结构化工艺在轨道车辆制造中的应用研究.pdf

Equipment Manufacturing Technology No.7袁20230 引 言在轨道交通车辆制造行业的工艺设计模式主要以二维图纸、作业文件并以纸质或电子文件模式传达到车间工位，用来指导现场生产作业和检查，这些纸质文件大多分散管理，不便于快速查询、实时追踪和共享，同时容易将工艺与制造端割裂开，形成工艺“孤岛”现象。随着科学技术的突飞猛进，新一代信息技术不断涌现，传统的工艺设计模式已无法适应现代化企业的发展要求。轨道交通车辆制造作为典型的离散型制造模式，车辆由众多零部件、系统部件经过不连续的加工、装配、总成、试验等工序制造而成，有非常复杂的工序关系。以轨道车辆装配制造为载体，探索搭建结构化工艺设计系统，通过结构化工艺数据驱动制造产线终端智能装备作业，实现设计、工艺、计划、制造和质量等一体化生产制造新模式。1工艺结构化的意义工艺过程设计是连接产品设计与生产制造的桥梁1，有承上启下的作用。区别于传统工艺卡片，结构化工艺是采用面向对象的分析方法，把工艺规程中组成元素进行对象化、模块化、属性化和关系化，形成一种结构化的工艺组织形式，以便对工艺的组成元素进行独立的编辑、管理、存储、应用和共享。1.1 工艺数据驱动制造终端在结构化工艺模式下，结构化的工艺数据输出可以直接驱动智能产线终端，包括产线端作业人员资质、现场环境条件、现场工艺装备（设备、工装、工具等）、物料准备（与物流配送系统集成，获取物料配送及接收信息）等要素与工艺要求是否匹配；同时结构化工艺技术参数通过 MES（Manufacturing executionsystem 生产执行管理系统）系统直接下达到产线终端，并驱动现场智能装备执行工艺要求，实现数据端到端直接驱动模式。1.2 工艺知识管理和传承在企业数字化转型升级形势推动下，知识管理的形态发展到了工业技术软件化的阶段，传统的知识管理将面临“转型升级”。只有把知识写入软件，让工业技术、知识最大限度地软件化，才能把工业技术、知识的作用发挥到极致。通过规范和梳理工艺知识，建立知识库，可以有效整合和固化企业内工艺知识，并实结构化工艺在轨道车辆制造中的应用研究周勇，卞耀辉（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031）摘要：随着轨道交通车辆制造行业智能制造和数字化转型升级需要，以传统的纸质作业文件为核心的制造模式已无法适应轨道车辆数字化工厂建设发展需求，上游无法承接设计 PLM（Product Lifecycle Management，产品全生命周期管理）上的数据信息，下游无法对制造、采购、计划和质量等环节提供数据支持。该文以工艺数据结构化为核心思路，通过研究一种基于工步设计的全结构化工艺设计方法，实现工艺设计过程和工艺输出结构化。在进行结构化工艺设计时，主要对工步设计内容进行有效切分并进行定义，采用碎片化、数字化、信息化、智能化的方式对传统工艺设计输出内容进行工步切分、属性定义，形成工艺资源库。每个作业工步设置有属性、技术参数。属性至少包括：工种及资质要求、工具类型、工装类型、设备类型、人员等；技术参数记载有该工步在具体执行环境下所设定的参数信息，主要来自于产品设计数据和工艺相关技术要求。结构化工艺设计过程通过智能化引用，保证工艺设计质量的稳定性，使得工艺技术人员从繁琐的重复性工作中解放出来；同时结构化工艺输出通过与 MES 系统、质量 QMIS 进行对接集成，可以直接用于生产制造和质量检验策划，最终实现在轨道交通车辆制造行业以结构化工艺为核心建设的设计、工艺、制造、计划和质量一体化的生产制造模式。关键词：结构化工艺；轨道车辆；制造中图分类号：TP391.7文献标志码：A文章编号：1672-545X（2023）07-0200-03收稿日期：2023-02-10第一作者：周勇（1984-），男，高级工程师，从事轨道车辆转向架制造工艺技术.200装备制造技术 2023 年第 7 期现工艺知识积累。在工艺设计过程中，可以将各类工艺资源、工艺模板、特征参数、材料定额、控制方法、失效模式等进行结构化的知识封装，工艺人员可以对这些知识的提炼、存储、管理和使用，提高工艺设计的效率，降低对工艺人员工作经验的依赖，保证工艺设计水平的一致性。1.3 结构化工艺是 MES 执行的基础在产品生产制造执行过程中，MES 需要调用完整的结构化工艺信息，主要包括：项目、产品编号、工艺路线、工序组、工序、工位、设备、工具、物料和检验要求等信息，MES 会严格按照工艺路线进行产品生产制造过程，并将生产制造过程的数据进行上传至生产制造数据中心。2结构化工艺设计在结构化工艺的模式下，通过对工艺数据进行分析，用面向对象的方法建立结构化数据模型，分析数据之间的关系，将该相互关系存放在关系数据库中，同时基于知识积累和管理规范的工艺管理体系，提高生产工艺的规范性，实现资源匹配、知识共享，有效地提升工作质量和工作效率。2.1 工艺流程设计工艺流程，指通过一定的生产设备，从原材料投入到成品产出，按规定的工艺顺序连续进行加工的全过程，由若干工序组成。正确合理的工艺流程对提高生产效率、降低生产成本、保证产品质量具有重要作用2。在结构化工艺设计平台中，按照产品、工序组、工序、工艺文件设计进行结构树状设计见图 1。对产品（或者是平台）、工序组、工序进行模块化和标准化处理，同时对工序组与工序组、工序与工序之间的逻辑关系，即工艺流程进行标准化处理，确保一致性。在对工序标准化处理时，应将“关、特、防”特性确定，确保不同工艺师在进行工艺设计时达到一致性。根据上述工艺流程结构模型，某公司在轨道车辆某项目的产品上进行实际开发应用见图 1 所示。层级关系依次是，项目、产品、工序组和工序，工序对应的及时工序文件。2.2 工艺资源规范化工艺资源数据是工艺文件设计的核心内容，是工艺文件的重要组成部分，主要包括人员、设备、工装、工具、环境、技术要求等相关信息。将这些数据全部进行属性分解生成相应的模型，并进行结构化处理，形成工艺资源数据库。在生成库时，不是简单地进行物理集合，而是对数据规范化处理，确保工艺资源数据具有结构、专业、标准、唯一、准确、完整等特性。例如工具库设计模型见图 3，随着结构化工艺设计建设的需要，属性会进一步拓展完善。2.3 工艺设计输入输出按照工艺流程设计模型，以工序为单位，在工序下建立一份或多份工艺文件。工艺文件是产线终端作业、质量检验的直接依据，因此工艺文件设计是最核心的内容，结构化工艺文件输入输出见图 2。2.4 工步设计工步是工艺文件设计核心内容。工艺师需要对工步进行细化的编辑，包括人员要求、作业图片（或三维）、物料、技术参数及设备（工装工具）、质量检验要求等结构化数据。工步设计过程将生产过程所需结构化信息进行了最小颗粒度的关联，是实现计算机辅助设计与制造的最细颗粒度纽带，是计算机集成制造系统中必不可少的一环。图 3 是某公司开发的结构化工艺设计文件，以工步为工艺文件的主结构，每个工步中的相关属性全部是经过结构化处理。3制造作业场景随着自动化、数字化、智能化在工业领域的逐步推进，企业在生产作业过程中根据实际需要逐渐引入自动化、数字化、智能化工具及设备。如应用智能焊机的焊接作业、应用智能扳手、智能测量工具的装配作业、智能化改造的轨道车辆调试作业等。与以往的单机自动化作业模式不同，在结构化工艺制造模式下，图 1某公司工艺流程设计实际应用案例图 2结构化工艺文件输入输出设计数据（结构化数据）设计数据工艺知识工艺经验工艺知识经验（结构化数据）工艺资源（结构化数据）人员数据标准工序数据工艺装备数据检验数据设计人员结构化工艺设计输出结构化工艺文件201Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023图 3某公司结构化工艺设计案例智能装备应支持基于结构化工艺实现人机协同作业模式，其底层业务逻辑见图 4。结构化工艺设计时，以工步为最小控制单元，把工步作业内容及相对应的设备数据预置，加入到具体结构化工艺内。在作业执行时，通过与 MES 系统对接，实现将作业指令协同方式给到人与设备，实现人与设备的协同作业模式。如在使用智能扭力扳手场景下，采用如下方式进行人机协同：人员通过 HMI 终端，接收 MES 系统里引用的工艺任务，在工艺推荐的智能扳手中选取一个匹配的智能扳手，MES 系统即将此动作的工艺参数指令下达至所选智能扳手，人员拿取此智能扳手，不需再设置此扳手参数，即可开始作业。作业过程及结果信息，如作业人员、作业时间、所用智能扳手、工艺标准参数、实际作业结果数据、合格与否、作业工序、作业产品等信息便可回传至数据库内，作业完毕后，自动生成相应的质量记录单。4结 语结构化工艺是基于工艺数据结构化为核心的全新工艺设计思路，是数字化工厂建设的基础。在未来，工艺人员的工作将从单一的工艺规程设计转变成专注于工艺技术本身的思考，而实际的工艺设计工作将由计算机来完成。而工艺技术的研究将依托结构化工艺数据驱动产线终端作业生成的大量数据组成的工艺数据库，对工艺数据库进行维护和大数据分析，为工艺技术优化提升提供支持。参考文献：1 蒋明炜.智能制造：AI 落地制造业之道M.北京：机械工业出版社，2022：89.2 夏征农，陈至立.大辞海（机械电气卷）M.上海：上海辞书出版社，2015：178.图 4基于结构化工艺人机协同作业模式结构化工艺平台生产计划排程系统生产工单结构化工艺生产执行过程及结果数据产品过程及结果记录生产执行MES 系统设备参数下达设备状态设备执行结果反馈设备控制系统（SCADA）生产任务工艺指导设备执行反馈开完工报工过程反馈设备选用HMI 人面交互界面作业人员人机协同执行人机协同设备202