軌道車輛鋁合金車體數字化車間關鍵技術研究

章 斌

（中鐵華鐵工程設計集團有限公司 軌道交通設計院，北京 100071）

加快發展智能制造，對于推進我國制造業供給側結構性改革，培育經濟增長新動能，構建新型制造體系，促進制造業向中高端邁進、實現制造強國具有重要意義[1-2]。

數字化車間是實現智能制造的重要引擎，將人、機、法、料、環、測的數據連接起來，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，從而實現成本、質量的全壽命周期管理，實現產品的透明、快速生產制造。智能制造和數字化車間建設在我國尚處于探索期，軌道車輛的智能制造可提升業務集成和信息交互，提升產品設計、工藝開發、生產制造、質量控制以及企業管理的數字化水平[3-4]。

通過對鋁合金車體制造現狀深入調研，發現其業務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備提高制造過程的生產效率，打造數字化車間是解決實際問題和提升生產工藝和管理水平的有力保障。

1 鋁合金車體數字化車間構建的總體方案

數字化車間作為智能制造實現的基礎載體，是邁向智能制造不可跨越的基石。結合對鋁合金車體制造的普遍問題和業務流程、管理模式研究分析，按照層次結構設計，提出構建鋁合金車體數字化車間的總體構架和各應用層業務流程的功能要求[5]。

1.1 總體架構

鋁合金車體車間以車間標準化生產線和節拍化生產工位為基礎，按照業務流程優化（精益管理、大技術體系、大質量體系）和生產線自動化、網絡化、智能化升級為手段，通過信息化建設，實現鋁合金車體的數字化研發、數字化制造和數字化運營管理，實現產品制造的高效率、低成本、高質量[6]。

車間結合制造過程的業務流程需求分析和整體規劃，構建鋁合金車體數字化車間總體架構，如圖1所示。車間部分整體規劃分為4 個層級，即以數據分析為代表的分析決策層、以數字化產品設計協同平臺為代表的業務管理層、以數字化制造運營管理（MOM，Manufacturing Operation Management）系統為代表的制造執行層和以車體制造數字化生產線建設為代表的設備及控制系統層。

圖1 鋁合金車體數字化車間總體架構示意

1.2 業務流程

1.2.1 設備及控制系統層

設備及控制系統層是落實企業數字化、智能化制造效果的實際承擔者，是數字化車間建設的最終呈現端，是建立數字化車間的關鍵因素。通過智能化生產線的打造使鋁合金車體生產的各類設備能夠統一聯網管控，實現數據傳輸高效準確。設備及控制系統層通過與供應鏈協同信息系統的對接，與上游供應商在數據、信息及業務流程上緊密集成，增強企業對供應鏈的控制能力。

1.2.2 制造執行層

制造執行層打通了業務管理層與車間執行層之間的信息斷層，實現企業車間現場信息系統、設計工藝系統與上層管理系統的集成，使數據和業務能順暢流轉，將數據流和業務流延伸至設備端，保障生產數據高效無損執行，是企業實現管理技術網絡化、智能化，成為向智能制造發展的基礎。

1.2.3 業務管理層

通過集成與優化企業已經建立的企業資源計劃（ERP，Enterprise Resource Planning）、產品生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）、OA等管理信息系統，有效地指導工廠的生產運作過程。建立設計開發協同設計平臺和供應鏈協同管理平臺，整合公司、供應商的資源，將推進模塊化設計和全模型設計進度，為鋁合金車體車間數字化制造奠定數據基礎。

1.2.4 分析決策層

打通上下游信息化系統的數據通道，實現數據在各信息化系統之間的順暢傳遞，保證業務管理層和業務管理層收集到的信息能夠從不同維度進行統計、分析，形成各類統計分析報表，供不同管理維度的企業管理者可基于數據分析做出對企業現狀最有利的決策。

2 重點攻關方向和關鍵技術

鋁合金車體數字化車間是基于鋁合金車體制造的業務流和信息流的融合，實現從產品設計到制造運營，再到生產線（焊接、加工）直達底層設備的全過程技術數據交互，重點對產品設計協同平臺、制造運營管理平臺、柔性生產線及大數據分析平臺等關鍵技術進行重點研究。

2.1 數字化產品設計協同平臺

2.1.1 功能介紹

數字化研發是實現數字化車間的第一步。數字化產品設計協同平臺是基于提高標準化、模塊化產品研發能力和完善工藝仿真驗證能力，提升系統內、外部協同水平，為產品研發和工藝設計全面推進數字化設計提供基礎保障；產品研發設計流程與設計輸出，對應的工藝設計流程與工藝輸出，通過信息系統對工藝設計方法和工藝設計流程進行固化，實現工藝設計與產品設計對接，達到工藝設計規范，流程順暢。數字化產品設計協同平臺架構，如圖2所示。

圖2 數字化產品設計協同平臺架構

2.1.2 實施方案與關鍵技術

數字化產品設計協同平臺實現了產品研發設計和工藝設計兩大環節完全融合，通過對外集成接口實現與ERP、制造企業生產過程執行系統（MES）進行業務數據及時有效地傳遞，形成設計與生產數據的閉環。

數字化產品設計協同平臺的搭建應具備以下關鍵要點。

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

（2）為了提升工藝仿真驗證能力，應用機器學習，將領域知識引入到仿真優化系統中，擴充三維加工仿真及驗證能力，形成適合生產業務特點的加工仿真驗證系統，在虛擬制造環境中進行規劃、仿真和模擬，對產品工藝及加工方案的可制造性進行預測和評價。逐步融合現實生產環境，通過虛擬驗證指導實際生產。

（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）技術在研發策劃、工藝方案階段的方法應用，以解決工程設計過程中數據種類雜、共享差、交互少、無關聯以及技術人員無法直接使用三維設計模型進行產品的工藝設計、指導生產等問題，為實現MBD 的一體化技術及甩掉二維工程圖實現三維模型下車間奠定基礎。

從模型定義、模塊化設計、工藝仿真驗證到管理平臺的數字化產品設計協同平臺，改變了研制流程、研制方法和鋁合金車體的研發模式[7]，提高產品研發工作效率和設計質量，為后序的數字化制造運營管理平臺提供必要的數字化產品數據。

2.2 數字化MOM 系統

2.2.1 功能介紹

數字化MOM 系統是計算機軟硬件、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、網絡技術和數據庫技術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，實現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 實施方案與關鍵技術

針對軌道車輛產品結構復雜，小批量，多品種的行業特點，鋁合金車體車間的數字化制造運營管理系統以圍繞制造過程所需要的計劃排程、技術數據、物流供應、質量控制，以及設備資源等業務信息和數據，以標準化、規范化和流程化的載體，以快捷、準確的方式在各業務之間傳遞為目標[8]，對主要涉及到軟件集成、計劃接口、工藝接口、變更、調度、倉庫、物流、生產、質量、人工/工時、管控中心、業務支持和設備集成等11 個功能領域（細分為68 個子功能）進行分析和規劃，詳細定義各功能領域內部的主要功能及各功能之間的信息流，實現制造過程信息流的數字化和可視化。鋁合金車體車間數字化制造運營管理系統功能規劃，如圖3 所示。

圖3 鋁合金車體車間數字化制造運營管理系統功能規劃

數字化MOM 系統圍繞工位制、節拍化、拉動式生產模式建立制造全過程管理信息系統，以工位單元為核心，實現信息能快速獲取、計劃能適時下達、物料能按時配送、過程能實時監控、特殊要求能提示、問題能及時暴露、數據能實時采集和流程能閉環管理，與上游系統緊密集成，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制造和質量的閉環管理。

針對焊接、加工等生產線的特點，在MOM 的框架范圍內開發實施相應的焊接生產線MES、加工生產線MES，在關鍵的局部環節實現加工設備與制造管理系統的緊密集成，使制造數據得以上下貫通[9]。焊接生產線MES：通過對機器人焊機與手工焊機形成聯網，構建焊機與人、焊機與焊機、焊機與管理平臺之間的信息通信環境。加工生產線MES：對加工機床進行聯網控制，實現排版套料、板材余料、加工程序、加工仿真驗證、加工過程和機床狀態監控等現場加工管理，實現MOM 生產訂單的有效執行、生產采集數據的有效傳遞等系統數據管理，為數字化生產線建設提供系統支撐。

2.3 數字化柔性生產線

2.3.1 功能介紹

數字化柔性生產線是以工業機器人、柔性可重構工裝、自動化的數控連接設備、智能運載小車、數字化的測量檢驗設備和信息化的集成管理平臺構成。

針對鋁合金車體具有型號多、批量少的特點，生產線需要在一般機械產品生產線的特點的基礎上具有一定的柔性功能，同一生產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品生產，還可以直接適用不同產品的生產，從而滿足了生產線對產品產量的要求。

2.3.2 實施方案與關鍵技術

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。結合軌道車輛鋁合金車體小批量、多品種的生產特點，重點提升車體生產線的柔性化水平。

車間組建次部件、底架、側墻、端墻、車頂、總成組焊5 條生產線，數字化柔性生產線的構建主要包括以下內容和關鍵技術：

（1）自動化生產線模塊化可重構技術。生產線通過先進的連接設備及技術，實現生產過程的自動化，能夠實現生產線的快速調整及重構。

（2）數字化柔性工裝系統。實現工裝快速響應，快速重構以及數字化定位，保證裝配質量和效率。

（3）數字化測量檢驗系統。實現裝配過程中的精確測量和協調裝配，裝配完成后的精確檢驗，生產線各工序均配置數據采集與分析系統，實現生產設備、工具與生產線MRP、MES、MOM 系統的集成。

（4）數字化生產線輔助裝備及管理。建立數字化柔性生產線集成管理系統，實現從產品設計、工藝、裝配、焊接、打磨、檢驗和現場管理等各生產環節信息的高度集成和移動生產線的自動配送物流管理。

2.4 大數據分析平臺

2.4.1 功能介紹

鋁合金車體車間以企業明確用戶需求為前提、以數據現狀為基礎、以業務價值為標尺、以分析技術為手段，針對具體的業務問題，制定個性化的數據分析解決方案，主要功能模塊有：設備基礎信息管理，設備實時狀態監測，設備參數預警，工藝程序庫，歷史數據查詢分析和專家經驗知識庫等。

2.4.2 實施方案與關鍵技術

大數據分析平臺通過信息技術手段收集生產經營中產生的數據、狀態、進度、指標、異常等數據，采用數字仿真模型、大數據分析等手段提供關鍵指標、管理預警、優化建議等決策依據和解決方案仿真，通過圖形化和三維技術展示，形成真實工廠的數字映像，可使用電子看板、移動設備等顯示載體，大數據處理技術可提高數據分析的效率及準確性[10]。大數據平臺需具備以下關鍵能力：

（1）強大的數據獲取能力；

（2）數據加載與轉換；

（3）數據倉庫架構與存儲；

（4）數據建模模板；

（5）系統擴展實現智能排產。

3 預計效果

通過對鋁合金車體數字化車間總體構架和關鍵技術的運用，將實現鋁合金車體制造過程智能化、精益化、高效化、數字化，實現技術信息、物流信息、生產指令直達工位，保證數據高效無損傳達；通過底層傳感技術突破和應用，實現95%以上設計、生產、質量、資源、人力等數據的自動采集，提高工程數據與業務管理數據貫通化、透明化、真實化。

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

4 結束語

數字化車間是自動化和信息化融合的必然產物，是企業實現智能制造的基礎。本文提出鋁合金車體數字化車間的構建思路：以標準化生產線和工位為對象，構建了數字化車間總體構架，分別對產品設計研發、制造運行管理、數字化柔性生產線、大數據協同管理平臺等關鍵技術提出數字化功能需求。互聯、集成、協同的數字化車間將實現設計、生產、質量、資源、人力等數據按照業務流程自動采集和反饋，從而達到充分優化配置資源、縮短產品研發周期、提高生產效率和產品質量、降低生產成本的目標，為企業增強核心競爭力和可持續發展能力提供保障。