东莞劲胜：智能制造助力3C产业突围实践项目

2003年4月，东莞劲胜塑胶制品有限公司（东莞劲胜精密组件股份有限公司前身，简称“劲胜精密”）正式成立。通过在3C领域多年积累的技术、工艺和市场规模，以及在自动化生产方面先期摸索的经验，劲胜精密对于行业有着深刻的理解和准确的把握能力。2015年劲胜精密在全资子公司劲胜通信东莞东城厂区实施数控机床扩产项目，拟通过2～3年（2015—2017年），在行业内率先实现智能工厂改造，将节省70%以上的人力，最终实现少人化协同化生产。该项目是中国工业和信息化部第一批授予的国家智能制造试点示范——“移动终端配件智能制造”项目。

1.“智造红利”取代“人口红利”

我国是3C产品的制造大国。在手机方面，据广东（东莞）战略性新兴产业研究院调研数据，2014年东莞地区智能手机出货量超过2.3亿台，总产值超过1 800亿元。这其中，具备金属外壳的智能手机在2016年将占比50%以上。

这一趋势引发了3C产业对CNC需求爆发式增长，当前珠三角地区现役高速钻攻中心数量超过10万台，且需求量以年均近200%的速度上升，3C行业智能数控装备与系统市场容量和市场需求巨大，对发展智能制造系统有着迫切需求。

然而，在我国3C产品制造业雄冠全球的事实下，我国的制造过程却一直以劳动密集型为主。智能制造装备与系统相对落后，制造系统智能化协同能力不足，高精度智能加工设备大部分依赖进口，上下料环节更是基本依靠人工完成。“特别是工业机器人。在珠三角3C行业中，万人员工中拥有22台工业机器人。而在2012年，日本是339台/万人，韩国是347台/万人，德国是250台/万人。”劲胜精密总裁办主任兼智能制造项目主导人曹豪杰称，长期来看，我国3C产业发展将受到制约。

2.整体规划，重点突破

劲胜精密针对“移动终端金属加工智能制造新模式”的示范项目，其项目实施背景、总体方案如下：

（1）项目实施背景。

①“中国制造2025”战略的推动与各级政府的鼎力支持。

据波士顿咨询公司的研究报告估计，现在在美国制造商品的平均成本只比在中国高5%，更令人震惊的是，到2018年，美国制造的成本将比中国便宜2%～3%。到2015年下半年，就多数面向北美消费者的商品而言，在美国低成本州生产将会变得和在中国生产一样经济划算，这表明我国的低成本竞争优势将大大削弱，数量体量庞大的中国制造业未来将可能面临极大的挑战和困境。当今世界，主要发达国家纷纷推出自己的工业4.0战略，再工业化也如火如荼地展开，该战略的核心都是围绕智能制造。形势逼人，如何改变和突破这个困境？以提质增效为中心的智能制造将是国家和企业目前不二的选择。2015年5月，国务院正式发布“中国制造2025”战略，其核心就是智能制造。

②行业发展趋势。

4G时代，因金属材质轻薄、坚固、散热好、易一体成形等特点，手机厂商采用金属机壳的比例从2015年的20%左右，至2017年将明显上升60%～80%；未来金属机比例上升趋势将进一步拓展至中低端品种。目前，CNC金属加工方式是业内最主要的金属结构件解决方案，金属机比例的上升带动CNC设备市场迅猛发展，且未来上升空间仍然很大。

③自动化市场机会。

CNC有加工精度高、易于一体成形等优点，但也存在加工时间长（30～50 min）等缺点，相对注塑成形时间（20 s左右），其所需设备、人员数量成百倍的增加，因而在金属CNC加工业务上实施自动化、信息化的改造，效率和品质提升效果非常明显。因此，仅3C市场，自动化市场既有极大的刚性需求和市场，而在其他众多还处于半自动乃至手工作业的领域，也有着极大的市场需求，据东方财富网预测，到2020年自动化市场规模将达14 000亿元，未来5年自动化市场增量近万亿，复合增长率达21%，自动化改造未来的市场发展空间巨大。

（2）劲胜精密智能制造示范项目总体方案。

劲胜精密智能制造示范项目属于典型的离散型制造。针对3C制造业基本情况及移动终端产品对智能制造系统的需求，劲胜精密的项目目标是建立高度自动化的柔性生产模式，推动现有制造业向智能化方向转型。主要过程包括虚拟现实一体化、设计制造一体化、生产协同一体化、过程管控一体化（见图6-23～图6-27）。项目预期是实现CNC、机器人及AGV的自动化装备，通过设计、管理、制造三方面系统的协同，实现少人化、无人化、智能化生产。

图6-23　劲胜精密智能制造系统框架

图6-24　虚拟现实一体化

图6-25　设计制造一体化

图6-26　生产协同一体化

图6-27　过程管控一体化

劲胜精密智能制造示范项目实施框架包括智能展现层、数据中心层、业务系统层、物联网层、智能设备层，如图6-28所示。

图6-28　项目实施框架

3.智能制造项目实施

从2013年就踏入智能制造规划的劲胜精密，已呈现出离散型制造特征。劲胜精密已通过自主开发和外部合作方式，先后建立了ERP、PDM、MES等系统，打造出适合自己需求的数字化制造解决方案；目前所用的10台国产数控系统的机床运行良好，加工质量、精度达到要求；已经采用机器人解决零部件上下料问题，刀具动态管理完整、合理；初步解决了之前各事业部MES信息孤岛问题，提高了全公司制造环节的整体协同化水平。同时引入移动应用技术，车间透明化拓展至互联网络；采用仿真技术对车间加工、物流规划进行了初步分析等。劲胜精密在申报智能制造实践项目前已经有着充分的前期积累，申报项目周期从2015—2017年，2015年项目实施及初期工作，2016年整个项目完成及运行，2017年验收和推广。目前项目第一期设备及相关人员已到位，首批设备试运行成功。

项目可以提高生产效率20%以上，降低运营成本20%以上，缩短产品研制周期30%以上，降低产品不良率30%以上，提高能源利用率5%以上。

（1）项目指标具体明确。

①技术指标。

●节省金属加工环节的人力70%以上（以每日两班生产基准，按照每人管理2.5台机器及每机器人1拖2计算）。

●实现高速高精钻攻中心、国产数控系统、机器人与收取料系统的协同运动控制，实现多种车间智能装备之间的协同工作。

●采用基于工艺知识库的三维智能工艺规划，提高研制效率；通过高级计划排程和实时生产响应技术，减少设备空转时间。

●建立生产过程数据库，充分采集制造进度、现场操作、设备状态等生产现场信息；提高车间加工过程质量检测自动化程度，建立产品质量追溯系统，实现全制造过程品检数字化。

●建立面向大批量快速响应生产的制造执行系统（MES），实现基于实时制造数据的可钻取仿真车间。

●示范应用自主可控智能装备，包括工业机器人、高速高精加工中心、AGV小车、自动化生产线集中控制系统、视觉化品质检测设备、RFID标签及读写器及系统，以及自动化夹具。

②经济指标。

项目完成后，可为企业每年新增8 500万元的营业收入，每年可为地方政府新增税收300万元。

③知识产权目标。

知识产权指标：申请5项以上发明专利，登记6项以上软件著作权（PLM系统、CAPP系统、高级计划排程系统、物流仿真系统、生产制造执行系统、在线质量管控系统、生产指挥调度中心系统、数据驱动的虚拟仿真系统），形成5项以上企业/行业/国家标准草案（3C制造智能工厂体系建模标准、3C制造智能车问数据集成标准、3C制造自动化设备集成标准、3C制造生产运营管理标准、3C制造虚拟车问仿真建模标准、3C制造大数据分析标准）。

（2）劲胜精密智能制造示范项目的先进性。

预期项目实施完成后，一方面，劲胜精密在信息化、自动化、智能化和协同化水平上将获得巨大提升，形成国内领先、与国际先进水平基本一致的产能水平、质量控制水平、生产成本控制能力；并借助于本项目实施培养的技术团队，形成行业领先的智能制造技术优势，为劲胜精密的未来发展提供强大的可持续发展驱动力。另一方面，东莞市作为“中国制造2025”的试点城市，也正在进行“东莞制造2025”规划。此项目是东莞市政府重点支持的项目，通过项目的实施，将有利于促进本地政府进一步完善引导和支持制造业企业进行转型升级的模式，成为“中国制造2025”战略相关政策落实的先例和典范。本项目的先进性体现在以下6个方面。

①国内全行业首家采用全国产数控系统配套核心关键装备的智能化车间。

两大技术创新点：一是通过对3C智能终端产品核心部件加工的运动特性分析，采用实用性的通道参数设置模式，实现高速金属边框铣、削、钻过程的大拐角的平稳过渡，减小机床振动，提高加工效率；二是针对3C产品加工的智能伺服动态制动技术，高速钻攻中心行程范围小且加工速度高，在机床遇故障需要快速停机时，通过伺服动态制动技术的实现，实现移动轴的快速制动。

基于完全自主知识产权的国产数控系统，配套于3C行业智能制造车间核心关键装备高速钻攻中心装备和工业机器人，不仅打破了国外技术与市场垄断，同时，其自主知识产权的总线通信技术保障了智能化车间装备的数据安全和使用信息安全，国产高速钻攻中心配套国产高档数控系统，技术完全自主可控，对企业信息的安全提供了强有力的保障，如图6-29所示。

②建立基于物联网技术的制造现场“智能感知”系统。

两大技术创新点：一是建立高速钻攻中心机床与工业机器人数字化、自动化产线集成控制系统，实现机床、机器人、车间数字化系统之间信息的互联互通；二是研究基于RFID的刀具实时监测与在线管理技术，实现刀具的时间、物理维度上的管理。

从而将制造生产过程中的关键重要部件、制造资源（如刀具、夹具、托盘、卡板等）结合物联网技术进行“智能感知”，使其在每个生产环节上能够实时主动告知其位置、生产状态、工艺参数等信息，并将数据传递至上层的决策系统，实现“物物相联”的制造现场“智能决策”。

图6-29　劲胜精密智能设备生产车间

③构建基于数据驱动的三维仿真模型。

三大技术创新点：一是研究三维虚拟建模，实现对车间规划进行仿真优化，指导产线设计/建设/改造；二是建设支持人机交互及后台数据驱动的实时模型，实现制造过程实时三维仿真监控与可视化；三是研究车间物流仿真算法，进行物流规划及验证。

采用轻量化及分块分层算法以保证工厂及设备大规模数据的快速显示，采用基于时间轴的动画插值技术实现离散位移数据的平滑运动显示，规划物流模型运动路径，实时检测三维模型之间的碰撞以检验模型运动的合理性，建立三维模型运动与数据变量的实时关联，最终实现三维模型的数据驱动。

④实现基于三维的工艺协同。

两大技术创新点：一是研究并构建面向企业和行业的可扩充工艺知识数据库，具有良好的开放性和扩展性；二是研究并构建基于知识的三维智能化工艺规划，实现智能化的工艺推理和决策。

实现工艺软件、知识库与三维CAD的集成，实现基于MBD的制造特征定义与信息提取，打通了几何特征模型和制造特征模型之间的联系；将工艺知识融入后端的自动化设备（数控机床、焊接机器人、自动切割机）应用中，实现三维工艺从产品设计—工艺—智能制造的贯穿式应用，全面提升行业加工智能性和效率。

⑤建立全制造过程可视化集成控制中心。

三大技术创新点：一是建立数据集成标准化，对不同系统的接口统一了数据标准格式，并详细定义数据生成与解析过程；二是建立生产异常的统一指挥与协同调度，可以及时、全面、动态、可视化呈现生产过程出现的各种异常，并通过移动终端指导现场作业；三是基于实时的大数据分析方法，通过数据挖掘等方法，提取知识规则，辅助决策支持。从而将计划、执行、物流、质量等业务板块的实时决策数据与图表集中展示，打通各功能域的关联关系，建设可视化集成控制中心，打造实施过程数据驱动的制造车间决策支持平台，支持计划、物流、质量、采供等多功能组织的全局协同生产与调度。

⑥构建基于企业私有云的分布式协同制造服务体系。

四大技术创新点：一是针对多品种混流加工生产的车间制造特点，研究建立基于精益化约束管理的有限产能车间计划与动态生产控制体系；二是针对具有逆向流程和跳跃流程等异常情况状况，研究基于计划，并以实际执行数据为触发的物流配送跟踪同步管理技术；三是研究并建设在线质量检测与数据分析预警技术，并通过移动应用技术进行异常管控；四是研究基于车间智能数控装备的开放式数控系统，研究云数控模型。

4.“智造之火”可以燎原

（1）对于促进3C产业智能制造示范意义重大。

以智能手机为代表的我国3C产业巨大，2014年3C行业产值规模超过4万亿，仅珠三角地区3C产业产值就超过1.2万亿元。其中2014年东莞地区智能手机出货量超过2.3亿台，约占全国总额50%，约占全球总额19.7%。由苹果手机引领的金属外壳化已成为智能手机的潮流，目前具备金属外壳的智能手机占比大概为20%。这一趋势引发了3C产业对CNC需求爆发式增长，当前珠三角地区现役高速钻攻中心数量超过10万台，且需求量以年均近20%的速度上升，3C行业智能数控装备与系统市场容量和市场需求巨大。目前我国内地的原有金属机大部分产能被苹果占据，随着三星等品牌转金属化，使得金属结构件市场空间巨大，目前CNC机台产能有限，整个行业处在快速扩张阶段。同时，在智能穿戴、智能医疗、智能汽车等领域，类似的产能需求尚在萌芽状态，未来成长空间巨大。

劲胜精密在我国3C制造行业排名前五，其中手机精密结构件年产能排名全球前三名，在行业内有较大的影响力和代表性，推广前景很好。同时，CNC金属加工工艺技术通用性强，当手机金属结构件产能出现过剩时，其智能制造模式可以拓展至智能穿戴、智能医疗、智能汽车和军工等领域。

（2）项目在东莞制造业名城实施，对于劳动力密集型的区域如何通过智能制造实现转型升级的示范意义重大。

实践项目在加工环节采用高速高精自动化设备，物流装夹环节采用智能机器人和AGV，过程管理环节采用精细化协同制造运营管理系统，智能化提升潜力很大，提升后带来的价值明显。同时，由于采用机器代替员工，可以节省金属加工环节70%以上的人力，行业示范意义明显，对于解放我国低端重复性劳动力具有重要的意义，对于劳动力密集型制造业城市如何通过智能制造实现产业转型升级意义重大。

（3）本项目采用国产系统、国产机床、国产机器人与国产软件实施智能制造，对提升国产智能制造产品的核心竞争力具有示范意义。

当前珠三角地区现役高速钻攻中心数量超过10万台，且需求量以年均近20%的速度上升。近几年在全国机床产业严重下滑的情况下，珠三角地区（主要是深圳和东莞）机床产业却逆势增长。正是得益于3C行业金属零部件加工对高速钻攻中心机床的巨大需求，目前东莞已成为全国最大的智能手机生产基地，同时也是全国最大的高速钻攻中心机床装备制造基地。而目前国产高速钻攻中心机床配套的全部是进口数控系统。我国3C产品制造大多数还是以人工作业为主，产业面临升级转型，对工业机器人的需求巨大。

实践项目利用自主知识产权的国产数控系统配套国产高速钻攻中心机床装备，并与国产工业机器人配套，同时采用先进的智能化制造执行系统等技术手段，应用于智能手机等3C产品的生产制造，实现“国产装备装备中国3C制造业”的格局，为“中国制造2025”战略在我国3C制造业的推进形成典型示范，具有重大意义。而且，基于国产高速钻攻中心机床装备、工业机器人和国产智能制造系统软件建立的智能制造数字化示范车间，有较强的可复制性，有很好的市场推广应用前景。

（4）东莞市创新性的支持政策，对于区域发展智能制造的政策设计具有示范作用为支持智能制造示范点的建设和智能制造产业的发展，东莞市采取了一系列的创新政策，巧妙地把财政补贴和金融、保险等结合起来，有综合利用土地、教育等资源设计出完整的支持政策，有力地促进了东莞智能制造的发展，对于其他区域具有明确的示范作用。

政府基于以市场为导向、以用户需求为导向的基本原则，通过加强对企业的服务与支持，引导制造业企业进行产业升级转型，东莞市“机器换人”政策规划连续3年每年投入2亿元资金，用于引导、支持企业实施技改，进行转型升级，并重点支持国产智能数控装备、国产软件系统、国产机器人等的推广应用；其中2 000万元作为风险池资金，用于撬动银行、融资租赁公司等机构的金融资本参与企业项目，拉动保险公司支持用户企业通过购买商业保险的方式来降低使用风险。东莞市颁布了《东莞市3C产业智能制造示范工程实施方案》，明确了在3C行业建立应用国产智能数控装备的智能制造示范车间的目标和任务，东莞市政府从资金、金融、土地、人才及用电保障等多方面出台综合性政策用于支持企业进行智能制造示范车间的建设，而项目的申报单位东莞劲胜精密组件股份有限公司已成为东莞市3C产业智能制造示范工程建设的首选示范单位。通过项目在东莞的实施，可以形成推进“中国制造2025”的一种创新的地方政策模式，起到很好的示范作用。