不同材质，做到材质可视化管理。设置钢板预留位置，实现先进先出功能，避免钢材大量锈蚀。

    ③原材料出库由计划下达仓库和生产，通过MES系统向库房下达指令，通过无线网络向龙门行车下达需求指令，龙门行车将自动寻库抓取材料，同时转序小车向龙门行车发出信号，报告自己停靠位置，龙门行车根据指令将原材料送到转序小车上，转序小车显示下料区所需工位，直接送到所需工位。

    2.5 下料工艺智能化

    ①下料设备配置激光切割机、精细等离子坡口切割一体机、坡口机器人，提升了产品切割效率及切割质量，通过全面取消人工坡口等落后工艺，减少了搬运距离，实现了少人化。

    ②自动上料、自动清渣切割台逐步使用，火焰切割自动喷水装置应用。异型切板件检查均使用模板、原材料色标应用和管理得到实施。

    ③切割下料工艺利用软件功能建立零件库，将每个零件的参数进行了保存；产品设计更改时，及时更新零件库。

    ④共边切割、共孔切割技术得到推广应用。

    ⑤下料区所有下料设备DNC集成管理，按板材厚度排序设备。下料编程用FASTCAM软件排版，切割程序通过网络直传到设备，根据生产指令提取程序开始下料作业。

    ⑥对易损件进行有效管理，待切割设备易损件作业一段时间后，当不能达到作业要求，系统会自动报警，提醒员工更换易损件。

    ⑦下料完成后，清料到物流小车，进行扫描(MES)，配送到每个制作工位。

    2.6 成型工艺智能化

    ①大型的高强钢中厚板关键部件成型工艺好，在行业内领先，模压工艺普遍，减少了多刀折弯情况，提升了效率，保证了成型质量；局部应用了辊压、冷挤压等先进工艺，产品成型质量好。

    ②板件经过校平，校平设备根据工单扫描，自动调整校平参数，同时进行激光检测平整度检测，达到要求后，物流小车转序卷板、折弯区或油压区。

    ③折弯前对工件进行成型扫描与工艺BOM连接，自动夹取成型，设备对成型结果在线监测，达到工艺要求后停止折弯，实现全闭环作业。

    ④油压前，扫描工单与模具二维码，两者匹配方可进行油压，系统可对模具使用周期进行评估，提醒员工对模具进行维护，模具基本配置了专用模具。

    ⑤设计人员可通过系统对现场模具信息调取，设计人员从源头设计符合客户要求同时兼具符合工艺性要求的产品，降低产品制造成本，缩短制造周期。

    2.7 焊接工艺智能化

    ①焊接机器人的大幅使用提升了焊接自动化率，少量机器人难以焊接的部位采用人工补焊，人工补焊工位全面配置变位机，实现焊接水平化（船型焊），极大提升了焊接质量；

    ②液压自动铆焊工装逐步投入使用，工装自动化率进一步得到提升，高端工程装备产品的工装全面覆盖，特种数字化焊机也得到引进，同时配置了许多先进的焊缝性能检测设备与仪器。

    ③铆焊作业标准化覆盖率100%，工艺评定完善，各项作业有据可依。铆接工装覆盖率100%，铆接工位配备液压工艺装备，定位精准，装卸夹紧快速完成。所有吊装设备kbk全覆盖，工序之间转序采用自动滚动线或智能小车输送到指定的下道工序。

    ④铆焊产品按工件类别划分区域（如：挖掘机结构件按底架、平台、动臂、斗杆四大件规划），即基于工艺共性的柔性化生产模式，铆焊作业的来料通过系统指令，智能小车齐套输送到工位，通过扫码识别工单信息，各工位根据作业指令，在现场可查阅对应作业指导书等相关的工艺文件。

    ⑤每道工序完工后，通过AGV小车输送到下道工序位置后，机器人通过扫描工件工单信息，自动启用相应焊接程序进行焊接作业。

    2.8 机械加工数控化及DNC管理

    ①机加工艺装备升级见成效，引进了多条柔性生产线、专业机加设备；设备数控化率达到70%，且所有设备数控设备DNC集成管理，程序在生效前均经过虚拟加工验证，加工时在服务器端一览所有加工动态，设备运行动态（可视化）、加工工件，运行程序号，加工时间，完工时间等等。

    ②专业工装夹具和先进刀具的逐步使用，设备效率大幅度提升。先进的机加工艺得到试点并取得良好效益。

    ③智能刀具管理，促使工艺逐步优化，制造成本降低。

    ④加工时，工件由AGV小车输送到机加区位置进行工件扫描，相应机加设备将自动启用相应机加程序进行加工。机械加工配置了在线检测手段，自动对刀仪，刀具破损检测装置，可有效的提升机械加工的效率和质量。

    ⑤针对结构件配置了专业机加工装，通过工装实现自动找正，节约对刀时间，缩短加工周期。机加工刀具全面采用涂层机加刀片，且配置了刀具管理子系统，可实时监测刀具消耗用量，评估刀具合理性，提升刀具利用水平。

    ⑥自动上料系统、自动进料系统、机械手等配置，提升了上下料效率、智能化及安全性。