軌道車輛鋁合金車體數(shù)字化車間關(guān)鍵技術(shù)研究

章 斌

（中鐵華鐵工程設(shè)計集團有限公司 軌道交通設(shè)計院，北京 100071）

加快發(fā)展智能制造，對于推進我國制造業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，培育經(jīng)濟增長新動能，構(gòu)建新型制造體系，促進制造業(yè)向中高端邁進、實現(xiàn)制造強國具有重要意義[1-2]。

數(shù)字化車間是實現(xiàn)智能制造的重要引擎，將人、機、法、料、環(huán)、測的數(shù)據(jù)連接起來，多維度融合，把制造自動化擴展到柔性化、智能化和高度集成化，從而實現(xiàn)成本、質(zhì)量的全壽命周期管理，實現(xiàn)產(chǎn)品的透明、快速生產(chǎn)制造。智能制造和數(shù)字化車間建設(shè)在我國尚處于探索期，軌道車輛的智能制造可提升業(yè)務(wù)集成和信息交互，提升產(chǎn)品設(shè)計、工藝開發(fā)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量控制以及企業(yè)管理的數(shù)字化水平[3-4]。

通過對鋁合金車體制造現(xiàn)狀深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其業(yè)務(wù)流程存在自動化孤島和信息化孤島的問題，急需采用先進的管理方法和制造設(shè)備提高制造過程的生產(chǎn)效率，打造數(shù)字化車間是解決實際問題和提升生產(chǎn)工藝和管理水平的有力保障。

1 鋁合金車體數(shù)字化車間構(gòu)建的總體方案

數(shù)字化車間作為智能制造實現(xiàn)的基礎(chǔ)載體，是邁向智能制造不可跨越的基石。結(jié)合對鋁合金車體制造的普遍問題和業(yè)務(wù)流程、管理模式研究分析，按照層次結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出構(gòu)建鋁合金車體數(shù)字化車間的總體構(gòu)架和各應(yīng)用層業(yè)務(wù)流程的功能要求[5]。

1.1 總體架構(gòu)

鋁合金車體車間以車間標準化生產(chǎn)線和節(jié)拍化生產(chǎn)工位為基礎(chǔ)，按照業(yè)務(wù)流程優(yōu)化（精益管理、大技術(shù)體系、大質(zhì)量體系）和生產(chǎn)線自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級為手段，通過信息化建設(shè)，實現(xiàn)鋁合金車體的數(shù)字化研發(fā)、數(shù)字化制造和數(shù)字化運營管理，實現(xiàn)產(chǎn)品制造的高效率、低成本、高質(zhì)量[6]。

車間結(jié)合制造過程的業(yè)務(wù)流程需求分析和整體規(guī)劃，構(gòu)建鋁合金車體數(shù)字化車間總體架構(gòu)，如圖1所示。車間部分整體規(guī)劃分為4 個層級，即以數(shù)據(jù)分析為代表的分析決策層、以數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同平臺為代表的業(yè)務(wù)管理層、以數(shù)字化制造運營管理（MOM，Manufacturing Operation Management）系統(tǒng)為代表的制造執(zhí)行層和以車體制造數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)為代表的設(shè)備及控制系統(tǒng)層。

圖1 鋁合金車體數(shù)字化車間總體架構(gòu)示意

1.2 業(yè)務(wù)流程

1.2.1 設(shè)備及控制系統(tǒng)層

設(shè)備及控制系統(tǒng)層是落實企業(yè)數(shù)字化、智能化制造效果的實際承擔者，是數(shù)字化車間建設(shè)的最終呈現(xiàn)端，是建立數(shù)字化車間的關(guān)鍵因素。通過智能化生產(chǎn)線的打造使鋁合金車體生產(chǎn)的各類設(shè)備能夠統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)管控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸高效準確。設(shè)備及控制系統(tǒng)層通過與供應(yīng)鏈協(xié)同信息系統(tǒng)的對接，與上游供應(yīng)商在數(shù)據(jù)、信息及業(yè)務(wù)流程上緊密集成，增強企業(yè)對供應(yīng)鏈的控制能力。

1.2.2 制造執(zhí)行層

制造執(zhí)行層打通了業(yè)務(wù)管理層與車間執(zhí)行層之間的信息斷層，實現(xiàn)企業(yè)車間現(xiàn)場信息系統(tǒng)、設(shè)計工藝系統(tǒng)與上層管理系統(tǒng)的集成，使數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)能順暢流轉(zhuǎn)，將數(shù)據(jù)流和業(yè)務(wù)流延伸至設(shè)備端，保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)高效無損執(zhí)行，是企業(yè)實現(xiàn)管理技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化、智能化，成為向智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)。

1.2.3 業(yè)務(wù)管理層

通過集成與優(yōu)化企業(yè)已經(jīng)建立的企業(yè)資源計劃（ERP，Enterprise Resource Planning）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）、OA等管理信息系統(tǒng)，有效地指導工廠的生產(chǎn)運作過程。建立設(shè)計開發(fā)協(xié)同設(shè)計平臺和供應(yīng)鏈協(xié)同管理平臺，整合公司、供應(yīng)商的資源，將推進模塊化設(shè)計和全模型設(shè)計進度，為鋁合金車體車間數(shù)字化制造奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2.4 分析決策層

打通上下游信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各信息化系統(tǒng)之間的順暢傳遞，保證業(yè)務(wù)管理層和業(yè)務(wù)管理層收集到的信息能夠從不同維度進行統(tǒng)計、分析，形成各類統(tǒng)計分析報表，供不同管理維度的企業(yè)管理者可基于數(shù)據(jù)分析做出對企業(yè)現(xiàn)狀最有利的決策。

2 重點攻關(guān)方向和關(guān)鍵技術(shù)

鋁合金車體數(shù)字化車間是基于鋁合金車體制造的業(yè)務(wù)流和信息流的融合，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計到制造運營，再到生產(chǎn)線（焊接、加工）直達底層設(shè)備的全過程技術(shù)數(shù)據(jù)交互，重點對產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同平臺、制造運營管理平臺、柔性生產(chǎn)線及大數(shù)據(jù)分析平臺等關(guān)鍵技術(shù)進行重點研究。

2.1 數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同平臺

2.1.1 功能介紹

數(shù)字化研發(fā)是實現(xiàn)數(shù)字化車間的第一步。數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同平臺是基于提高標準化、模塊化產(chǎn)品研發(fā)能力和完善工藝仿真驗證能力，提升系統(tǒng)內(nèi)、外部協(xié)同水平，為產(chǎn)品研發(fā)和工藝設(shè)計全面推進數(shù)字化設(shè)計提供基礎(chǔ)保障；產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計流程與設(shè)計輸出，對應(yīng)的工藝設(shè)計流程與工藝輸出，通過信息系統(tǒng)對工藝設(shè)計方法和工藝設(shè)計流程進行固化，實現(xiàn)工藝設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計對接，達到工藝設(shè)計規(guī)范，流程順暢。數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同平臺架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同平臺架構(gòu)

2.1.2 實施方案與關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同平臺實現(xiàn)了產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計和工藝設(shè)計兩大環(huán)節(jié)完全融合，通過對外集成接口實現(xiàn)與ERP、制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及時有效地傳遞，形成設(shè)計與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的閉環(huán)。

數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同平臺的搭建應(yīng)具備以下關(guān)鍵要點。

（1）不斷對前期項目中創(chuàng)建的大量各類標準件庫、管路庫等企業(yè)資源庫進一步完善和整理，規(guī)范使用方法，建立更齊全的產(chǎn)品模型庫。

（2）為了提升工藝仿真驗證能力，應(yīng)用機器學習，將領(lǐng)域知識引入到仿真優(yōu)化系統(tǒng)中，擴充三維加工仿真及驗證能力，形成適合生產(chǎn)業(yè)務(wù)特點的加工仿真驗證系統(tǒng)，在虛擬制造環(huán)境中進行規(guī)劃、仿真和模擬，對產(chǎn)品工藝及加工方案的可制造性進行預測和評價。逐步融合現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境，通過虛擬驗證指導實際生產(chǎn)。

（3）深入探索以鋁合金車體部件為載體基于模型的定義（MBD，Model Based Definition）技術(shù)在研發(fā)策劃、工藝方案階段的方法應(yīng)用，以解決工程設(shè)計過程中數(shù)據(jù)種類雜、共享差、交互少、無關(guān)聯(lián)以及技術(shù)人員無法直接使用三維設(shè)計模型進行產(chǎn)品的工藝設(shè)計、指導生產(chǎn)等問題，為實現(xiàn)MBD 的一體化技術(shù)及甩掉二維工程圖實現(xiàn)三維模型下車間奠定基礎(chǔ)。

從模型定義、模塊化設(shè)計、工藝仿真驗證到管理平臺的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同平臺，改變了研制流程、研制方法和鋁合金車體的研發(fā)模式[7]，提高產(chǎn)品研發(fā)工作效率和設(shè)計質(zhì)量，為后序的數(shù)字化制造運營管理平臺提供必要的數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)字化MOM 系統(tǒng)

2.2.1 功能介紹

數(shù)字化MOM 系統(tǒng)是計算機軟硬件、制造運營管理與制造運營過程的集成。利用計算機軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)將先進的制造運營管理理念和制造運營管理過程進行固化，形成標準、通用、自動進行制造運營管理的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)功能性軟件集成的軟件框架，主要包括物料需求計劃（MRP，Material Requirements Planning）、制造資源計劃（MRPⅡ）、ERP、MES。

2.2.2 實施方案與關(guān)鍵技術(shù)

針對軌道車輛產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，小批量，多品種的行業(yè)特點，鋁合金車體車間的數(shù)字化制造運營管理系統(tǒng)以圍繞制造過程所需要的計劃排程、技術(shù)數(shù)據(jù)、物流供應(yīng)、質(zhì)量控制，以及設(shè)備資源等業(yè)務(wù)信息和數(shù)據(jù)，以標準化、規(guī)范化和流程化的載體，以快捷、準確的方式在各業(yè)務(wù)之間傳遞為目標[8]，對主要涉及到軟件集成、計劃接口、工藝接口、變更、調(diào)度、倉庫、物流、生產(chǎn)、質(zhì)量、人工/工時、管控中心、業(yè)務(wù)支持和設(shè)備集成等11 個功能領(lǐng)域（細分為68 個子功能）進行分析和規(guī)劃，詳細定義各功能領(lǐng)域內(nèi)部的主要功能及各功能之間的信息流，實現(xiàn)制造過程信息流的數(shù)字化和可視化。鋁合金車體車間數(shù)字化制造運營管理系統(tǒng)功能規(guī)劃，如圖3 所示。

圖3 鋁合金車體車間數(shù)字化制造運營管理系統(tǒng)功能規(guī)劃

數(shù)字化MOM 系統(tǒng)圍繞工位制、節(jié)拍化、拉動式生產(chǎn)模式建立制造全過程管理信息系統(tǒng)，以工位單元為核心，實現(xiàn)信息能快速獲取、計劃能適時下達、物料能按時配送、過程能實時監(jiān)控、特殊要求能提示、問題能及時暴露、數(shù)據(jù)能實時采集和流程能閉環(huán)管理，與上游系統(tǒng)緊密集成，形成基于工位制的管理信息體系，形成工位制為核心的生產(chǎn)制造和質(zhì)量的閉環(huán)管理。

針對焊接、加工等生產(chǎn)線的特點，在MOM 的框架范圍內(nèi)開發(fā)實施相應(yīng)的焊接生產(chǎn)線MES、加工生產(chǎn)線MES，在關(guān)鍵的局部環(huán)節(jié)實現(xiàn)加工設(shè)備與制造管理系統(tǒng)的緊密集成，使制造數(shù)據(jù)得以上下貫通[9]。焊接生產(chǎn)線MES：通過對機器人焊機與手工焊機形成聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建焊機與人、焊機與焊機、焊機與管理平臺之間的信息通信環(huán)境。加工生產(chǎn)線MES：對加工機床進行聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)排版套料、板材余料、加工程序、加工仿真驗證、加工過程和機床狀態(tài)監(jiān)控等現(xiàn)場加工管理，實現(xiàn)MOM 生產(chǎn)訂單的有效執(zhí)行、生產(chǎn)采集數(shù)據(jù)的有效傳遞等系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理，為數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)提供系統(tǒng)支撐。

2.3 數(shù)字化柔性生產(chǎn)線

2.3.1 功能介紹

數(shù)字化柔性生產(chǎn)線是以工業(yè)機器人、柔性可重構(gòu)工裝、自動化的數(shù)控連接設(shè)備、智能運載小車、數(shù)字化的測量檢驗設(shè)備和信息化的集成管理平臺構(gòu)成。

針對鋁合金車體具有型號多、批量少的特點，生產(chǎn)線需要在一般機械產(chǎn)品生產(chǎn)線的特點的基礎(chǔ)上具有一定的柔性功能，同一生產(chǎn)線既能用于同型號同批次，又能適用同型號改進改型系列產(chǎn)品生產(chǎn)，還可以直接適用不同產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而滿足了生產(chǎn)線對產(chǎn)品產(chǎn)量的要求。

2.3.2 實施方案與關(guān)鍵技術(shù)

鋁合金車體車間主要是完成鋁合金車體次部件、大部件的焊接、加工以及車體總成的焊接、加工等工作。結(jié)合軌道車輛鋁合金車體小批量、多品種的生產(chǎn)特點，重點提升車體生產(chǎn)線的柔性化水平。

車間組建次部件、底架、側(cè)墻、端墻、車頂、總成組焊5 條生產(chǎn)線，數(shù)字化柔性生產(chǎn)線的構(gòu)建主要包括以下內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)：

（1）自動化生產(chǎn)線模塊化可重構(gòu)技術(shù)。生產(chǎn)線通過先進的連接設(shè)備及技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線的快速調(diào)整及重構(gòu)。

（2）數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)。實現(xiàn)工裝快速響應(yīng)，快速重構(gòu)以及數(shù)字化定位，保證裝配質(zhì)量和效率。

（3）數(shù)字化測量檢驗系統(tǒng)。實現(xiàn)裝配過程中的精確測量和協(xié)調(diào)裝配，裝配完成后的精確檢驗，生產(chǎn)線各工序均配置數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、工具與生產(chǎn)線MRP、MES、MOM 系統(tǒng)的集成。

（4）數(shù)字化生產(chǎn)線輔助裝備及管理。建立數(shù)字化柔性生產(chǎn)線集成管理系統(tǒng)，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計、工藝、裝配、焊接、打磨、檢驗和現(xiàn)場管理等各生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息的高度集成和移動生產(chǎn)線的自動配送物流管理。

2.4 大數(shù)據(jù)分析平臺

2.4.1 功能介紹

鋁合金車體車間以企業(yè)明確用戶需求為前提、以數(shù)據(jù)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)、以業(yè)務(wù)價值為標尺、以分析技術(shù)為手段，針對具體的業(yè)務(wù)問題，制定個性化的數(shù)據(jù)分析解決方案，主要功能模塊有：設(shè)備基礎(chǔ)信息管理，設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)測，設(shè)備參數(shù)預警，工藝程序庫，歷史數(shù)據(jù)查詢分析和專家經(jīng)驗知識庫等。

2.4.2 實施方案與關(guān)鍵技術(shù)

大數(shù)據(jù)分析平臺通過信息技術(shù)手段收集生產(chǎn)經(jīng)營中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、進度、指標、異常等數(shù)據(jù)，采用數(shù)字仿真模型、大數(shù)據(jù)分析等手段提供關(guān)鍵指標、管理預警、優(yōu)化建議等決策依據(jù)和解決方案仿真，通過圖形化和三維技術(shù)展示，形成真實工廠的數(shù)字映像，可使用電子看板、移動設(shè)備等顯示載體，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)可提高數(shù)據(jù)分析的效率及準確性[10]。大數(shù)據(jù)平臺需具備以下關(guān)鍵能力：

（1）強大的數(shù)據(jù)獲取能力；

（2）數(shù)據(jù)加載與轉(zhuǎn)換；

（3）數(shù)據(jù)倉庫架構(gòu)與存儲；

（4）數(shù)據(jù)建模模板；

（5）系統(tǒng)擴展實現(xiàn)智能排產(chǎn)。

3 預計效果

通過對鋁合金車體數(shù)字化車間總體構(gòu)架和關(guān)鍵技術(shù)的運用，將實現(xiàn)鋁合金車體制造過程智能化、精益化、高效化、數(shù)字化，實現(xiàn)技術(shù)信息、物流信息、生產(chǎn)指令直達工位，保證數(shù)據(jù)高效無損傳達；通過底層傳感技術(shù)突破和應(yīng)用，實現(xiàn)95%以上設(shè)計、生產(chǎn)、質(zhì)量、資源、人力等數(shù)據(jù)的自動采集，提高工程數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)貫通化、透明化、真實化。

通過測算，數(shù)字化車間實施后可實現(xiàn)“二升三降”的提質(zhì)增效目標：即生產(chǎn)效率提高約20%；能源利用率提高10%以上；運營成本降低大于20%；產(chǎn)品研制周期縮短約30%；產(chǎn)品不良率降低超過20%。

4 結(jié)束語

數(shù)字化車間是自動化和信息化融合的必然產(chǎn)物，是企業(yè)實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。本文提出鋁合金車體數(shù)字化車間的構(gòu)建思路：以標準化生產(chǎn)線和工位為對象，構(gòu)建了數(shù)字化車間總體構(gòu)架，分別對產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、制造運行管理、數(shù)字化柔性生產(chǎn)線、大數(shù)據(jù)協(xié)同管理平臺等關(guān)鍵技術(shù)提出數(shù)字化功能需求?；ヂ?lián)、集成、協(xié)同的數(shù)字化車間將實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)、質(zhì)量、資源、人力等數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)流程自動采集和反饋，從而達到充分優(yōu)化配置資源、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目標，為企業(yè)增強核心競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力提供保障。