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摘要：世界轴承工业已经进入了自动化和信息化时代，新一代信息技术的飞速发展推动着轴承制造业向精细化和智能化的方向不断升级和转型，部分轴承企业也根据自身发展和市场需求逐步布署了智能制造装备和智能制造系统。为了适应新技术的发展和智能制造强国战略，提高中国轴承行业的产品精度、可靠性和生产效率，降低成本，需要根据企业的具体情况，从企业产品、工艺、装备、市场、成本，以及技术工人水平等各方面具体分析，制定合适的智能制造工艺路线，实现企业生产和市场的最优化。根据企业情况、产品结构和精度、设备和人员状况，采用分四步走的方式，包括调整和确定轴承的生产方式、轴承零件加工设备的信息化和网络化、轴承磨超线的智能化改造以及MES生产管理系统的建设、轴承企业全方位的智能化建设或升级改造等，每一步可以独立实施，分别达到相应的效果，分步实施智能化建设更符合轴承产业的发展现状。在每一步的实施效果完全达到目标，设备、人员、接口、系统等都满足要求后，再进行下一步的操作。未来轴承行业智能制造更轴承的高柔性大规模生产，倾向于追求更好的质量一致性和稳定性，在一定的经济规模下，倾向于占用最小的资金和空间，用最少的人员，倾向于和上下游生产商更深度的合作。
关键词：轴承；智能制造；操作模式；数字化；MES；SPC；信息技术
Abstract: The world bearing industry has entered the era of automation and informatization. The rapid development of new generation information technology is driving the bearing manufacturing industry to continuously upgrade and transform towards refinement and intelligence. Some bearing enterprises have also gradually deployed intelligent manufacturing equipment and systems based on their own development and market demand. In order to adapt to the development of new technologies and the strategy of building a strong intelligent manufacturing country, improve the product accuracy, reliability, and production efficiency of China's bearing industry, and reduce costs, it is necessary to analyze the specific situation of the enterprise from various aspects such as product, process, equipment, market, cost, as well as the level of technical personnel, and formulate a suitable intelligent manufacturing process route to achieve the optimization of enterprise production and market. According to the situation of the enterprise, product structure and accuracy, equipment and personnel, a four step approach is adopted, including adjusting and determining the production method of bearings, informationization and networking of bearing parts processing equipment, intelligent transformation of bearing grinding production line, construction of MES production management system, and comprehensive intelligent construction or upgrading of bearing enterprises. Each step can be independently implemented to achieve corresponding results, and the step-by-step implementation of intelligent construction is more in line with the development status of the bearing industry. After achieving the desired results in each step of implementation and meeting the requirements for equipment, personnel, interfaces, systems, etc., proceed to the next step of operation. In the future, the intelligent manufacturing of the bearing industry will focus on high flexibility and large-scale production of bearings, with a tendency to pursue better quality consistency and stability. Under a certain economic scale, it tends to occupy the smallest amount of funds and space, use the least amount of personnel, and cooperate more deeply with upstream and downstream manufacturers.
Keywords: bearings; Intelligent manufacturing; Operation mode; Digitization; MES; SPC; information technology
轴承的发展经历了三个阶段。第一阶段开始于19世纪末期，生产规模极小、设备简陋、技术落后，属于手工作坊式生产，精度不高，价格却昂贵，轴承生产技术只掌握在欧美发达国家少数企业手中；第二阶段开始于一战后，轴承在军事工业中的地位日益提高，加之科学技术飞速发展，促使世界轴承工业迅速发展，生产设备完善，技术手段先进，普遍采用了机群式批量生产，产品质量逐步提高；第三阶段开始于20世纪50年代，伴随电子、信息和精密机械等高新技术的发展，世界轴承工业进入了自动化和信息化时代，轴承企业规模超级化、集团化，形成了大型企业集团和跨国公司，如瑞典的SKF轴承，德国舍弗勒轴承、美国Timken轴承等世界八大家轴承集团，轴承产量猛增，品种越来越多，设备先进，自动化程度高，测试手段完善，数字化程度和技术水平高，生产效率高。
新一代信息技术的飞速发展推动着轴承制造业向精细化和智能化的方向不断升级和转型，部分轴承企业也根据自身发展和市场需求逐步布署了智能制造装备和智能制造系统，如机器人、数控装备、智能在线监测系统、制造执行系统等。由于缺乏基础共性标准和操作依据，企业各个信息系统之间相互封闭和信息孤岛的现象十分突出，严重阻碍了企业的智能制造转型升级的进程。
2022年全球轴承行业规模达到1200亿美元。以中国、日本为代表的亚洲地区，成为全球最大的轴承消费市场，全球八大跨国轴承企业占据全球70%的市场，而且几乎占据了全部的高端市场。2021年到2023年，中国轴承市场规模已经突破2000亿，顺差维持在20亿到30亿美元，无论是从市场规模还是销售收入来看，我国都已经是世界第三大轴承生产大国，但主要是世界轴承行业的中低端市场，量大价低，质量、效率和精度有较大的提升空间。同时，用工成本和各种附加成本增高，导致了利润下降，降低了国内轴承企业的生存空间。
目前，中国规模以上轴承企业达到1400多家，产品种类几乎覆盖所有类型，应用领域广泛。在生产模式方面，在五金、家电、电机、汽车、农机、冶金、矿山等领域，产品需求数量大、价格低、精度低，国内轴承行业普遍采用了适用于大批次工件的料道式自动加工方式；在航空航天、高档数控机床主轴、机器人、风电主轴等高端领域，产品需求数量少，精度高，价格高，工艺流程长，要求加工或物流过程中，减少甚至禁止出现磕碰现象，目前普遍采用单机生产手动上下料方式。
《中国制造2025》是中国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领，实现中国制造向中国创造、中国速度向中国质量、中国产品向中国品牌三大转变，推动中国实现工业化，迈入制造强国行列。《中国制造2025》要求智能制造在运营成本、生产周期、产品不良率等方面，各降低或缩短30%—50%，在高端装备创新方面，要求自主知识产权占有率大幅提升。
在精密轴承智能制造建设方面，由于技术门槛较高，目前国内主要厂商尚处于起步阶段。国外的瑞典SKF、德国FAG、日本NSK等精密轴承企业智能制造程度较高，在高端轴承领域的产品品质较国内产品具有较大的优势。通过智能制造的建设，国外轴承企业在年产量、安全性、柔性化、少人化、智能化管理水平方面具有一定优势。我国通过构建基于互联互通互操作的物理信息融合系统，针对精密轴承制造企业批量化生产模式，进行高品质精密轴承智能制造数字化车间的建设，有利于推动高端轴承制造业的发展，提高我国高端轴承产品的国际市场竞争力，促进国企制造业企业从“制造”向“智造”的转型。
为了适应新技术的发展和智能制造强国战略，提高中国轴承行业的产品精度、可靠性和生产效率，降低成本，需要根据企业的具体情况，从企业产品结构、工艺、装备、市场、成本，以及技术工人水平等各方面具体分析，制定合适的智能制造工艺路线，实现企业生产和市场的最优化。
下面，从轴承行业进行智能制造的意义、智能制造工艺路线和操作模式，以及未来趋势等方面展开分析。
一.轴承企业进行智能制造的意义
中国轴承工业协会卢刚在《高质量发展与可靠性》中认为，高端轴承是国家重大急需，是轴承行业高质量发展的主攻方向之一，同时也是国家重大装备发展的关键短板，影响到国内经济发展与国防安全保障；并认为，高端、中低端轴承没有截然的界限，中低端产品附加上某些特殊性能就可能成为高端轴承；这说明中低端产品是高端产品的重要基础。其中，最关键的问题在于轴承产品需具有高稳定性和可靠性。
国内轴承企业以盈利为目的，轴承企业只有提高产品附加值、稳定性和精度，才能实现长期可持续性的盈利，而提高产品质量的一致性和长期稳定性，通过智能制造和精益生产是一个很好的解决方案。
首先，谈一下国内轴承行业在轴承制造方面的现状。
在滚动轴承特别是精密轴承的传统生产过程中，信息获取孤立、零散、残缺不全，生产环节与系统间相对独立，缺乏关联，整个生产环节间不能形成快速而顺畅、互相印证与反馈的响应，致使“人机料法环”不能形成有效的联通与信息共享，生产效率低，成本高，设备利用率低并难以实时维护，质量难以控制，产品竞争力不高。
针对上述行业现状，大概描述一下轴承企业进行智能化改造或建设的应用场景。
如图1所示，结合现有轴承产品零件的生产制造，轴承成品装配等工艺特征，梳理现有工艺流程，分别针对轴承内圈、外圈、滚动体等主要零件和成品装配，将相关的物料、加工设备、检测仪器、工装、人员等信息进行统计和整理分类，在现有工艺流程、物流方式（采用料道式或机器人方式）的基础上，进行智能化调整或改造。通过DNC、SCADA等多种信息采集系统实时获取信息，通过二维码、时间戳等手段，将各种工件信息、机床加工信息、物流信息、质量信息等进行关联，并按照信息应用要求分别存储在各种数据库中，方便随时调用和查询，如通过调用设备参数写入设备，减少换型时间；通过二维码查询，回溯产品工艺和产品质量信息等。同时，将轴承生产车间中模糊、杂乱的概念规范化、信息化、参数化，建立起沟通各生产环节以及“人机料法环”相对应的角色和数据字典，并以数据字典元素内在的关联性为纽带，构建出装备、物料等生产要素所对应的信息模型，以工业物联网技术为依托，梳理出精密轴承数字化车间信息流并建立相应的信息联通网络，构建智能化DNC、MCS、MES、AGVS、WMS等支撑系统，实现装备之间，装备与物料之间，生产系统内部，生产系统与仓储系统之间，生产与管理之间互联互通互操作，并以可视化的形式进行信息展示。
图1 轴承企业智能制造的应用场景
根据以上思路进行智能化建设，可以达到如下目标：
帮助轴承企业实现产品稳定性提升，降低质量成本，提高竞争力
- 通过数字化－网络化－智能化三部曲，实现智能制造，让设备、生产过程、人员、物料、物流实现互联互通；
- 通过以上的各种信息进行实时分析，实现产品质量的可追溯性（SPC系统），并查找原因，有针对性地解决，可快速提升产品质量和稳定性；
- 通过加装振动、温度等传感器实现频谱和趋势分析，进而实现磨床故障诊断和远程运维技术，及时解决设备故障，保证各种产品指标的一致性和质量稳定性，同时保证生产的连续性。
- 提高生产效率，降低生产和人工成本，减少对高水平员工的依赖
- 通过ERP-MES系统，实现对多条生产线的自动科学派单，加快调度工作，提高设备利用率，减少对高水平生产调度人员的依赖；
- 通过设备的监控系统，可快速诊断设备故障，减少停机时间，减少废品率，减少对高水平机修工的依赖；
- 通过设备的信息化、大数据和SPC等系统，可及时发现产品质量问题，减少废品率，提高产品的稳定性，从而有效降低生产成本和相应的人工成本，减少对质量分析人员的依赖。
根据以上思路进行智能化建设，可以达到如下目标：
- 帮助轴承企业实现产品稳定性提升，降低质量成本，提高竞争力
- 通过数字化－网络化－智能化三部曲，实现智能制造，让设备、生产过程、人员、物料、物流实现互联互通；
- 通过以上的各种信息进行实时分析，实现产品质量的可追溯性（SPC系统），并查找原因，有针对性地解决，可快速提升产品质量和稳定性；
- 通过加装振动、温度等传感器实现频谱和趋势分析，进而实现磨床故障诊断和远程运维技术，及时解决设备故障，保证各种产品指标的一致性和质量稳定性，同时保证生产的连续性。
- 提高生产效率，降低生产和人工成本，减少对高水平员工的依赖
- 通过ERP-MES系统，实现对多条生产线的自动科学派单，加快调度工作，提高设备利用率，减少对高水平生产调度人员的依赖；
- 通过设备的监控系统，可快速诊断设备故障，减少停机时间，减少废品率，减少对高水平机修工的依赖；
- 通过设备的信息化、大数据和SPC等系统，可及时发现产品质量问题，减少废品率，提高产品的稳定性，从而有效降低生产成本和相应的人工成本，减少对质量分析人员的依赖。
二.轴承企业进行智能制造的工艺路线和操作模式
在国内轴承行业，为降低成本，越来越多的轴承企业采用了传统的料道式自动化的生产模式，这种模式适用于产品需求数量大、价格低、精度低的产品，在自动线的基础上进行智能化改造，或者新建智能线投入的成本不高，但对人员的素质要求高；再者，这些自动线的组成设备基本上为国产设备，多数设备可靠性和稳定性不高，和智能化系统融合度不强，如果进行全面的智能化建设，实现信息和动作的互联互通互操作，容易造成系统瘫痪，影响生产的正常进行。因此，应根据企业的具体情况，包括产品结构、工艺流程、加工和检测装备的具体参数和配置，以及人员和体系状况，进行不同层次和深度的智能化建设或改造。
对于航空航天、高档数控机床主轴等高端领域的配套轴承，因为产品需求数量少，精度高，无法采用料道式自动化生产，可考虑通过机器人作为物流中转设备，减少产品之间的磕碰现象。因为产品的精度高、价格高、工艺流程长，可以考虑购买配置好、稳定性和可靠性好的加工和检测装备，进行柔性联线和深度的智能化建设或改造。
总体来说，可以根据企业情况、产品结构和精度、设备和人员状况，采用分四步走的方式，每一步可以独立实施，分别达到相应的效果。不建议一次到位，可以分步实施，等每一步的实施效果完全达到目标，设备、人员、接口、系统等都满足要求后，再进行下一步的操作，直到DNC、MCS、MES、AGVS、WMS、SPC等系统的全面实施，所有设备和人、设备和物料等全面实现互联互通互操作，达到全面实现智能制造的最终目标。另外，根据企业的产品结构、工艺流程和市场状况，大多数轴承企业只需要达到局部智能化就能满足要求，也就是说分步实施智能化建设更符合轴承产业的发展现状。
第一步：调整和确定轴承的生产方式
根据企业现有的产品结构、工艺特征、加工模式和设备现状，可以将轴承的主要零件的生产方式，采用如下两种加工和信息集成模式。
第一种，适用于高端复杂产品和小批次产品的柔性加工方式，如图2所示，采用单件信息集成模式。通过激光打标使每件产品增加身份标识，通过扫码获取产品加工中沟道磨削和检测、外内径磨削、外沟超精和检测等每个工步的设备参数、检测和质量信息、工艺和产品信息等，实现信息的互联互通和互操作，同时，采用机器人实现产品的扫码和工步间的物流；这种模式通常适合小批量和特殊结构的轴承；
图2 高端轴承柔性加工方式
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