孫廣合

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

在我國智能制造不斷深入推進(jìn)的大背景下，制造業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平全面提升，隨著新技術(shù)、新裝備快速發(fā)展，催生出一大批新應(yīng)用、新業(yè)態(tài)和新模式，驅(qū)動(dòng)了制造業(yè)的優(yōu)化升級［1-2］。軌道交通裝備制造過程具有多品種、小批量、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，應(yīng)用智能柔性裝備提升生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量成為一種可行的解決方案，行業(yè)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)也進(jìn)行了一定程度的探索和應(yīng)用，如株洲時(shí)代的IGBT無人化產(chǎn)線，中車浦鎮(zhèn)的自動(dòng)化物流系統(tǒng)等［3］都取得了良好的應(yīng)用效果。智能柔性裝備在軌道交通行業(yè)的生產(chǎn)制造過程中已經(jīng)取得了一定的應(yīng)用成果。

因此，為提高復(fù)興號動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置氣控模塊生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，文中結(jié)合我國先進(jìn)智能柔性裝備的設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對復(fù)興號動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置氣控模塊智能柔性生產(chǎn)線進(jìn)行研究與應(yīng)用，旨在提升系統(tǒng)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

1 智能柔性生產(chǎn)線方案研究

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

由于復(fù)興號中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置氣控模塊多品種、小批量的生產(chǎn)特性，目前其生產(chǎn)過程具有以下特性：作業(yè)人員無固定作業(yè)位置；作業(yè)人員無固定作業(yè)內(nèi)容；組裝作業(yè)無統(tǒng)一作業(yè)節(jié)拍。

這樣的生產(chǎn)模式存在以下問題：

（1）各作業(yè)人員工作負(fù)荷不均衡，生產(chǎn)節(jié)拍模糊，生產(chǎn)無節(jié)奏感，呈現(xiàn)松懈和散漫，OPE低下，造成了大量的工時(shí)浪費(fèi)，生產(chǎn)效率低。

（2）各模塊生產(chǎn)工作臺、工作人員不固定，現(xiàn)場無法進(jìn)行“三定5S”管理。

（3）各作業(yè)環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化程度低，產(chǎn)品制程質(zhì)量監(jiān)控較為困難，無有效防錯(cuò)手段，存在出現(xiàn)質(zhì)量問題大規(guī)模爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量無法保障。

1.2 生產(chǎn)模式研究

針對以上生產(chǎn)問題，需要改變目前的生產(chǎn)模式，對生產(chǎn)流程、生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)組織方式進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而改善生產(chǎn)系統(tǒng)的效能。根據(jù)精益生產(chǎn)線流程導(dǎo)向、拉動(dòng)系統(tǒng)、零缺陷、靈活性、消除浪費(fèi)的生產(chǎn)原則，并結(jié)合制動(dòng)控制裝置氣路模塊的產(chǎn)品特性，選擇多品種單件流混線生產(chǎn)模式［4］進(jìn)行生產(chǎn)，該模式的具體優(yōu)勢如下：

（1）生產(chǎn)周期短：單件流生產(chǎn)采取分工原則，根據(jù)節(jié)拍和生產(chǎn)工時(shí)得知完成產(chǎn)量所需總周期，根據(jù)目標(biāo)差異靈活應(yīng)對，保障及時(shí)交貨。

（2）在制品少：單件流生產(chǎn)是連續(xù)流動(dòng)生產(chǎn)，突出特點(diǎn)是在制品得以極大壓縮。

（3）場地占用少：單件流生產(chǎn)極大的削減了在制品，工廠空間得以釋放。

（4）靈活性大，柔性高：單件流生產(chǎn)方式，企業(yè)在制品總量極少，原材料的投入短周期內(nèi)就轉(zhuǎn)化為成品，對于客戶需求變化的應(yīng)對能力明顯提高，對于不同產(chǎn)品品種轉(zhuǎn)換的時(shí)間大幅削減。

（5）避免批量質(zhì)量缺陷：由于是單件產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題可及時(shí)叫停生產(chǎn)。

1.3 基于模特排時(shí)法的產(chǎn)線節(jié)拍及工位劃分研究

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)是產(chǎn)線節(jié)拍計(jì)算及工位劃分的基礎(chǔ)。對于產(chǎn)線生產(chǎn)的7個(gè)類型產(chǎn)品，利用國際通用模特排時(shí)法結(jié)合秒表法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)計(jì)算。

（1）現(xiàn)場實(shí)測工時(shí)統(tǒng)計(jì)：通過對現(xiàn)場作業(yè)過程的實(shí)時(shí)記錄，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)作業(yè)范疇的定義，將其中非作業(yè)工時(shí)的部分除去，得到現(xiàn)場實(shí)測工時(shí)

OT。

（2）現(xiàn)場人員作業(yè)水平的評定：選取現(xiàn)場作業(yè)過程中幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的動(dòng)作，實(shí)測其作業(yè)時(shí)間為T11、T12、T13……；利用模特工時(shí)計(jì)算方法，計(jì)算這幾個(gè)作業(yè)動(dòng)作的模特工時(shí)為MOD11、MOD12、MOD13……，通過模特工時(shí)與實(shí)測工時(shí)比，確定評比系數(shù)η計(jì)算公式為式（1）：

η=（MOD11+MOD12+MOD13+……）/（T11+T12+T13+……） （1）

（3）確定寬放系數(shù)：考慮操作者個(gè)人需要和各種不可避免的延遲因素所耽誤的時(shí)間，正常工時(shí)需要考慮一定的寬放系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)計(jì)算公式為式（2）：

1.3.2 生產(chǎn)線節(jié)拍計(jì)算及工位劃分

在計(jì)算產(chǎn)線節(jié)拍之前需要確定客戶節(jié)拍時(shí)間Customer Takt（簡 稱：TT），計(jì) 算 公 式 為 式（3）～式（5）：

規(guī)定每月有效生產(chǎn)時(shí)間為26天×8小時(shí)，根據(jù)式（3）～式（5）計(jì)算OEE為85%，則得出，

客戶節(jié)拍TT=499.2（min）

以目標(biāo)節(jié)拍計(jì)算操作人員數(shù)為式（6）：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)計(jì)算出的總操作時(shí)間OT，再根據(jù)式（6）得出操作人員數(shù)為3人。

故生產(chǎn)線需要最少設(shè)計(jì)3個(gè)工位。

1.4 數(shù)字化精益裝配管控系統(tǒng)研究

由于生產(chǎn)線為多品種單件流混線生產(chǎn)，需結(jié)合工藝可視化、工具監(jiān)控系統(tǒng)、物料防錯(cuò)系統(tǒng)、智能擰緊系統(tǒng)、RFID射頻識別系統(tǒng)等智能裝備和系統(tǒng)，來確保生產(chǎn)過程中的智能化及柔性化。

建立的數(shù)字化精益管控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化精益管控系統(tǒng)

（1）虛擬化資源和可重構(gòu)配置：對產(chǎn)線運(yùn)行所需的人、機(jī)、料、法、環(huán)等資源進(jìn)行虛擬化。資源可根據(jù)生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程管控要求，建立面向主工藝路線（工序集）的資源可重構(gòu)配置模型，實(shí)現(xiàn)多種類產(chǎn)品智能柔性化生產(chǎn)。

（2）匹配式推送和目視化管理：加載與實(shí)時(shí)工況相匹配的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及知識規(guī)則并推送到數(shù)字化作業(yè)終端；通過文字、圖片、顏色等方式，實(shí)現(xiàn)目視化管理和在線作業(yè)指導(dǎo)，提高作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）自動(dòng)化防錯(cuò)和透明化跟蹤：通過數(shù)字化精益工作臺上所部署的物理防錯(cuò)裝置及管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品作業(yè)過程中的生產(chǎn)防錯(cuò)和異常報(bào)警；基于實(shí)時(shí)采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，支撐生產(chǎn)過程的透明化跟蹤，對產(chǎn)品進(jìn)行有效的制程控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 智能柔性生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

2.1 生產(chǎn)線機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）線體工位及關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)前文1.2及1.3所述，產(chǎn)線設(shè)計(jì)3個(gè)操作工位，線體整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)最大的模塊A的尺寸大小及其所需物料盒的尺寸大小，確定工件組裝托盤尺寸為400 mm×640 mm，物料托盤尺寸為400 mm×320 mm，則組裝線及物料線的線體輸送寬度為400 mm，各線體總寬度≤450 mm。

圖2 線體整體結(jié)構(gòu)示意圖

生產(chǎn)模式采用組裝托盤與物料托盤隨行的模式，考慮到人機(jī)工程學(xué)中關(guān)于操作人員雙手活動(dòng)范圍的定義，單工位長度設(shè)計(jì)為1 900 mm。

由于組合托盤的特殊結(jié)構(gòu)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)中最適宜操作人員作業(yè)的高度，設(shè)計(jì)線體高度為1 140 mm（地面到托盤下表面），且地腳采用高度可調(diào)方式，調(diào)節(jié)高度為±30 mm［5］。

（2）線體運(yùn)輸方向設(shè)計(jì)

由于采用組裝托盤與物料托盤隨行的模式，以利右手作業(yè)人員的作業(yè)習(xí)慣為基準(zhǔn)將物料托盤放置于組裝托盤的右側(cè)，則工位間的運(yùn)轉(zhuǎn)方向?yàn)閺挠蚁蜃筮\(yùn)行。

（3）線體組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線由物料線及組裝線2條雙層自動(dòng)輸送線并列構(gòu)成，線體兩端各設(shè)置雙通道提升機(jī)，使物料托盤及組裝托盤能夠?qū)崿F(xiàn)各自封閉循環(huán)，同時(shí)，物料托盤通過橫架在組裝線與物料線上的橫移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物料流轉(zhuǎn)。

2.2 生產(chǎn)線物流布局設(shè)計(jì)

物流配送應(yīng)遵循以下原則：

（1）物流路線應(yīng)避免交叉、反復(fù)等狀況。

（2）物流路線應(yīng)盡量設(shè)計(jì)為一個(gè)流，從而減少搬運(yùn)距離，達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低物流成本的目的。

（3）配送位置應(yīng)該明確清晰。

（4）配送位置物流狀況可視化。

遵循以上原則，生產(chǎn)線物流路線設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)線物流路線示意圖

該設(shè)計(jì)整體物流路線清晰，搬運(yùn)距離較短，且?guī)旆咳藛T在送料的過程中，可以同時(shí)從成品緩存區(qū)向庫房運(yùn)送成品，去程回程均為增值運(yùn)送過程。

2.3 數(shù)字化精益裝配管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 基于PLC系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

以“一個(gè)中央單元、分散控制”的概念［6］構(gòu)建PLC系統(tǒng)控制架構(gòu)。在線體中設(shè)置一個(gè)PLC作為中央控制單元，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體控制，采取分散控制的方式，利用上位機(jī)和控制器等對產(chǎn)線內(nèi)各個(gè)工位和關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行控制。根據(jù)生產(chǎn)線功能設(shè)計(jì)，將PLC控制系統(tǒng)劃分為3個(gè)層級：執(zhí)行層級、中央控制層級、上位控制層級，如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)線硬件架構(gòu)圖

（1）執(zhí)行層級主要是各類功能部件根據(jù)PLC控制單元指令進(jìn)行動(dòng)作，并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。按照通訊協(xié)議的不同，主要分為3類：PROFIBUS連接（主要包括RFID系統(tǒng)）、PROFINET連接（主要包括智能擰緊系統(tǒng)）、ETHERNET連接（主要包括掃碼系統(tǒng)及各工位可視化系統(tǒng)）。

（2）中央控制層級主要由以太網(wǎng)交換機(jī)、PLC控制單元構(gòu)成。以太網(wǎng)交換機(jī)接收各個(gè)通訊協(xié)議傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)化，傳輸給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、控制等工作；PLC指令及下發(fā)數(shù)據(jù)經(jīng)由路由器轉(zhuǎn)化下發(fā)至各執(zhí)行層級部件；PLC控制單元主要實(shí)現(xiàn)線體控制、數(shù)據(jù)處理等功能。

（3）上位控制層級主要由上位機(jī)服務(wù)器構(gòu)成。上位機(jī)服務(wù)器接收由路由器發(fā)送來的各類數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行匯總，并通過路由器向中央控制層級下達(dá)指令及下發(fā)相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，上位控制層級與公司級網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)訂單下發(fā)、配置管理、報(bào)工、生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

2.3.2 PC上位系統(tǒng)架構(gòu)

生產(chǎn)線PC上位系統(tǒng)分為主服務(wù)器控制軟件和工作站顯示軟件2部分。軟件通過OPC SERVER軟件讀寫PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，獲取PLC控制設(shè)備的工作狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、條碼，并保存在數(shù)據(jù)庫中。上位系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖5 上位系統(tǒng)工作流程圖

（1）工作站顯示軟件

工作站顯示軟件主要為操作人員提供以下幾方面可視化信息：①操作人員信息（包括操作人員工號、照片等）；②當(dāng)前工件信息（當(dāng)前工件的名稱、序列號、組裝托盤號等基本內(nèi)容）；③當(dāng)前工件所屬的訂單信息（包括訂單號、訂單數(shù)量、已完成數(shù)量等內(nèi)容）；④可視化工藝顯示（系統(tǒng)根據(jù)工件讀取到的工件信息，自動(dòng)將對應(yīng)的工藝步驟及組裝示意圖下發(fā)至對應(yīng)工位）；⑤裝配過程關(guān)鍵信息顯示（組裝過程中通過掃碼獲取的關(guān)鍵部件二維碼信息及通過電動(dòng)擰緊槍獲取的部件擰緊信息會(huì)顯示在“條碼扭矩追溯”信息欄，以便操作人員查看）。

（2）主服務(wù)器控制軟件

主服務(wù)器上的控制軟件主要包括以下幾個(gè)功能：各工位信息監(jiān)控、工藝設(shè)置、生產(chǎn)計(jì)劃設(shè)置、生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)查詢、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)信息查詢、生產(chǎn)日志信息查詢、系統(tǒng)報(bào)表查詢等，操作者可以通過該界面監(jiān)控各個(gè)工站的加工狀態(tài)。

3 產(chǎn)線運(yùn)營效果分析

結(jié)合生產(chǎn)模式設(shè)計(jì)和生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案對復(fù)興號動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置模塊分裝生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)施和應(yīng)用，其實(shí)時(shí)運(yùn)行場景如圖6所示。

圖6 復(fù)興號動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置模塊分裝生產(chǎn)線

（1）生產(chǎn)效率提升

由于生產(chǎn)過程中存在各類損失，導(dǎo)致每日實(shí)際產(chǎn)能與理論產(chǎn)能存在差別，隨機(jī)選取產(chǎn)能爬坡階段的實(shí)際產(chǎn)能進(jìn)行分析，產(chǎn)能爬坡過程如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)線產(chǎn)能爬坡示意圖

從產(chǎn)能提升的過程來看，實(shí)際產(chǎn)能比計(jì)劃產(chǎn)能提升慢，但理論產(chǎn)能比計(jì)劃產(chǎn)能提升快，說明生產(chǎn)過程中的各種損失影響了產(chǎn)能的提升，就單位時(shí)間產(chǎn)能而言，能夠達(dá)到理想效果。產(chǎn)線產(chǎn)能提升效果見表1。

表1 產(chǎn)線產(chǎn)能提升效果表

（2）產(chǎn)品質(zhì)量提升

通過工裝自動(dòng)化改造和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，尤其是配備了數(shù)字化精益裝配管控系統(tǒng)，使得生產(chǎn)過程具備了完善的防呆防錯(cuò)手段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制程信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大減少了人工出錯(cuò)的概率，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 結(jié)論

文中針對復(fù)興號中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置氣控模塊生產(chǎn)存在問題及產(chǎn)品特性，結(jié)合當(dāng)前我國智能柔性生產(chǎn)線的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了適用于復(fù)興號中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置各類型氣控模塊生產(chǎn)的智能柔性生產(chǎn)線的方案研究及設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用驗(yàn)證。

通過上述智能柔性生產(chǎn)線的應(yīng)用，復(fù)興號動(dòng)車組制動(dòng)控制裝置氣控模塊生產(chǎn)過程發(fā)生以下改變：

（1）生產(chǎn)效率有了顯著的提升，實(shí)現(xiàn)了以流程為導(dǎo)向的單件流生產(chǎn)，作業(yè)人員可減少2人，人均生產(chǎn)效率提高104%以上；同時(shí)，緊湊的工位設(shè)計(jì)，使得生產(chǎn)面積節(jié)省50%以上。

（2）作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度大大提高，防呆防錯(cuò)功能進(jìn)一步完善；產(chǎn)品制程可實(shí)時(shí)監(jiān)控，生產(chǎn)制程數(shù)據(jù)采集率高，追溯性強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量得到有效提升。