智能化工廠是近年來各制造行業所追求和實踐的目標，也是中國制造邁向工業4.0和向高端產業轉型的共同特征。熱處理是機械制造的基礎工藝之一，早期因作業條件惡劣和設備技術發展限制等因素，長期處于勞動強度大、自動化程度低的發展狀態。近年隨著裝備技術的發展，熱處理裝備自動化有了質的飛躍，熱處理智能化工廠的實現具備產業基礎。熱處理智能化工廠的構建也得到了工信部等行政管理部門的支持。從單臺裝備自動化走向生產線自動化，再到無人車間、數字化車間是熱處理技術發展的必由之路。五菱工業齒輪熱處理車間自建廠之初就秉持行業高質量發展的標準，堅持熱處理自動化和信息化的發展方向，不斷提升車間自動化信息化水平，以打造行業優秀智能化工廠。
一、熱處理自動化
熱處理滲碳爐自動化生產線
公司齒輪熱處理采用推盤式滲碳生產線，主要集成了熱處理滲碳淬火及相關工藝：前清洗、預氧化、滲碳淬火、后清洗和回火。這條線出廠已實現各工序設備間的自動化集成，人工操作部分主要是人工裝卸料和推盤上下線。行業內部分廠家為了實現自動化上下料，在推盤爐上下料區域集成機器人實現自動裝卸料，但該方式存在工裝變化大、換型困難、機器人調試程序復雜、節拍緊張等問題，應用推廣受限。公司通過改造升級裝載器具和物流車，實現熱處理爐上下料的“自動化”，其實現方式如下：將滲碳工裝通過裝載物流車轉運至前、后工序，并前、后置熱處理裝卸料工序;將原集中操作的熱處理裝卸料崗位的工作，分散到前、后工序的多個崗位進行，熱處理區域只需將裝載零件的料盤工裝推盤上、下線，大大提升了車間的綜合效率，并減少了熱處理崗位的人員需求。崗位員工的主要操作也由裝卸料轉變為推盤上下線、工藝巡查及質量檢測等工作。
熱處理后工序自動化集成
齒輪熱處理后工序主要有噴丸處理、被齒端面拋光、主齒研中心孔、校直、螺紋退火等，這些工序有設備多、人員密集、操作強度高、作業環境惡劣等特點。自動化集成可有效提升勞動效率，降低勞動強度，解決噪音、粉塵及高溫燙傷等健康危害問題。齒輪熱處理后工序自動化生產線通過機器人集成實現了主、被動傘齒輪噴丸自動上下料以及被齒端面拋光，主齒噴丸、研孔、校直、退火自動上下料，將原本單一設備獨立作業的工作模式，轉變成多臺設備整線集成聯線作業的工作島模式(見圖1)。工作島具備維護便利、布局便利、效率高等特點，現熱處理車間完成2組自動線的集成，每組自動線僅需1人即可維持生產線的自動運行。同時自動線實現了關鍵質量100%在線質量監測功能，如噴丸壓力實時流量監控、主齒校直跳動在線檢測、校直裂紋探測，螺紋退火能量監控功能，以保障自動線的質量監控。工作島模式在熱處理的應用，真正實現熱處理各工序操作“解放雙手”，操作人員主要工作重心轉移到輔助上下料、生產線自動運行的維持、產品車型切換、工藝參數巡檢和質量檢查等工作上。整線改造減少了人工9人，大幅提高了生產效率和降低人工成本。
AGV物流系統
熱處理因工藝的特殊性及產線占地面積大，通常會布置在單獨的車間內，操作崗位與機加工區域有較大的物流距離，AGV物流系統是解決物料拉運距離遠問題的較高效的運行方式。齒輪工廠的AGV物流系統主要包含AGV物流車及控制系統、運行軌道及物流路線、物料裝運器具及其存放區、充電站及各區停靠站點等。因熱處理區域有半成品、成品緩沖存放區、工裝料具存放區，并形成一對多的信息處理站，故AGV物流系統的信息識別及處理區放在熱處理區域。AGV小車上的顯示屏在熱處理區域站點可自動顯示需求的物料和路線方向，以便操作人員對不同的需求信息做出判斷和處理。其他站點則只提供召喚需求以及換料操作即可。AGV的物流路線形成了閉環系統，不僅是加工零件運轉路線的閉環，還包括運載裝具和料框的循環流轉及閉環管理，以減少裝運器具在某個區域的堆集和人員對系統的干預。另外，系統可自動監控小車的運行軌跡，記錄各停靠點的停靠及發出時間，便于故障原因分析和后續路線優化等。
優化的生產加工過程
熱處理工序、工藝流程的優化可以使熱處理自動化的實現更簡易，運行更高效平穩。
高效的備料方式：生產線自動化實現后，仍然需要人工輔助參與自動線的上下料，而集中高效的備料方式能減少人工對生產線的干涉，降低人工的勞動強度。如工作島生產線，每個上、下料區采用翻轉臺的備料方式，員工可1 次裝載約 100 件零件，備料后可 1 小時不在備料區操作;推盤爐的上線備料區可一次上線5盤物料，備料后可2小時不在備料區操作。
適應自動化的工裝夾具和換型方式：現代汽車齒輪產品趨向多品種、小批量等特點，適應自動化的簡易換型工裝是影響自動線運行率和生產效率的重要因素。熱處理后工序自動化上下料生產線在策劃階段便考慮了多品種產品的柔性生產，采用適應自動化的簡易工裝夾具，實現了高效的換型，并預留一定的其他產品類型的空間，加之自動加工程序的柔性選擇，大大延長了自動化生產線的生命周期。
自動化應用小結
本文所述的自動化改造主要實現產品加工過程幾個工序的自動化，距離全自動化車間還有一定的距離。(1)連續爐設備的裝卸料自動化，因工裝夾具變形及誤差問題，需設計便于自動化實現的專用熱處理工裝，同時借助視覺拍照搬運系統實現自動化裝卸料，可降低因熱處理工裝變形造成的定位基準偏移問題及不同產品定位不一致問題帶來的影響。(2)自動化單元的銜接，需要充分從物流、裝具轉換等方面考慮，以進一步提升工廠自動化水平，這涉及與熱處理前、后工序及機加工區域的料具統一，需要從工廠層級考慮自動化匹配。
二、熱處理信息化
產品信息化
現階段行業內齒輪產品熱處理主要采用批次信息作為齒輪的質量追溯信息，齒輪屬于汽車關鍵零部件，批次管理存在過程管理困難，追溯信息有限，無法做到全工序追溯，尤其是精確到件的追溯，存在追溯難度大、追溯批量大、成本高等問題，越來越難以適應信息化發展的需求。齒輪車間經過試驗，實現點陣二維碼在主被動傘齒輪上的刻錄和識別，并能保證熱處理及噴丸后仍有較高的識別率，基于此，構建了齒輪的二維碼精確追溯系統。該系統從齒輪毛坯上線即打標生成二維碼，一碼一零件，同時關聯了原材料毛坯批次號、機加工生產線或機組號、生產日期、生產班組等信息，熱處理前，每個零件掃碼集合裝爐時則關聯生成熱處理批次爐號信息，后工序則是每個掃碼點關聯對應的加工信息，并在成品入庫時集成關聯生成成品批次號，從而實現齒輪全工序的信息關聯。通過二維碼掃碼和系統查詢，既可往前追溯所關聯各工序的加工信息，又可向后精確追尋定位零件所在的物料批次和裝車信息，大大提升了追溯效率和降低追溯管理成本。同時，二維碼追溯系統與生產MES系統關聯，關聯生產排產計劃，可系統監控各產品的生產進度信息，也可用于可疑物料的攔截遏制。
熱處理生產線信息化
熱處理推盤爐生產線信息化主要將生產信息、工藝程序、工藝參數和曲線等過程控制數據通過統計化、圖形化整理出來，匯總形成生產數據庫、工藝程序庫和工藝曲線庫等子系統，并通過二維碼追溯系統嵌入關聯，實現與前工序物料信息的交互和無紙化傳輸，最終完成零件信息、推盤爐設備加工信息和生產信息三者信息關聯。生產數據庫包含生產產品的加工信息，如生產日期、上線時間、零件名稱、車型、批次號、數量等，設備系統軟件具備自動統計每個加 工爐次生產信息的功能，并形成列表，便于儲存及后續的追溯。這些信息的傳輸交互只需掃描其中一個零件的二維碼，即可從追溯系統獲取。工藝程序庫主要用于設置不同的工藝程序，可根據不同的產品、材料、毛坯批次等，設置不一樣的熱處理程序，便于工藝管理。工藝曲線庫可實時收集顯示設備的滲碳溫度、滲碳碳勢、滲碳時間、淬火溫度、淬火油溫等工藝參數，根據需求，每個爐號均可形成對應的一個工藝曲線。工藝曲線庫的形成，不僅方便當前工藝數據的實時監控，還可方便未來質量問題的工藝追溯，便于開展工藝分析。
熱處理后工序設備信息化
齒輪熱處理后工序信息化主要圍繞噴丸、校直、退火等工序做設備信息化改造，各設備均可實現本設備的加工信息收集和記錄，如噴丸機的噴丸壓力、鋼丸流量和加工時間;校直機的校直前、后跳動，校直次數，是否有裂紋;退火機的退火電流電壓、工藝時間、加工能耗。設備信息化下一步的改進計劃是零件與設備加工信息的關聯，這涉及設備PLC程序的修改及系統軟件的設計優化，需要設備廠家進行系統聯調。
信息化應用小結
產品二維碼的應用是信息化的關鍵，二維碼追溯系統為熱處理的生產管理和質量追溯提供了便利。目前齒輪車間熱處理信息化更多的是應用在零件的質量追溯以及報表輸出上，未能關聯生產及設備管理系統，這部分與生產更緊密結合的項目如訂單管理、生產管理、庫房管理關聯，需要結合生產需求做進一步的開發。生產信息系統和質量信息管理系統都是企業信息化系統的部分，如何統一結合分層級地實施信息化，是企業未來信息化改進需考慮的重點。
三、結論
自動化和信息化工廠的實現是一個持續升級改造的過程，需要舊產線和設備的不斷改造升級，也需要新投資項目的前瞻性規劃。自動化和信息化是構建智能化生產的基礎，未來在互聯網+、大數據和人工智能的支持下，熱處理這一基礎工藝將最終實現智能化生產。
參考文獻略.