基于5G技術的轉(zhuǎn)向架組裝數(shù)字化產(chǎn)線建設方案研究

朱志民,張鵬,李立，岳彩昂

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.江蘇中車數(shù)字科技有限公司，江蘇 南京 210031)*

在制造領域，5G 將支撐工業(yè)自動化控制、工業(yè)機器人、遠程操控工業(yè)設施等應用，有助于大幅提高生產(chǎn)力，減少人為錯誤，增加生產(chǎn)設施的靈活性，并降低成本[1].

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司(以下簡稱“浦鎮(zhèn)公司”)為提高流水線數(shù)字化、智能化水平，解決車間現(xiàn)場暴露出來的短板和不足，浦鎮(zhèn)公司與江蘇中車數(shù)字科技公司(以下簡稱“中車數(shù)字”)展開了基于5G技術的數(shù)字化制造平臺建設研究.

1 生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析

1.1 轉(zhuǎn)向架組裝及其工藝概述

本文以轉(zhuǎn)向架制造的數(shù)字化產(chǎn)線建設為研究目標，依托5G技術，以數(shù)字化、智能化為手段，以制造產(chǎn)線中存在的問題為導向，展開分析、討論，為進一步開展數(shù)字化產(chǎn)線建設提供方案.轉(zhuǎn)向架的組裝工藝流程簡圖見圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)向架組裝工藝流程簡圖

1.2 組裝過程中遇到的問題

浦鎮(zhèn)公司轉(zhuǎn)向架車間是中國中車二級精益車間，一共有3條組裝流水線，具備每天單班10輛車的制造產(chǎn)能.但是從智能制造的角度來看，流水線仍然存在著許多痛點問題.

1.2.1 表單、記錄管理難度大

公司在工位設計了15張基于質(zhì)量六要素的管理表單，在工位看板上進行目視化維護和管理.在實際運用過程中，往往出現(xiàn)工位長需要填寫的表單過多，而導致早填、不填或錯填，造成表單與實際情況不符的現(xiàn)象，嚴重的干擾了精益管理的數(shù)據(jù)基礎.

1.2.2 物料配送頻繁出現(xiàn)異常

在對現(xiàn)場異常進行統(tǒng)計分析時，屬于物料配送方面的異常往往占了一半以上.這些異常主要表現(xiàn)形式為：變更物料不及時，工位的物料包內(nèi)物料不準確，配送節(jié)拍和準時性差，大件物料現(xiàn)場拆箱、物料轉(zhuǎn)運工裝不足、物料交接不規(guī)范等.

1.2.3 工藝指導書改善空間大

生產(chǎn)過程依據(jù)紙質(zhì)非結(jié)構(gòu)化工藝，未細化到具體指令，跨項目文件借用和多層借用現(xiàn)象普遍存在.車間發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場的作業(yè)文件多而全，但是在現(xiàn)場發(fā)生作業(yè)內(nèi)容變動時，對于變更的管理不夠完善，對工位的工序推移圖不能及時更新，與實際生產(chǎn)作業(yè)情況出入較大.

1.2.4 異常處理的影響生產(chǎn)節(jié)拍

由于工位生產(chǎn)項目多，異常問題出現(xiàn)比較頻繁，工位的安東燈在作業(yè)時間內(nèi)基本處于拉動狀態(tài)，而無法準確識別異常的等級.在發(fā)生異常之后，等待時間過長造成流水線節(jié)拍中斷.

1.2.5 質(zhì)量過程管控存在風險

在質(zhì)量過程的檢查中，頻繁暴露出管控風險，如：組裝操作順序是否按照工藝規(guī)范執(zhí)行不可控；手動扭力扳手無法進行數(shù)據(jù)采集，不便于后期持續(xù)改進；關鍵物料信息未與轉(zhuǎn)向架總成綁定，不便于后期產(chǎn)品追溯和實現(xiàn)全生命周期管理.

2 數(shù)字化產(chǎn)線研究思路分析

2.1 項目研究思路與目標

為解決組裝流水線的痛點問題，中車數(shù)字公司在現(xiàn)場調(diào)研的基礎上，反復討論研究，形成了流水線升級的整體思路(見圖2所示)，即在中車6621精益管理體系指導下，結(jié)合最新的5G技術、信息化技術和現(xiàn)代制造技術，在中車數(shù)字既有產(chǎn)品解決方案基礎上，打造基于5G技術及6621精益管理體系的中車第一條標桿數(shù)字化產(chǎn)線，創(chuàng)建中車6621精益數(shù)字平臺.

圖2 轉(zhuǎn)向架數(shù)字化流水線的打造思路示意圖

2.1.1 數(shù)字化產(chǎn)線致力于解決的問題

在基于轉(zhuǎn)向架組裝過程中遇到問題解決的基礎上，進行數(shù)字化產(chǎn)線升級改造，致力于解決以下問題：

(1)數(shù)字化工藝如何指導驅(qū)動產(chǎn)線生產(chǎn)過程;

(2)數(shù)字化生產(chǎn)計劃如何調(diào)度現(xiàn)場生產(chǎn)和物流;

(3)制造過程如何保證透明可控(如計劃兌現(xiàn)、工藝控制、過程數(shù)據(jù)記錄);

(4)數(shù)字化車間支撐性管控(異常管理、人員資質(zhì)、設備TPM、環(huán)境、安全等).

2.1.2 數(shù)字化產(chǎn)線建設的目標

數(shù)字化產(chǎn)線的建設，是一個系統(tǒng)工程，需要一個循序漸進的工程，應該達到以下的一些目標：

(1)建立精益數(shù)字平臺，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的核心價值作用，使用數(shù)據(jù)促進精益改善，支持管理決策；

(2)力爭實現(xiàn)設計、工藝一體化的可制造性設計，縮短設計到制造的周期；

(3)全面深入應用數(shù)字工藝平臺，實現(xiàn)工藝設計數(shù)字化；

(4)升級精益制造MES、QMIS及物流MES系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)線全面數(shù)字化；

(5)充分應用5G技術，挖掘5G+工業(yè)的應用價值及潛力；

(6)應用智能穿戴、便攜裝備，探索應用場景，改善使用者體驗；應用智能生產(chǎn)裝備，體現(xiàn)MES的柔性和控制理念.

2.2 數(shù)字孿生技術及數(shù)字化車間打造

在打造數(shù)字化產(chǎn)線的過程中，數(shù)字孿生車間是一個非常好的工具.數(shù)字孿生車間是數(shù)字化車間的模擬，它對數(shù)據(jù)的唯一性、及時性和自動化管控都創(chuàng)造了條件，能夠把與車間相關的業(yè)務，在孤島式的信息系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)共享，對生產(chǎn)制造的全過程進行仿真、監(jiān)控和反饋，幫助實現(xiàn)車間精益管理提升[2].

建立了數(shù)字化孿生車間，開工前就可以在數(shù)字化平臺上進行仿真模擬.仿真的內(nèi)容可以包含：物料的配送路線、現(xiàn)場的5S定置、人機操作平臺的配合、操作過程的仿真、物料的齊套性、工位的山積圖和推移圖等，從而為現(xiàn)場七大任務的管理和提升提供依據(jù).

2.3 應用5G技術挖掘工業(yè)應用價值

雖然5G技術在智能制造領域的應用仍然存在著一系列挑戰(zhàn)：如5G標準化進程的影響、頻譜授權(quán)和運營商模型的影響、安全性影響[3]，但是5G 一旦實現(xiàn)工業(yè)領域應用，將成為支撐智能制造轉(zhuǎn)型的關鍵使能技術，5G 將分布廣泛、零散的人、機器和設備全部連接起來，構(gòu)建統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)絡，幫助制造企業(yè)擺脫以往無線網(wǎng)絡技術較為混亂的應用狀態(tài)，推動制造企業(yè)邁向“萬物互聯(lián)、萬物可控”的智能制造成熟階段[4].目前浦鎮(zhèn)公司所有工作區(qū)域，已率先全面部署5G基站.

本項目建設過程中，將應用5G技術挖掘工作應用場景及價值，實現(xiàn)以下功能：

(1)利用5G技術取代WiFi，通過更高的數(shù)據(jù)速度和更高的可靠性，保障公司生產(chǎn)力的最大發(fā)揮；

(2)對公司現(xiàn)有設備的位置、狀態(tài)、運行參數(shù)信息的實時采集及分析，進行預測和預防性維護，能夠大大降低設備維護的成本、提高運營的效率、減少庫存、合理安排停機和檢修[5]；

(3)采用混合現(xiàn)實或增強現(xiàn)實技術的實現(xiàn)過程作業(yè)引導、遠程協(xié)作、遠程控制，保證關鍵過程質(zhì)量，減少關鍵技術人員的非價值活動，如復雜組裝、復雜調(diào)試、故障排除過程；

(4)通過人機協(xié)作、機機協(xié)作，提高安全性和工作效率，如射線探傷操作、油漆噴涂作業(yè)、自動化設備等；

(5)通過5G定位芯片，實現(xiàn)物料、產(chǎn)品、車輛的定位；

(6)基于5G特性，可更多的應用和發(fā)揮云化服務、邊緣計算的作用，如云化AGV，SAAS化工業(yè)應用，自決策智能設備等.

3 項目實施相關策劃和實施

3.1 對內(nèi)部進行流程升級

通過系統(tǒng)間集成，將創(chuàng)建的產(chǎn)品制造工藝與制造MES系統(tǒng)集成，實現(xiàn)作業(yè)過程的引導，提高產(chǎn)品的裝配和維護效率，使之更加適合操作規(guī)范的要求，見圖3所示.

圖3 設計工藝制造流程升級示意圖

3.1.1 可制造性設計優(yōu)化

以DFM平臺與數(shù)字工藝平臺相結(jié)合，以動作編碼為紐帶，實現(xiàn)設計工藝一體化，如利用DELMIA系統(tǒng)進行了裝配工藝過程和人機工程的仿真驗證[6].同時，裝配工藝過程仿真能提前對裝配工藝進行預演，可進行碰撞干涉、人機工程分析，以優(yōu)化裝配工藝，并改善裝配線的物流效率，提高設備利用率和產(chǎn)能[7].將三維設計與工藝相鏈接，通過MBD技術(三維標注技術)和動作編碼實現(xiàn)三維工藝和動作輸出，增加工藝三維顯示等功能，從提高產(chǎn)品的可制造性入手，縮短產(chǎn)品設計周期，提高設計效率，降低成本.

3.1.2 工藝數(shù)字平臺優(yōu)化

學習精益生產(chǎn)的先進管理模式，結(jié)合數(shù)字化、智能化以及信息化的管理手段，是裝備制造企業(yè)工藝管理工作未來的發(fā)展方向[8].通過整合產(chǎn)品數(shù)據(jù)及設計信息，以設計BOM數(shù)據(jù)為基礎進行，進行全面工藝設計.整個工藝BOM、工藝路線策劃設計功能可作為浦鎮(zhèn)現(xiàn)有MES產(chǎn)品的升級功能，規(guī)范工藝工作流程，分角色管理從工藝策劃到工藝執(zhí)行的所有數(shù)據(jù).與浦鎮(zhèn)工藝管理，尤其是變更過程跟蹤相關的管理流程，均可通過系統(tǒng)，引導各部門進行過程中跟蹤確認、關閉完成.

3.1.3 智能制造MES系統(tǒng)升級

通過精益制造MES為車間實現(xiàn)以下功能：

(1)智能輔助計劃排產(chǎn)至具體作業(yè)單元，可實時了解生產(chǎn)計劃的兌現(xiàn)情況；

(2)細化到作業(yè)具體單元的作業(yè)任務，及JIT形式的作業(yè)過程引導，保證產(chǎn)品質(zhì)量；

(3)與智能硬件集成，實現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場重要參數(shù)的柔性控制，實現(xiàn)對過程硬件數(shù)據(jù)采集；

(4)支持作業(yè)過程的質(zhì)量信息錄入，自動與標準結(jié)果比對，可實時在多端實時查詢；

(5)根據(jù)過程作業(yè)結(jié)果，自動觸發(fā)專檢任務，提高交檢效率；

(6)全員參與的生產(chǎn)現(xiàn)場異常拉動，幫助異常問題的快速暴露，及時解決.

3.1.4 精益物流MES升級

企業(yè)內(nèi)部物流管理優(yōu)化是深化精益生產(chǎn)的需要.現(xiàn)代軌道車輛作為大型復雜高端裝備，生產(chǎn)物料系統(tǒng)對保障生產(chǎn)線實現(xiàn)平準化、均衡化生產(chǎn)至關重要，物流系統(tǒng)必須進行配套性變革，建設信息化的現(xiàn)代生產(chǎn)物流體系[9].通過分析轉(zhuǎn)向架車間物料存儲及物流周轉(zhuǎn)特點，實現(xiàn)精益物流MES升級，見圖4所示，實現(xiàn)以下功能：

(1)基于廠內(nèi)物流控制的全價值鏈設計;

(2)基于精益準時化的計劃管理;

(3)目視化的計劃節(jié)拍控制;

(4)物料出庫前精準齊套;

(5)實物流與信息流一致.

圖4 物流MES優(yōu)化示意圖

3.1.5 質(zhì)量管控QMIS升級

對現(xiàn)有QMIS系統(tǒng)進行優(yōu)化提升，打通系統(tǒng)與MES、ERP的接口并實現(xiàn)QMIS系統(tǒng)內(nèi)各模塊的互聯(lián)互通，在現(xiàn)場檢驗環(huán)節(jié)應用更多的智能檢驗量具，通過對現(xiàn)場大量質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)的運用分析為質(zhì)量管理改進提升工作提供方向，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效分析來驅(qū)動業(yè)務的目的.

3.2 C2201-6工位數(shù)字化產(chǎn)線示例

該工位是車間一個牽引電機安裝的工位，通過建立數(shù)字化產(chǎn)線，達到以下作業(yè)管控效果：

(1)進入工位-安全帽AI監(jiān)控;

(2)通過刷臉設備登錄系統(tǒng)，獲取準備計劃、物料，并進行設備工具點控;

(3)通過手持端掃描牽引電機二維碼，獲取其序列號等信息，系統(tǒng)自動核對該電機是否為當前工步所要求的物料；

(4)牽引電機安裝作業(yè).MES系統(tǒng)直接驅(qū)動HTS 抗扭矩懸掛式智能扭力扳手進行電機安裝，系統(tǒng)自動采集實際扭力值和扭力曲線.

4 結(jié)論

(1)中車數(shù)字為浦鎮(zhèn)公司策劃的基于5G技術的轉(zhuǎn)向架組裝數(shù)字化產(chǎn)線建設方案，能夠立足于精益制造平臺的升級，打通信息孤島，通過5G、AI等技術和手段，減少了人為的差錯，實現(xiàn)定員的優(yōu)化、質(zhì)量記錄的全過程追溯，強化產(chǎn)品制造過程的監(jiān)控和管理，解決現(xiàn)場的難點和痛點，為產(chǎn)線升級提供了智能化解決方案;

(2)數(shù)字化平臺和產(chǎn)線的升級，不僅僅是制造MES系統(tǒng)的優(yōu)化，更應該是從設計、工藝、采購、人事、質(zhì)量、成本、制造的多系統(tǒng)打通信息流，實現(xiàn)信息互聯(lián)互通、數(shù)字化服務和管控；同時產(chǎn)線數(shù)字化建設需要企業(yè)根據(jù)自身特點去逐步實施.對于不同行業(yè)、不同競爭格局、不同發(fā)展階段和能力的企業(yè)而言，建設智能化工廠的著重點和著手點也不盡相同，應根據(jù)自己的情況有的放矢、循序漸進，以更好的實現(xiàn)建設智能工廠的既定目標[10].