企业简介
三一集团有限公司始创于1989年。自成立以来，三一集团秉持“创建一流企业，造就一流人才，做出一流贡献”的企业愿景，打造了业内知名的“三一”品牌。目前，三一已发展成为中国最大、全球第五的工程机械制造商。作为全球装备制造业的领先企业，三一集团主业是以“工程机械”为主体的装备制造业，主导产品为混凝土机械、筑路机械、挖掘机械、桩工机械、起重机械、风电设备、港口机械、石油装备、精密机床等全系列产品，其中混凝土机械、挖掘机械、桩工机械、履带起重机械、移动港口机械、路面机械为中国第一品牌，混凝土泵车全面取代进口，且连续多年产销量居全球第一；挖掘机械一举打破外资品牌长期垄断的格局，连续多年实现中国市场占有率第一位。截止2016年年末，主营业务收入637亿，公司员工数达到29000名。
图1 三一集团有限公司
两化融合暨智能制造应用总体现状
三一集团近年来在智能制造及流程信息化提升等方面进行了积极探索，相继获得了首批国家智能制造试点示范企业和两化融合贯标示范企业等国家级荣誉称号。三一精心打造的数字化车间“18号厂房”已经成为三一推广智能制造的一张名片，“18号厂房”在物流运输、机械加工、车间监控、生产控制等场景进行了智能化模式的探索应用。在物流运输方面，大量采用电动叉车、AGV配送小车、立体仓库等硬件设备，同时应用物流仿真软件对整个车间物流仓储状态进行管控，形成了一套智能化的车间物流仓储系统；在机械加工方面，通过使用各类先进的加工中心、自动上下料机械手、机器人实现自动化柔性化生产；在智能网络监控方面，通过联合研发DNC智能监控网络系统，实现强大的机床工况数据采集与分析功能，能够动态获取机床利用率，统计机床的加工、待机、关机等时间，对现场管控方式进行针对性的改善，有效利用机台，提升稼动率。
三一集团于2013启动流程信息化变革，对公司的业务流程进行优化和创新、核心能力和组织运营效率进行提升。经过数十年的信息化发展，三一在信息化建设方面取得了长足的进步，信息化已经深入了三一日常经营和管理的每一个角落，每一个环节。从研发、采购、生产、质量、交付到企业经营管理，实现了全面信息化，我们已经有PDM、CRM、ERP、MES、WMS、TMS等信息化系统，同时也在对SCM系统进行应用和推广；而且日常经营管理的信息化从PC端移到PAD和收集终端，实现了日常经营管理的移动化。此外，三一还构建了BW/BI智能报表系统，对三一重工和三一集团的各项业务数据和指标进行汇总分析，为公司决策层提供决策基础信息。
通过在数字化、信息化方面的长期投入和持续进步，三一集团目前已走向智能化的发展道路，在未来，三一将继续以“品质改变世界”为使命，通过利用新的智能技术，提高车间生产效率，缩短产品交付周期，提高产品客户体验，为实现一个世界级的中华民族品牌而努力！
参评项目详细情况介绍
01
项目背景介绍
行业痛点：大型非标准结构件的焊接自动化及焊接精度的提升是整个工程机械行业乃至重工业的困难点；同时，实现大型结构件研发设计与制造的协同，减少样机试制成本，缩短新产品研制周期也是整个行业追求的目标。
图2 行业痛点
为了攻克上述大型结构件加工制造过程中的业务痛点，三一集团起重机事业部决定实施机器人焊接智能化升级改造项目，实现“提效降本”的目的。
现状分析：近年来，三一集团起重机事业部积极推进结构件焊接自动化率提升，大力推广焊接机器人应用于车架、转台、起重臂、支腿四大结构件焊接，以确保结构件焊缝质量稳定可靠。随着焊接机器人的大量使用，机器人编程人员在现场编程示教过程中总结出以下业务痛点：
①现场示教编程不仅编程周期长，而且需要设备停机，耽误现场生产；工件设计完成后无法确认机器人可焊性、无焊前干涉检查，往往需要等到试制阶段才能发现不可焊的问题，影响整个产品的研制周期；
②电弧跟踪精度不高，工人补焊成本增加；
③结构件转台焊接自动化率仍有提升空间。
02
项目目标及实施原则
项目目标：
四大结构件：新产品研制周期缩短5.5%（缩短1工月/项目）、在线示教设备能耗降低60%（新产品在线编程时间下降375小时/台）。
支腿转台：生产效率提升30%（工人缩减10人）、编程运营成本降低60%（编程人工成本节约23万元/年）、产品不良品率下降30%。
实施原则与方法：
三一集团及事业部通过业务需求调研和解决方案选型，决定针对各个问题点逐一探索解决方案，达到项目综合收益的最大化。
问题点一：现场示教编程存在诸多弊端
解决方案：引进专业的机器人仿真分析和离线编程软件robotmaster，通过虚拟仿真实现离线编程。
问题二：无法在设计阶段确认结构件可焊性
解决方案：通过引进仿真离线编程软件不仅取代了传统的现场示教编程方式，而且对工件模型的仿真编程加工，能够对可焊性进行分析，对研发设计进行校验，从而实现研发与制造的协同。
问题三：焊接电弧不稳定，影响焊接精度，增加人工补焊成本
解决方案：引进激光跟踪技术，在机器人工作站集成激光视觉系统，实现对焊弧位置的实时跟踪和调整，提高结构件焊接的精度。
03
项目实施与应用情况详细介绍
1）先进技术与智能化装备
项目引进仿真分析和离线编程软件Robotmaster，实现结构件设计模型的可焊性分析、干涉检查及程序的离线编程；项目同时引入赛融激光视觉识别系统，实现焊接精度的智能化调整，并在座圈焊接机器人工作站进行试点集成使用。离线编程软件的开发根据机器人品牌型号，先开发主流机型，再开发非主流机型，开发功能按运动控制、寻位、焊接、可焊率报表的顺序进行依次开发和测试。座圈机器人工作站在安装完激光视觉系统后先进行调试焊接，在确认与机器人集成无误后进行离线编程软件的后置开发，在导出的机器人程序中增加激光识别程序功能。
图3 虚拟仿真离线编程 图4 赛融激光视觉集成系统
2）自动化改造提升
项目通过引入5台焊接机器人工作站，实现转台座圈结构件的机器人焊接，提升整个结构件的焊接自动化率。项目通过内部调剂实现机器人工作站的重复利用，并与华恒机器人公司签订搬迁合作协议，是一项从搬迁到调试到使用的交钥匙工程。
图5 机器人工作站安装调试 图6 结构件仿真离线编程
3）实现研发与制造工艺协同的流程优化
通过在研发设计阶段将设计工件模型发给工艺人员利用ROBOTMASTER软件进行虚拟焊接加工，提前对设计件的可焊性进行分析，将需要的修改反馈给研发人员，从而实现整个研发端与制造端的协同，对新产品的研制的流程进行了优化。
图7 新产品研制流程优化
4）重难点及解决思路
①软件选型
由于目前国内工业机器人的编程方式主要是以在线示教编程方式为主，离线编程方式并未普及，因此，市场上并没有成熟的针对工程机械行业大型结构件焊接仿真的机器人离线编程软件供应商，这给我们前期的软件选型带来了不少困难：成熟的软件解决方案面向的主要是汽车、轻工等行业，面向重工行业的机器人离线软件又缺乏相应的项目实施经验。我们搜集了大量离线编程软件的应用资料，并亲赴软件厂商进行调研考察，遴选了4家软件供应商进入选择名单。通过自身软件功能需求分析及现场评审，最终选定robotmaster作为本项目离线编程软件供应商。
②现场机器人品牌繁杂、设备接口不开放
由于现场早期安装的机器人品牌众多（多达5种）且非主流机器人品牌软件接口不开放，给后面项目软件开发增加了很大难度。项目实施后，对于主流机器人品牌的开发和测试都很顺利，但是对于非主流的机器人品牌的开发不得不多次与机器人厂家进行沟通协调并签订相关技术协议，在对方有限的支持和配合下，我们攻克诸多开发难点，与软件厂商通力合作，实现了运动控制、寻位、焊接及可焊率报表等重要功能的开发。
③设备数据模型不全
由于车间机器人工作站设备均为旧设备，当初采购时并未要求厂家提供设备三维数据模型和编译器授权，在项目实施过程中，我们的工艺人员不得不对大部分的工装及设备进行模型测绘，同时根据软件仿真的效果不断进行模型的调整。
04
效益分析
1）转台支腿工序人工减少
因支腿、转台通过机器人改造，生产自动化率提升，相应工序的焊工需求人数减少，人工成本降低。支腿、转台各工序需求人数与产品产量存在一定的线性相关，但因具体的产量区间不同而变化，当产量超过机器人极限产量，人工减少数量将不再变化，如下图所示：
图8 项目前后转台支腿工序人工对比
根据上图的产量与工人数量减少的计算模型，对比项目实行前后的数据，总结出如下表格：
表1 项目前后工位人员对比
项目实施前后支腿工艺流程对比：
项目实施前工艺流程：组对>内焊、打底、加强板（人工）>主焊缝焊接(机器人)>交检；
项目实施后工艺流程：组对、内焊>、打底、加强板、主焊缝焊接（机器人）>补焊、交检。
项目实施前后转台工艺流程对比：
项目实施前工艺流程：组对>内焊、盖板、外焊（人工）>座圈（机器人）>交检；
项目实施后工艺流程：组队>内焊（机器人）>补焊、盖板>外焊（机器人）>座圈（机器人）、交检。
收益统计：
根据人员减少数量计算，人工成本每年平均减少150万左右。
2）焊接机器人编程运营成本降低
通过使用离线编程软件进行新产品的焊接路径编译，取代传统的在线示教编程，不仅缩短了新产品的编程时间、降低了设备在线编程能耗，而且提高了车间设备的使用效率，综合收益明显。
表2 编程时间对比
收益统计：
根据编程减少时间计算，编程人工及设备能耗成本每年降低46万左右。
3）支腿转台不良品率降低
由于提高了支腿、转台工位的焊接自动化率，同时又对机器人设备集成了激光视觉识别系统，机器人进行焊接时能够随时跟踪识别焊缝位置，并进行相应调整，产品焊缝精度大大提升。
表3 支腿转台不良品率对比
收益统计：
因自动化及焊接精度提升，支腿转台不良品率降低，将实现返修成本每年减少0.75万。
05
项目对于智能制造新模式探索的意义
1）数字化、智能化制造技术在传统制造业关键工序的深度应用
本项目通过建设大型起重机核心部件自动化焊接智能生产线，用先进的集成式智能生产线取代了传统的分布式零散加工生产线，用高效的精益生产替代了低效的粗放式生产。项目对于积累工程机械产品自动化、智能化生产线建设经验，提升大型工业产品生产制造基础水平，引领行业生产制造水平快速发展，具有重大的实践意义。
2）通过数字化技术、智能化技术与传统制造业的结合，实现绿色制造、高效制造
本项目用离线编程方式取代了现场手工示教编程，不仅大幅缩短了新产品导入试制编程时间、降低了设备编程能耗，而且编程环境由现场在线示教优化为办公室电脑离线编程，改善了编程人员的工作环境，同时也减少了因现场疲劳示教导致的安全风险。
项目通过引入一系列自动化、智能化生产设备，减少了产线生产制造人员，在一定程序上降低了人工生产成本；同时，焊接、涂装、装配等高风险工序通过自动化设备取代，降低了车间人工生产的安全风险，减少了对员工的职业身体伤害。
总之，整个项目是工程机械零部件及产品在焊接工艺进行数字化、智能化技术应用的一次积极尝试，也是一次智能制造模型的探索和实践；项目积累的经验和解决的相关问题，对于指导我们提高重工行业大型结构件的焊接工艺水平具有重要的参考价值！
未来发展规划
1）制定智能制造长期发展规划，形成完整的智能制造推进工作指导方针和行动纲领
目前智能制造的推进工作还存在着追求过快、发展路径不清晰、现状把握不透彻等问题，为了将智能制造的工作落到实处，实现真正的智造收益价值，三一集团将联合外部智能制造研究机构共同对三一的智能制造发展现状进行全方位的评估，通过对研发、制造、营销等环节现实情况的了解，制定一套以现实情况为依托，以智能制造新型能力打造为总体目标的长期发展规划。智能制造推进工作指导方针和行动纲领将有助于集团及各事业部按标准化的工作流程进行智能制造相关工作，借助当今成熟的数字化、信息化、智能化手段，进行“对症下药”的智能制造升级。同时也将根据各个事业部具体需求，在集团总体规划指导下，逐步实现从生产线级到车间级到工厂级的智能化改造，为推动集团智能制造水平的整体提高奠定基础。
图9 智能制造发展覆盖程度规划 图10 两化融合发展水平规划
2）加速信息化与工业化深度融合，打造智能制造的新型能力
企业信息化、数字化、工业化的深度融合是实现智能制造的基础。未来，三一集团将着力推动信息系统与车间设备的互联互通，以数据为核心，通过设备互联实现信息的完全采集和流通，建立产品的全生命周期数据档案，为将来大数据及人工智能的应用提供数据资源。同时，公司将继续加大对信息系统、工业软件的投入，提高新产品在研发及生产制造等环节的数字化应用水平。通过智能加工中心与生产线、智能仓储与运输配送装置，以及数字化加工车间计划与执行管控、数字化加工车间物流执行管控等智能化生产装备与车间软硬件系统的研制应用，加速信息化与工业化深度融合，打造智能制造的新型能力，实现业内领先的数字化车间智能制造模式。
图11 车间智能制造架构图
3）快速响应市场变化，打造敏捷供应链的互联网协同制造能力
三一集团计划利用互联网协同制造实现供应链的敏捷反馈从而快速响应市场变化。未来公司的整个供应链体系将实现跨业务模块的流程优化、多信息化平台的高效集成应用，公司与客户、代理商、供应商、第三方物流公司之间的横向端对端集成。通过整个系统的高度集成与协同，未来将达到销售预测准确性提高8%-10%、订单交期缩短5%-8%、生产计划准确率提高8%-10%、存货周转率下降10%-15%的目标。
图12 敏捷供应链架构图
