基于5G技術的轉向架組裝數字化產線建設方案研究

朱志民,張鵬,李立，岳彩昂

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

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

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

1 生產線現狀分析

1.1 轉向架組裝及其工藝概述

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

圖1 轉向架組裝工藝流程簡圖

1.2 組裝過程中遇到的問題

浦鎮公司轉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象，嚴重的干擾了精益管理的數據基礎.

1.2.2 物料配送頻繁出現異常

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

1.2.3 工藝指導書改善空間大

生產過程依據紙質非結構化工藝，未細化到具體指令，跨項目文件借用和多層借用現象普遍存在.車間發現現場的作業文件多而全，但是在現場發生作業內容變動時，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，與實際生產作業情況出入較大.

1.2.4 異常處理的影響生產節拍

由于工位生產項目多，異常問題出現比較頻繁，工位的安東燈在作業時間內基本處于拉動狀態，而無法準確識別異常的等級.在發生異常之后，等待時間過長造成流水線節拍中斷.

1.2.5 質量過程管控存在風險

在質量過程的檢查中，頻繁暴露出管控風險，如：組裝操作順序是否按照工藝規范執行不可控；手動扭力扳手無法進行數據采集，不便于后期持續改進；關鍵物料信息未與轉向架總成綁定，不便于后期產品追溯和實現全生命周期管理.

2 數字化產線研究思路分析

2.1 項目研究思路與目標

為解決組裝流水線的痛點問題，中車數字公司在現場調研的基礎上，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，結合最新的5G技術、信息化技術和現代制造技術，在中車數字既有產品解決方案基礎上，打造基于5G技術及6621精益管理體系的中車第一條標桿數字化產線，創建中車6621精益數字平臺.

圖2 轉向架數字化流水線的打造思路示意圖

2.1.1 數字化產線致力于解決的問題

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

(1)數字化工藝如何指導驅動產線生產過程;

(2)數字化生產計劃如何調度現場生產和物流;

(3)制造過程如何保證透明可控(如計劃兌現、工藝控制、過程數據記錄);

(4)數字化車間支撐性管控(異常管理、人員資質、設備TPM、環境、安全等).

2.1.2 數字化產線建設的目標

數字化產線的建設，是一個系統工程，需要一個循序漸進的工程，應該達到以下的一些目標：

(1)建立精益數字平臺，充分發揮數據的核心價值作用，使用數據促進精益改善，支持管理決策；

(2)力爭實現設計、工藝一體化的可制造性設計，縮短設計到制造的周期；

(3)全面深入應用數字工藝平臺，實現工藝設計數字化；

(4)升級精益制造MES、QMIS及物流MES系統，實現產線全面數字化；

(5)充分應用5G技術，挖掘5G+工業的應用價值及潛力；

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

2.2 數字孿生技術及數字化車間打造

在打造數字化產線的過程中，數字孿生車間是一個非常好的工具.數字孿生車間是數字化車間的模擬，它對數據的唯一性、及時性和自動化管控都創造了條件，能夠把與車間相關的業務，在孤島式的信息系統之間進行數據共享，對生產制造的全過程進行仿真、監控和反饋，幫助實現車間精益管理提升[2].

建立了數字化孿生車間，開工前就可以在數字化平臺上進行仿真模擬.仿真的內容可以包含：物料的配送路線、現場的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，從而為現場七大任務的管理和提升提供依據.

2.3 應用5G技術挖掘工業應用價值

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：如5G標準化進程的影響、頻譜授權和運營商模型的影響、安全性影響[3]，但是5G 一旦實現工業領域應用，將成為支撐智能制造轉型的關鍵使能技術，5G 將分布廣泛、零散的人、機器和設備全部連接起來，構建統一的互聯網絡，幫助制造企業擺脫以往無線網絡技術較為混亂的應用狀態，推動制造企業邁向“萬物互聯、萬物可控”的智能制造成熟階段[4].目前浦鎮公司所有工作區域，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，實現以下功能：

(1)利用5G技術取代WiFi，通過更高的數據速度和更高的可靠性，保障公司生產力的最大發揮；

(2)對公司現有設備的位置、狀態、運行參數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)采用混合現實或增強現實技術的實現過程作業引導、遠程協作、遠程控制，保證關鍵過程質量，減少關鍵技術人員的非價值活動，如復雜組裝、復雜調試、故障排除過程；

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

(5)通過5G定位芯片，實現物料、產品、車輛的定位；

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

3 項目實施相關策劃和實施

3.1 對內部進行流程升級

通過系統間集成，將創建的產品制造工藝與制造MES系統集成，實現作業過程的引導，提高產品的裝配和維護效率，使之更加適合操作規范的要求，見圖3所示.

圖3 設計工藝制造流程升級示意圖

3.1.1 可制造性設計優化

以DFM平臺與數字工藝平臺相結合，以動作編碼為紐帶，實現設計工藝一體化，如利用DELMIA系統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)和動作編碼實現三維工藝和動作輸出，增加工藝三維顯示等功能，從提高產品的可制造性入手，縮短產品設計周期，提高設計效率，降低成本.

3.1.2 工藝數字平臺優化

學習精益生產的先進管理模式，結合數字化、智能化以及信息化的管理手段，是裝備制造企業工藝管理工作未來的發展方向[8].通過整合產品數據及設計信息，以設計BOM數據為基礎進行，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現有MES產品的升級功能，規范工藝工作流程，分角色管理從工藝策劃到工藝執行的所有數據.與浦鎮工藝管理，尤其是變更過程跟蹤相關的管理流程，均可通過系統，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系統升級

通過精益制造MES為車間實現以下功能：

(1)智能輔助計劃排產至具體作業單元，可實時了解生產計劃的兌現情況；

(2)細化到作業具體單元的作業任務，及JIT形式的作業過程引導，保證產品質量；

(3)與智能硬件集成，實現對作業現場重要參數的柔性控制，實現對過程硬件數據采集；

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

(5)根據過程作業結果，自動觸發專檢任務，提高交檢效率；

(6)全員參與的生產現場異常拉動，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

企業內部物流管理優化是深化精益生產的需要.現代軌道車輛作為大型復雜高端裝備，生產物料系統對保障生產線實現平準化、均衡化生產至關重要，物流系統必須進行配套性變革，建設信息化的現代生產物流體系[9].通過分析轉向架車間物料存儲及物流周轉特點，實現精益物流MES升級，見圖4所示，實現以下功能：

(1)基于廠內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優化示意圖

3.1.5 質量管控QMIS升級

對現有QMIS系統進行優化提升，打通系統與MES、ERP的接口并實現QMIS系統內各模塊的互聯互通，在現場檢驗環節應用更多的智能檢驗量具，通過對現場大量質量檢驗數據的運用分析為質量管理改進提升工作提供方向，實現對數據的有效分析來驅動業務的目的.

3.2 C2201-6工位數字化產線示例

該工位是車間一個牽引電機安裝的工位，通過建立數字化產線，達到以下作業管控效果：

(1)進入工位-安全帽AI監控;

(2)通過刷臉設備登錄系統，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.MES系統直接驅動HTS 抗扭矩懸掛式智能扭力扳手進行電機安裝，系統自動采集實際扭力值和扭力曲線.

4 結論

(1)中車數字為浦鎮公司策劃的基于5G技術的轉向架組裝數字化產線建設方案，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，實現定員的優化、質量記錄的全過程追溯，強化產品制造過程的監控和管理，解決現場的難點和痛點，為產線升級提供了智能化解決方案;

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