轨道车辆铝合金车体数字化车间关键技术研究

章 斌

（中铁华铁工程设计集团有限公司 轨道交通设计院，北京 100071）

加快发展智能制造，对于推进我国制造业供给侧结构性改革，培育经济增长新动能，构建新型制造体系，促进制造业向中高端迈进、实现制造强国具有重要意义[1-2]。

数字化车间是实现智能制造的重要引擎，将人、机、法、料、环、测的数据连接起来，多维度融合，把制造自动化扩展到柔性化、智能化和高度集成化，从而实现成本、质量的全寿命周期管理，实现产品的透明、快速生产制造。智能制造和数字化车间建设在我国尚处于探索期，轨道车辆的智能制造可提升业务集成和信息交互，提升产品设计、工艺开发、生产制造、质量控制以及企业管理的数字化水平[3-4]。

通过对铝合金车体制造现状深入调研，发现其业务流程存在自动化孤岛和信息化孤岛的问题，急需采用先进的管理方法和制造设备提高制造过程的生产效率，打造数字化车间是解决实际问题和提升生产工艺和管理水平的有力保障。

1 铝合金车体数字化车间构建的总体方案

数字化车间作为智能制造实现的基础载体，是迈向智能制造不可跨越的基石。结合对铝合金车体制造的普遍问题和业务流程、管理模式研究分析，按照层次结构设计，提出构建铝合金车体数字化车间的总体构架和各应用层业务流程的功能要求[5]。

1.1 总体架构

铝合金车体车间以车间标准化生产线和节拍化生产工位为基础，按照业务流程优化（精益管理、大技术体系、大质量体系）和生产线自动化、网络化、智能化升级为手段，通过信息化建设，实现铝合金车体的数字化研发、数字化制造和数字化运营管理，实现产品制造的高效率、低成本、高质量[6]。

车间结合制造过程的业务流程需求分析和整体规划，构建铝合金车体数字化车间总体架构，如图1所示。车间部分整体规划分为4 个层级，即以数据分析为代表的分析决策层、以数字化产品设计协同平台为代表的业务管理层、以数字化制造运营管理（MOM，Manufacturing Operation Management）系统为代表的制造执行层和以车体制造数字化生产线建设为代表的设备及控制系统层。

图1 铝合金车体数字化车间总体架构示意

1.2 业务流程

1.2.1 设备及控制系统层

设备及控制系统层是落实企业数字化、智能化制造效果的实际承担者，是数字化车间建设的最终呈现端，是建立数字化车间的关键因素。通过智能化生产线的打造使铝合金车体生产的各类设备能够统一联网管控，实现数据传输高效准确。设备及控制系统层通过与供应链协同信息系统的对接，与上游供应商在数据、信息及业务流程上紧密集成，增强企业对供应链的控制能力。

1.2.2 制造执行层

制造执行层打通了业务管理层与车间执行层之间的信息断层，实现企业车间现场信息系统、设计工艺系统与上层管理系统的集成，使数据和业务能顺畅流转，将数据流和业务流延伸至设备端，保障生产数据高效无损执行，是企业实现管理技术网络化、智能化，成为向智能制造发展的基础。

1.2.3 业务管理层

通过集成与优化企业已经建立的企业资源计划（ERP，Enterprise Resource Planning）、产品生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）、OA等管理信息系统，有效地指导工厂的生产运作过程。建立设计开发协同设计平台和供应链协同管理平台，整合公司、供应商的资源，将推进模块化设计和全模型设计进度，为铝合金车体车间数字化制造奠定数据基础。

1.2.4 分析决策层

打通上下游信息化系统的数据通道，实现数据在各信息化系统之间的顺畅传递，保证业务管理层和业务管理层收集到的信息能够从不同维度进行统计、分析，形成各类统计分析报表，供不同管理维度的企业管理者可基于数据分析做出对企业现状最有利的决策。

2 重点攻关方向和关键技术

铝合金车体数字化车间是基于铝合金车体制造的业务流和信息流的融合，实现从产品设计到制造运营，再到生产线（焊接、加工）直达底层设备的全过程技术数据交互，重点对产品设计协同平台、制造运营管理平台、柔性生产线及大数据分析平台等关键技术进行重点研究。

2.1 数字化产品设计协同平台

2.1.1 功能介绍

数字化研发是实现数字化车间的第一步。数字化产品设计协同平台是基于提高标准化、模块化产品研发能力和完善工艺仿真验证能力，提升系统内、外部协同水平，为产品研发和工艺设计全面推进数字化设计提供基础保障；产品研发设计流程与设计输出，对应的工艺设计流程与工艺输出，通过信息系统对工艺设计方法和工艺设计流程进行固化，实现工艺设计与产品设计对接，达到工艺设计规范，流程顺畅。数字化产品设计协同平台架构，如图2所示。

图2 数字化产品设计协同平台架构

2.1.2 实施方案与关键技术

数字化产品设计协同平台实现了产品研发设计和工艺设计两大环节完全融合，通过对外集成接口实现与ERP、制造企业生产过程执行系统（MES）进行业务数据及时有效地传递，形成设计与生产数据的闭环。

数字化产品设计协同平台的搭建应具备以下关键要点。

（1）不断对前期项目中创建的大量各类标准件库、管路库等企业资源库进一步完善和整理，规范使用方法，建立更齐全的产品模型库。

（2）为了提升工艺仿真验证能力，应用机器学习，将领域知识引入到仿真优化系统中，扩充三维加工仿真及验证能力，形成适合生产业务特点的加工仿真验证系统，在虚拟制造环境中进行规划、仿真和模拟，对产品工艺及加工方案的可制造性进行预测和评价。逐步融合现实生产环境，通过虚拟验证指导实际生产。

（3）深入探索以铝合金车体部件为载体基于模型的定义（MBD，Model Based Definition）技术在研发策划、工艺方案阶段的方法应用，以解决工程设计过程中数据种类杂、共享差、交互少、无关联以及技术人员无法直接使用三维设计模型进行产品的工艺设计、指导生产等问题，为实现MBD 的一体化技术及甩掉二维工程图实现三维模型下车间奠定基础。

从模型定义、模块化设计、工艺仿真验证到管理平台的数字化产品设计协同平台，改变了研制流程、研制方法和铝合金车体的研发模式[7]，提高产品研发工作效率和设计质量，为后序的数字化制造运营管理平台提供必要的数字化产品数据。

2.2 数字化MOM 系统

2.2.1 功能介绍

数字化MOM 系统是计算机软硬件、制造运营管理与制造运营过程的集成。利用计算机软件技术、网络技术和数据库技术将先进的制造运营管理理念和制造运营管理过程进行固化，形成标准、通用、自动进行制造运营管理的软件系统，实现功能性软件集成的软件框架，主要包括物料需求计划（MRP，Material Requirements Planning）、制造资源计划（MRPⅡ）、ERP、MES。

2.2.2 实施方案与关键技术

针对轨道车辆产品结构复杂，小批量，多品种的行业特点，铝合金车体车间的数字化制造运营管理系统以围绕制造过程所需要的计划排程、技术数据、物流供应、质量控制，以及设备资源等业务信息和数据，以标准化、规范化和流程化的载体，以快捷、准确的方式在各业务之间传递为目标[8]，对主要涉及到软件集成、计划接口、工艺接口、变更、调度、仓库、物流、生产、质量、人工/工时、管控中心、业务支持和设备集成等11 个功能领域（细分为68 个子功能）进行分析和规划，详细定义各功能领域内部的主要功能及各功能之间的信息流，实现制造过程信息流的数字化和可视化。铝合金车体车间数字化制造运营管理系统功能规划，如图3 所示。

图3 铝合金车体车间数字化制造运营管理系统功能规划

数字化MOM 系统围绕工位制、节拍化、拉动式生产模式建立制造全过程管理信息系统，以工位单元为核心，实现信息能快速获取、计划能适时下达、物料能按时配送、过程能实时监控、特殊要求能提示、问题能及时暴露、数据能实时采集和流程能闭环管理，与上游系统紧密集成，形成基于工位制的管理信息体系，形成工位制为核心的生产制造和质量的闭环管理。

针对焊接、加工等生产线的特点，在MOM 的框架范围内开发实施相应的焊接生产线MES、加工生产线MES，在关键的局部环节实现加工设备与制造管理系统的紧密集成，使制造数据得以上下贯通[9]。焊接生产线MES：通过对机器人焊机与手工焊机形成联网，构建焊机与人、焊机与焊机、焊机与管理平台之间的信息通信环境。加工生产线MES：对加工机床进行联网控制，实现排版套料、板材余料、加工程序、加工仿真验证、加工过程和机床状态监控等现场加工管理，实现MOM 生产订单的有效执行、生产采集数据的有效传递等系统数据管理，为数字化生产线建设提供系统支撑。

2.3 数字化柔性生产线

2.3.1 功能介绍

数字化柔性生产线是以工业机器人、柔性可重构工装、自动化的数控连接设备、智能运载小车、数字化的测量检验设备和信息化的集成管理平台构成。

针对铝合金车体具有型号多、批量少的特点，生产线需要在一般机械产品生产线的特点的基础上具有一定的柔性功能，同一生产线既能用于同型号同批次，又能适用同型号改进改型系列产品生产，还可以直接适用不同产品的生产，从而满足了生产线对产品产量的要求。

2.3.2 实施方案与关键技术

铝合金车体车间主要是完成铝合金车体次部件、大部件的焊接、加工以及车体总成的焊接、加工等工作。结合轨道车辆铝合金车体小批量、多品种的生产特点，重点提升车体生产线的柔性化水平。

车间组建次部件、底架、侧墙、端墙、车顶、总成组焊5 条生产线，数字化柔性生产线的构建主要包括以下内容和关键技术：

（1）自动化生产线模块化可重构技术。生产线通过先进的连接设备及技术，实现生产过程的自动化，能够实现生产线的快速调整及重构。

（2）数字化柔性工装系统。实现工装快速响应，快速重构以及数字化定位，保证装配质量和效率。

（3）数字化测量检验系统。实现装配过程中的精确测量和协调装配，装配完成后的精确检验，生产线各工序均配置数据采集与分析系统，实现生产设备、工具与生产线MRP、MES、MOM 系统的集成。

（4）数字化生产线辅助装备及管理。建立数字化柔性生产线集成管理系统，实现从产品设计、工艺、装配、焊接、打磨、检验和现场管理等各生产环节信息的高度集成和移动生产线的自动配送物流管理。

2.4 大数据分析平台

2.4.1 功能介绍

铝合金车体车间以企业明确用户需求为前提、以数据现状为基础、以业务价值为标尺、以分析技术为手段，针对具体的业务问题，制定个性化的数据分析解决方案，主要功能模块有：设备基础信息管理，设备实时状态监测，设备参数预警，工艺程序库，历史数据查询分析和专家经验知识库等。

2.4.2 实施方案与关键技术

大数据分析平台通过信息技术手段收集生产经营中产生的数据、状态、进度、指标、异常等数据，采用数字仿真模型、大数据分析等手段提供关键指标、管理预警、优化建议等决策依据和解决方案仿真，通过图形化和三维技术展示，形成真实工厂的数字映像，可使用电子看板、移动设备等显示载体，大数据处理技术可提高数据分析的效率及准确性[10]。大数据平台需具备以下关键能力：

（1）强大的数据获取能力；

（2）数据加载与转换；

（3）数据仓库架构与存储；

（4）数据建模模板；

（5）系统扩展实现智能排产。

3 预计效果

通过对铝合金车体数字化车间总体构架和关键技术的运用，将实现铝合金车体制造过程智能化、精益化、高效化、数字化，实现技术信息、物流信息、生产指令直达工位，保证数据高效无损传达；通过底层传感技术突破和应用，实现95%以上设计、生产、质量、资源、人力等数据的自动采集，提高工程数据与业务管理数据贯通化、透明化、真实化。

通过测算，数字化车间实施后可实现“二升三降”的提质增效目标：即生产效率提高约20%；能源利用率提高10%以上；运营成本降低大于20%；产品研制周期缩短约30%；产品不良率降低超过20%。

4 结束语

数字化车间是自动化和信息化融合的必然产物，是企业实现智能制造的基础。本文提出铝合金车体数字化车间的构建思路：以标准化生产线和工位为对象，构建了数字化车间总体构架，分别对产品设计研发、制造运行管理、数字化柔性生产线、大数据协同管理平台等关键技术提出数字化功能需求。互联、集成、协同的数字化车间将实现设计、生产、质量、资源、人力等数据按照业务流程自动采集和反馈，从而达到充分优化配置资源、缩短产品研发周期、提高生产效率和产品质量、降低生产成本的目标，为企业增强核心竞争力和可持续发展能力提供保障。