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【導(dǎo)讀】2024年11月2-3日，由中國自動化學(xué)會主辦，青島科技大學(xué)、國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心承辦的2024中國自動化大會在青島召開。會議特別邀請了國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心副主任、軟控股份有限公司董事長兼總裁官炳政作了題為“輪胎行業(yè)智能制造與精益管控”的報告。報告指出，輪胎作為安全產(chǎn)品，輪胎質(zhì)量影響到交通出行安全，中國輪胎產(chǎn)量占到全球的50%以上，是典型的輪胎制造大國。輪胎制造過程為流程+離散的混合型制造模式，面臨完備信息、機理經(jīng)驗、質(zhì)量控制等難題，對高質(zhì)量、高效能、高一致制造輪胎產(chǎn)品提出巨大的挑戰(zhàn)。針對這些問題，官炳政董事長分享了輪胎智能制造的進(jìn)階之路與輪胎精益管控的實踐探索等內(nèi)容，他在總結(jié)中提出，中國橡膠輪胎正處于由跟跑、并跑到領(lǐng)跑，由大向強的發(fā)展過程，希望產(chǎn)業(yè)出題，學(xué)界答題，共同做好輪胎產(chǎn)業(yè)這篇文章，讓中國輪胎服務(wù)好國家大戰(zhàn)略、大工程，服務(wù)好每一個家庭。
眾所周知，在現(xiàn)代文明中，通信和交通是兩個不可或缺的關(guān)鍵因素。在交通領(lǐng)域，輪胎作為汽車的重要部件，其制造過程復(fù)雜且精密，甚至輪胎是否能夠做到完美的圓形，都是一個極具挑戰(zhàn)性的課題。
一、輪胎行業(yè)典型特征
輪胎行業(yè)在國家的重大戰(zhàn)略和重大工程實踐中發(fā)揮著重要作用。以橡膠材料為例，它在空間站建設(shè)、太空服研制、神舟飛船推進(jìn)劑以及蛟龍?zhí)柕软椖恐?，發(fā)揮了不可替代的作用，在這些高精尖領(lǐng)域，橡膠材料和密封件是關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是在航天與深海探測過程中，橡膠部件的應(yīng)用至關(guān)重要。
在陸地上，輪胎同樣服務(wù)于軍工裝備，例如裝甲車、飛機以及特種車輛等，如圖1所示。這些裝備在戰(zhàn)略核心任務(wù)中的作用不可或缺，正是輪胎使得這些設(shè)備能夠順利運行，缺乏輪胎的支持，這些裝備將寸步難行。
圖1 輪胎的廣泛應(yīng)用
除了其在戰(zhàn)略意義上的重要性，輪胎還是一種關(guān)乎安全的重要產(chǎn)品。日常出行中，汽車輪胎是唯一與地面接觸的部件，它承載著駕駛者及乘客的安全與幸福。因此，輪胎的質(zhì)量與性能直接關(guān)系到每個人的生命安全。
隨著中國新能源戰(zhàn)略的推進(jìn)，中國新能源汽車市場份額已經(jīng)達(dá)到全球64.5%。新能源乘用車的市場滲透率突破了53.3%，如圖2所示，這一切都推動了輪胎產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。根據(jù)權(quán)威機構(gòu)的預(yù)測，到2029年，全球輪胎市場的規(guī)模將達(dá)到1.6萬億人民幣。中國輪胎產(chǎn)業(yè)在這一龐大市場中占據(jù)了重要地位，生產(chǎn)量超過全球50%的份額，并且在全球輪胎行業(yè)的75強企業(yè)中，中國企業(yè)占據(jù)了38家，中國已經(jīng)成為了輪胎產(chǎn)業(yè)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。
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圖2 中國橡膠輪胎行業(yè)
盡管中國輪胎產(chǎn)業(yè)在全球市場中占據(jù)了重要地位，但從品牌影響力和市場銷售來看，仍然面臨著“大而不強”的挑戰(zhàn)。首先，特種輪胎領(lǐng)域，如航空輪胎和巨型輪胎等，其先進(jìn)制造工藝仍然被國外企業(yè)壟斷，這成為了“卡脖子”問題。中國國產(chǎn)輪胎在品質(zhì)一致性方面存在差距，質(zhì)量水平參差不齊。中國輪胎品牌的國際影響力較為薄弱，尚未能夠在全球市場上形成強有力的競爭力。
其次，盡管中國企業(yè)在全球輪胎行業(yè)的75強中占據(jù)了38席，但其銷售收入占比僅為18%。從前10強企業(yè)來看，中國企業(yè)僅有兩席，分別是中策橡膠和賽輪輪胎。因此，中國輪胎企業(yè)正面臨著從“大”到“強”的歷史性跨越階段。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心應(yīng)運而生，致力于解決輪胎行業(yè)中的“卡脖子”技術(shù)問題，并推動產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新。該中心由青島科技大學(xué)、軟控股份和賽輪集團(tuán)共同承建，如圖3所示。軟控股份和賽輪集團(tuán)均由青島科技大學(xué)孵化，青島科技大學(xué)被譽為“橡膠界的黃埔軍?！?，在橡膠領(lǐng)域具有重要地位，是亞洲規(guī)模最大、門類最齊全的橡膠類院校。
賽輪集團(tuán)目前其產(chǎn)值規(guī)模位居全國第二，是國家首家智能制造試點示范企業(yè)；軟控股份為全球領(lǐng)先的智能制造工廠整體解決方案供應(yīng)商，其規(guī)模多年位居全球第一。
國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心自2009年由科技部批復(fù)以來，在推動中國輪胎產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
圖3 國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心
二、輪胎智能制造進(jìn)階之路
國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心積極推進(jìn)輪胎產(chǎn)業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級，探索產(chǎn)業(yè)從小到大、再由大到強的過程，分為三個主要階段，如圖4所示。首先，裝備自動化階段通過攻關(guān)核心工藝和裝備，實現(xiàn)工廠的自動化，解決了部分制造效率和質(zhì)量問題，重點是通過機器替代人工。接著進(jìn)入全流程協(xié)同階段，推動工藝、裝備、材料等環(huán)節(jié)的上下游協(xié)同，雖然取得了一定成效，但制造一致性問題仍需解決。最后，進(jìn)入全要素精益管控階段，依托智能技術(shù)提升核心質(zhì)控點的管理水平，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的精細(xì)化控制，進(jìn)一步提升質(zhì)量一致性。
圖4 中國輪胎智能制造進(jìn)階之路
在裝備制造的自動化進(jìn)程中，第一階段主要集中在物流領(lǐng)域，特別是通過現(xiàn)代化的物流方式替代傳統(tǒng)的人工搬運工作，如圖5所示。在輪胎制造過程中，膠塊和膠片等材料的搬運和處理往往存在較高的勞動強度。自2015年以來，行業(yè)推動了“機器換人”計劃，顯著提升了物流效率和減少了人工勞動的重復(fù)性。
圖5 機器換人的物流自動化
第二階段的自動化目標(biāo)是促進(jìn)機器與工藝的協(xié)同，機器人技術(shù)與輪胎制造過程的節(jié)拍緊密結(jié)合，實現(xiàn)高效、零延遲的制造，如圖6所示。在多品種、小批量生產(chǎn)的背景下，快速換模和智能控制技術(shù)的應(yīng)用，使得生產(chǎn)過程中規(guī)格切換的時間縮短了50%以上，顯著提升了生產(chǎn)的靈活性和效率。
圖6 機器與工藝協(xié)同自動化
第三階段則是將自動化與物料特性相結(jié)合，尤其是針對橡膠這種具有彈性體特性的材料，如圖7所示。在輪胎生產(chǎn)過程中，通過控制算法的應(yīng)用，解決了制造過程中的卡點和技術(shù)難題。例如，通過張力控制技術(shù)，確保在輪胎的貼合、卷曲和輸送過程中，材料的變形保持在可控范圍內(nèi)。國橡中心針對這一問題進(jìn)行了深入的研究，采用PID控制和模型預(yù)測控制等方法，在應(yīng)對材料變化、生產(chǎn)速度調(diào)整以及未知擾動時，能夠做出及時反應(yīng)，優(yōu)化控制策略。
圖7 智能算法驅(qū)動設(shè)備控制自動化
在裝備自動化方面，國橡中心取得了顯著的技術(shù)突破，涵蓋了關(guān)鍵裝備和技術(shù)的創(chuàng)新。例如，輪胎行業(yè)首個由中國企業(yè)主導(dǎo)的輪胎用RFID四項國際標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合國際領(lǐng)先企業(yè)如米其林、普利斯通等共同制定。此外，半鋼子午線輪胎成型機獲得了工業(yè)和信息化部制造業(yè)單項冠軍的榮譽，而全自動稱量系統(tǒng)則獲得了國家科技進(jìn)步二等獎。
國橡中心經(jīng)過十年的研究，發(fā)明了被譽為“液體黃金”的新型橡膠材料，如圖8所示，該材料顯著提升了輪胎的耐磨性能、抗?jié)窕阅芎蜐L動阻力性能。尤其是在滾動阻力和耐磨性之間的矛盾中，采用該材料打破了傳統(tǒng)的“魔鬼三角”定律，達(dá)到國際先進(jìn)水平。
圖8 創(chuàng)新制造工藝
為了支撐這些技術(shù)創(chuàng)新，國橡中心推動了自動化裝備的進(jìn)一步發(fā)展，強調(diào)數(shù)字化平臺驅(qū)動下的制造高質(zhì)量。通過模塊化設(shè)計和軟件自動化，提升了生產(chǎn)過程中設(shè)備的一致性和可靠性。工業(yè)視覺技術(shù)的應(yīng)用，也有效解決了人工檢查過程中可能出現(xiàn)的誤差和疲勞問題，實現(xiàn)了輪胎生產(chǎn)的高精度檢測，準(zhǔn)確率超過99.7%。
此外，國橡中心還開發(fā)了自主的工業(yè)軟件MCC，如圖9所示，它優(yōu)化了設(shè)備的操作系統(tǒng)，增強了設(shè)備間的互聯(lián)互通，并通過知識圖譜技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備的智能運維。這一系列創(chuàng)新舉措，不僅推動了輪胎制造過程中的技術(shù)進(jìn)步，也為行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
圖9 工業(yè)視覺提升智造一致性
盡管如此，行業(yè)內(nèi)仍然存在一些技術(shù)難題，需要通過專家的共同努力進(jìn)行攻關(guān)。國橡中心也積極探索工業(yè)大模型在輪胎制造中的應(yīng)用，致力于進(jìn)一步提升制造過程中的一致性和精細(xì)管控，以推動中國輪胎行業(yè)從“跟跑”和“并跑”向“領(lǐng)跑”邁進(jìn)。
三、輪胎精益管控實踐探索
在輪胎制造過程中，涉及五大關(guān)鍵工序和1100個質(zhì)量控制點，體現(xiàn)了其生產(chǎn)過程的高度復(fù)雜性，如圖10所示。首先，輪胎制造采用大規(guī)模生產(chǎn)模式，涵蓋原材料、半成品、成品的物理和化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，其中每個工序之間的連續(xù)性至關(guān)重要。其次，由于輪胎材料主要為彈性體，其生產(chǎn)過程中涉及粉料、固態(tài)顆粒、流體以及非牛頓流體等多種物態(tài)的精準(zhǔn)控制。生產(chǎn)過程中，半成品和成品的質(zhì)量要求尤為嚴(yán)格。
圖10 輪胎智能制造特點
輪胎作為安全產(chǎn)品，其批量生產(chǎn)具有高度一致性要求，尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)中，每批次的質(zhì)量誤差需要控制在極小范圍內(nèi)，并且要求具有較強的可追溯性。此外，面對小批量、多樣化定制生產(chǎn)模式的需求，如何有效應(yīng)對這些小批量、多樣化的生產(chǎn)任務(wù)也成為一大挑戰(zhàn)。因此，輪胎制造業(yè)需要通過高科技手段實現(xiàn)“流程制造”和“離散制造”的全價值鏈精益管理，從而提高生產(chǎn)過程的一致性、效率和質(zhì)量。這一過程中，面臨幾個核心難題。
首先，數(shù)據(jù)價值的深度挖掘是提升質(zhì)量預(yù)測準(zhǔn)確性的重要方向，如圖11所示。然而，輪胎制造過程中異常數(shù)據(jù)的缺乏，導(dǎo)致了過程參數(shù)間的低相關(guān)性和生產(chǎn)工藝參數(shù)的復(fù)雜性。因此，如何在小樣本數(shù)據(jù)中識別出大數(shù)據(jù)規(guī)律，成為解決問題的關(guān)鍵。為此，我們正在聯(lián)合數(shù)學(xué)、算法控制及軟件領(lǐng)域的專家，共同攻克這些技術(shù)難題，特別是在基于大數(shù)據(jù)的工藝過程優(yōu)化，尤其是質(zhì)量預(yù)測方面，已展開相關(guān)研究。
圖11 輪胎智造數(shù)據(jù)價值
第二，工業(yè)視覺與大模型的融合，特別是圖像識別技術(shù)的應(yīng)用，成為提升自動化檢測水平的關(guān)鍵，如圖12所示。在傳統(tǒng)輪胎檢測中，大量人工勞動和時間投入未能有效確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量。為了克服這一難題，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的自動判級系統(tǒng)已在研發(fā)中。通過圖像識別與大數(shù)據(jù)模型的結(jié)合，實現(xiàn)更為精準(zhǔn)、高效的質(zhì)量檢測。
圖12 工業(yè)視覺大模型
通過上述科技創(chuàng)新，中國橡膠輪胎產(chǎn)業(yè)將實現(xiàn)跨越式發(fā)展，從“跟跑”到“并跑”再到“領(lǐng)跑”，提升產(chǎn)業(yè)的整體競爭力，并為全球市場貢獻(xiàn)中國智慧。在這一過程中，學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的緊密合作將是推動技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵。最終目標(biāo)是通過技術(shù)創(chuàng)新，為國家戰(zhàn)略和社會需求提供強有力的支持，助力中國輪胎行業(yè)在全球占據(jù)領(lǐng)先地位。國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心將積極承擔(dān)國家使命，凝聚行業(yè)智慧，推動中國橡膠工業(yè)向世界領(lǐng)先水平邁進(jìn)！
（本文根據(jù)作者所作報告速記整理而成）
作者簡介：
官炳政，國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心副主任，軟控股份有限公司董事長兼總裁，中國橡膠工業(yè)協(xié)會主席團(tuán)主席、山東省橡膠行業(yè)協(xié)會副會長、青島市人大代表、青島拔尖人才、全國石油和化工優(yōu)秀科技工作者。專利授權(quán)61項，作為項目負(fù)責(zé)人在研山東省重點研發(fā)計劃2項，青島市重點研發(fā)計劃1項，參與國家自然科學(xué)基金重大研究計劃1項，編制國家標(biāo)準(zhǔn)3項，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項。