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(lǐng)域，5G 將支撐工業(yè)自動(dòng)化控制、工業(yè)機(jī)器人、遠(yuǎn)程操控工業(yè)設(shè)施等應(yīng)用，有助于大幅提高生產(chǎn)力，減少人為錯(cuò)誤，增加生產(chǎn)設(shè)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(jiǎn)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(chǎng)暴露出來(lái)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(jiǎn)稱“中車數(shù)字”)展開了基于5G技術(shù)的數(shù)字化制造平臺(tái)建設(shè)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(shè)為研究目標(biāo)，依托5G技術(shù)，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(dǎo)向，展開分析、討論，為進(jìn)一步開展數(shù)字化產(chǎn)線建設(shè)提供方案.轉(zhuǎn)向架的組裝工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)向架組裝工藝流程簡(jiǎn)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(guó)中車二級(jí)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(lái)看，流水線仍然存在著許多痛點(diǎn)問題.

1.2.1 表單、記錄管理難度大

公司在工位設(shè)計(jì)了15張基于質(zhì)量六要素的管理表單，在工位看板上進(jìn)行目視化維護(hù)和管理.在實(shí)際運(yùn)用過程中，往往出現(xiàn)工位長(zhǎng)需要填寫的表單過多，而導(dǎo)致早填、不填或錯(cuò)填，造成表單與實(shí)際情況不符的現(xiàn)象，嚴(yán)重的干擾了精益管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

1.2.2 物料配送頻繁出現(xiàn)異常

在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)異常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，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(shí)，工位的物料包內(nèi)物料不準(zhǔn)確，配送節(jié)拍和準(zhǔn)時(shí)性差，大件物料現(xiàn)場(chǎng)拆箱、物料轉(zhuǎn)運(yùn)工裝不足、物料交接不規(guī)范等.

1.2.3 工藝指導(dǎo)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(xì)化到具體指令，跨項(xiàng)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(chǎng)的作業(yè)文件多而全，但是在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生作業(yè)內(nèi)容變動(dòng)時(shí)，對(duì)于變更的管理不夠完善，對(duì)工位的工序推移圖不能及時(shí)更新，與實(shí)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(xiàng)目多，異常問題出現(xiàn)比較頻繁，工位的安東燈在作業(yè)時(shí)間內(nèi)基本處于拉動(dòng)狀態(tài)，而無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別異常的等級(jí).在發(fā)生異常之后，等待時(shí)間過長(zhǎng)造成流水線節(jié)拍中斷.

1.2.5 質(zhì)量過程管控存在風(fēng)險(xiǎn)

在質(zhì)量過程的檢查中，頻繁暴露出管控風(fēng)險(xiǎn)，如：組裝操作順序是否按照工藝規(guī)范執(zhí)行不可控；手動(dòng)扭力扳手無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不便于后期持續(xù)改進(jìn)；關(guān)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(shí)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(xiàng)目研究思路與目標(biāo)

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

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(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)字化產(chǎn)線升級(jí)改造，致力于解決以下問題：

(1)數(shù)字化工藝如何指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)線生產(chǎn)過程;

(2)數(shù)字化生產(chǎn)計(jì)劃如何調(diào)度現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和物流;

(3)制造過程如何保證透明可控(如計(jì)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(shè)備TPM、環(huán)境、安全等).

2.1.2 數(shù)字化產(chǎn)線建設(shè)的目標(biāo)

數(shù)字化產(chǎn)線的建設(shè)，是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要一個(gè)循序漸進(jìn)的工程，應(yīng)該達(dá)到以下的一些目標(biāo)：

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

(2)力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝一體化的可制造性設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)到制造的周期；

(3)全面深入應(yīng)用數(shù)字工藝平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)數(shù)字化；

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

(5)充分應(yīng)用5G技術(shù)，挖掘5G+工業(yè)的應(yīng)用價(jià)值及潛力；

(6)應(yīng)用智能穿戴、便攜裝備，探索應(yīng)用場(chǎng)景，改善使用者體驗(yàn)；應(yīng)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(shù)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(gè)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(duì)數(shù)據(jù)的唯一性、及時(shí)性和自動(dòng)化管控都創(chuàng)造了條件，能夠把與車間相關(guān)的業(yè)務(wù)，在孤島式的信息系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，對(duì)生產(chǎn)制造的全過程進(jìn)行仿真、監(jiān)控和反饋，幫助實(shí)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(tái)上進(jìn)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(chǎng)的5S定置、人機(jī)操作平臺(tái)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(chǎng)七大任務(wù)的管理和提升提供依據(jù).

2.3 應(yīng)用5G技術(shù)挖掘工業(yè)應(yīng)用價(jià)值

雖然5G技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用仍然存在著一系列挑戰(zhàn)：如5G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的影響、頻譜授權(quán)和運(yùn)營(yíng)商模型的影響、安全性影響[3]，但是5G 一旦實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，將成為支撐智能制造轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵使能技術(shù)，5G 將分布廣泛、零散的人、機(jī)器和設(shè)備全部連接起來(lái)，構(gòu)建統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，幫助制造企業(yè)擺脫以往無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)較為混亂的應(yīng)用狀態(tài)，推動(dòng)制造企業(yè)邁向“萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)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(xiàng)目建設(shè)過程中，將應(yīng)用5G技術(shù)挖掘工作應(yīng)用場(chǎng)景及價(jià)值，實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)利用5G技術(shù)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(duì)公司現(xiàn)有設(shè)備的位置、狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)信息的實(shí)時(shí)采集及分析，進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)防性維護(hù)，能夠大大降低設(shè)備維護(hù)的成本、提高運(yùn)營(yíng)的效率、減少庫(kù)存、合理安排停機(jī)和檢修[5]；

(3)采用混合現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程作業(yè)引導(dǎo)、遠(yuǎn)程協(xié)作、遠(yuǎn)程控制，保證關(guān)鍵過程質(zhì)量，減少關(guān)鍵技術(shù)人員的非價(jià)值活動(dòng)，如復(fù)雜組裝、復(fù)雜調(diào)試、故障排除過程；

(4)通過人機(jī)協(xié)作、機(jī)機(jī)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(dòng)化設(shè)備等；

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

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

3 項(xiàng)目實(shí)施相關(guān)策劃和實(shí)施

3.1 對(duì)內(nèi)部進(jìn)行流程升級(jí)

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(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的引導(dǎo)，提高產(chǎn)品的裝配和維護(hù)效率，使之更加適合操作規(guī)范的要求，見圖3所示.

圖3 設(shè)計(jì)工藝制造流程升級(jí)示意圖

3.1.1 可制造性設(shè)計(jì)優(yōu)化

以DFM平臺(tái)與數(shù)字工藝平臺(tái)相結(jié)合，以動(dòng)作編碼為紐帶，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工藝一體化，如利用DELMIA系統(tǒng)進(jìn)行了裝配工藝過程和人機(jī)工程的仿真驗(yàn)證[6].同時(shí)，裝配工藝過程仿真能提前對(duì)裝配工藝進(jìn)行預(yù)演，可進(jìn)行碰撞干涉、人機(jī)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(shè)備利用率和產(chǎn)能[7].將三維設(shè)計(jì)與工藝相鏈接，通過MBD技術(shù)(三維標(biāo)注技術(shù))和動(dòng)作編碼實(shí)現(xiàn)三維工藝和動(dòng)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(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，降低成本.

3.1.2 工藝數(shù)字平臺(tái)優(yōu)化

學(xué)習(xí)精益生產(chǎn)的先進(jìn)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(lái)的發(fā)展方向[8].通過整合產(chǎn)品數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)信息，以設(shè)計(jì)BOM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行，進(jìn)行全面工藝設(shè)計(jì).整個(gè)工藝BOM、工藝路線策劃設(shè)計(jì)功能可作為浦鎮(zhèn)現(xiàn)有MES產(chǎn)品的升級(jí)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(guān)的管理流程，均可通過系統(tǒng)，引導(dǎo)各部門進(jìn)行過程中跟蹤確認(rèn)、關(guān)閉完成.

3.1.3 智能制造MES系統(tǒng)升級(jí)

通過精益制造MES為車間實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)智能輔助計(jì)劃排產(chǎn)至具體作業(yè)單元，可實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)計(jì)劃的兌現(xiàn)情況；

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

(3)與智能硬件集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)重要參數(shù)的柔性控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果比對(duì)，可實(shí)時(shí)在多端實(shí)時(shí)查詢；

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

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

3.1.4 精益物流MES升級(jí)

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(fù)雜高端裝備，生產(chǎn)物料系統(tǒng)對(duì)保障生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)平準(zhǔn)化、均衡化生產(chǎn)至關(guān)重要，物流系統(tǒng)必須進(jìn)行配套性變革，建設(shè)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(chǔ)及物流周轉(zhuǎn)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精益物流MES升級(jí)，見圖4所示，實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)基于廠內(nèi)物流控制的全價(jià)值鏈設(shè)計(jì);

(2)基于精益準(zhǔn)時(shí)化的計(jì)劃管理;

(3)目視化的計(jì)劃節(jié)拍控制;

(4)物料出庫(kù)前精準(zhǔn)齊套;

(5)實(shí)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(jí)

對(duì)現(xiàn)有QMIS系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化提升，打通系統(tǒng)與MES、ERP的接口并實(shí)現(xiàn)QMIS系統(tǒng)內(nèi)各模塊的互聯(lián)互通，在現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)應(yīng)用更多的智能檢驗(yàn)量具，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)大量質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)用分析為質(zhì)量管理改進(jìn)提升工作提供方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效分析來(lái)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)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(gè)牽引電機(jī)安裝的工位，通過建立數(shù)字化產(chǎn)線，達(dá)到以下作業(yè)管控效果：

(1)進(jìn)入工位-安全帽AI監(jiān)控;

(2)通過刷臉設(shè)備登錄系統(tǒng)，獲取準(zhǔn)備計(jì)劃、物料，并進(jìn)行設(shè)備工具點(diǎn)控;

(3)通過手持端掃描牽引電機(jī)二維碼，獲取其序列號(hào)等信息，系統(tǒng)自動(dòng)核對(duì)該電機(jī)是否為當(dāng)前工步所要求的物料；

(4)牽引電機(jī)安裝作業(yè).MES系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)HTS 抗扭矩懸掛式智能扭力扳手進(jìn)行電機(jī)安裝，系統(tǒng)自動(dòng)采集實(shí)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(shù)的轉(zhuǎn)向架組裝數(shù)字化產(chǎn)線建設(shè)方案，能夠立足于精益制造平臺(tái)的升級(jí)，打通信息孤島，通過5G、AI等技術(shù)和手段，減少了人為的差錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)定員的優(yōu)化、質(zhì)量記錄的全過程追溯，強(qiáng)化產(chǎn)品制造過程的監(jiān)控和管理，解決現(xiàn)場(chǎng)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，為產(chǎn)線升級(jí)提供了智能化解決方案;

(2)數(shù)字化平臺(tái)和產(chǎn)線的升級(jí)，不僅僅是制造MES系統(tǒng)的優(yōu)化，更應(yīng)該是從設(shè)計(jì)、工藝、采購(gòu)、人事、質(zhì)量、成本、制造的多系統(tǒng)打通信息流，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通、數(shù)字化服務(wù)和管控；同時(shí)產(chǎn)線數(shù)字化建設(shè)需要企業(yè)根據(jù)自身特點(diǎn)去逐步實(shí)施.對(duì)于不同行業(yè)、不同競(jìng)爭(zhēng)格局、不同發(fā)展階段和能力的企業(yè)而言，建設(shè)智能化工廠的著重點(diǎn)和著手點(diǎn)也不盡相同，應(yīng)根據(jù)自己的情況有的放矢、循序漸進(jìn)，以更好的實(shí)現(xiàn)建設(shè)智能工廠的既定目標(biāo)[10].