轨道车辆数字化制造技术平台的应用探讨

介绍

随着工业4.0的启动，新一轮制造业革命正在全球范围内掀起，数字制造(DM)的优势吸引了各个制造领域的关注和目光。目前，国内大型装备制造企业正在向波音、空客、ge等国际公司学习，系统地开展数字化制造技术的研究和应用。近十年来，以AVIC为代表的航空制造业高度重视数字化技术的研究和应用，大力完善信息基础设施建设，结合产品开发，开展三维数字化设计、数字仿真、三维数字化技术等方面的应用研究，制定了企业系列数字化技术标准和规范，成为轨道交通装备制造业的学习参考范例。

1轨道交通车辆数字化制造技术现状

近年来，轨道交通车辆行业已经开始重视三维数字化制造，但整体水平还比较落后，主要表现在:

1)数字基础薄弱。信息技术在设计、技术、制造等业务单位的应用尚未形成整合的整体；数字化应用开发能力不强，基础设施不配套。

2)设计模型仅限于几何模型，不能作为业务数据的核心，三维模型仅供参考；产品制造信息、属性等。仅限于二维表达，设计数据以蓝图的形式发布。

3)工艺中使用二维CAPP，仅限于编辑工艺文件，用纸质工艺卡片发布工艺数据；制造业采用ERP和MES系统，但与设计和技术脱节。

4)产品开发采用串行模式，部门之间信息和数据交换存在障碍，专业之间沟通不畅；开发过程中非增值环节多，生产准备周期长，变化频繁。

同时，产业链上供应商的技术平台基本处于二维时代，缺乏统一的数字技术标准和行业并行协作的基础环境。

2 .基于单一产品数据源的设计制造技术平台

轨道交通车辆的发展趋势是小批量订单生产、交付周期更短、个性化需求众多。如何充分利用成熟的车辆产品平台，快速实现高性能、高质量、低成本的个性化衍生设计制造，是现代轨道交通装备企业必须面对的课题。本文所涉及的构建单一数据源的设计制造技术平台，是结合当前工业化和信息化融合的技术发展趋势，提出的解决方案构想和实施探索。

通过设计、工艺、制造信息平台的优化应用，整合公司现有产品和技术，建立企业知识库，实现产品技术数据和制造数据的共享和重用；实现模块化、个性化的快速定制开发；也为虚拟仿真验证提供了必要的数据基础；在提高产品性能的同时，提高了产品的可制造性和可维护性。

2.1系统架构和平台设计

南车株洲机械有限公司设计的数据管理平台采用TC系统，制造过程采用ERP系统(包括一定的MES功能)，已经应用多年，但传统的CAPP技术已经与设计和生产脱节。经过广泛的调查，TCM被选定用于流程设计和管理，并将设计和流程集成到产品生命周期管理系统(PLM)中。其次，梳理使用多年的ERP/MES系统，将PLM平台和ERP/MES系统无缝高效地集成，构建单一数据源的设计制造技术平台，设计整体技术架构；并实现从设计模型和设计数据到工艺文件、工艺模型和加工程序，再到生产和维护的数字化制造业务流程。

主要业务模型设计如下:

设计:逐步探索自顶向下的设计模式，在NX/TC环境下建立标准化的三维设计环境和各种产品设计模板，灵活、快速、高效地对设计进行建模和修改，提高设计效率。同时改变现有的三维几何模型加二维图纸的制造信息表达模式，利用NXPMI工具将产品几何信息和产品制造信息全部集成在三维模型上，逐步取消二维图纸。利用NX/TC协同设计平台，在虚拟环境中进行三维设计分析和仿真验证，并进行数字样机设计，提高设计精度和效率。

工艺:引入TCM模块，基于TC系统集成工艺与设计，进行三维结构化工艺设计、工艺技术体系和工艺资源数据平台管理。以三维设计模型、设计BOM和设计文件为输入，进行三维工艺设计和工艺模拟，按照工艺技术标准体系输出三维工艺设计文件和工艺BOM。利用TC系统集成的NX进行三维工装设计和凸轮数控加工仿真。同时，积极探索TC系统与焊接、装配、钣金、弯曲等仿真软件的集成，搭建工艺仿真验证和设计平台，形成反馈闭环。

制造:采用ERP/MES系统，通过中间数据库与TC系统的集成，打通设计BOM、工艺BOM、制造BOM的数据链接。ERP/MES系统接收TC系统工艺设计的初级工艺划分和原材料拆分、工艺路线、工艺材料定额和工艺工时定额、设计/工艺变更等数据。然后根据项目计划和工艺数据，下达生产计划和生产资源配置。在物料编码平台上统一管理TC、CAPP、ERP系统的物料编码，实现物料计划、采购、生产、物流、成本的流程管理。以项目管理为主线，进行生产计划、作业调度、物料配送、完工等生产管理；其次，与EHR的机构和人员同步，实现对生产工人的管理。

2.2数据源定义和交付设计

在从产品方案设计到运维的整个生命周期中，三维产品模型是数据组织的核心，所有的产品定义数据、工艺定义数据、制造定义数据都是围绕三维模型展开的，形成了统一唯一的产品数据源。在此基础上，开展设计、技术、制造的协同关联。

实现对产品的EBOM、PBOM和MBOM的管理，建立不同BOM组织方式之间的关系，从不同的角度组织整个产品生命周期中不同阶段的数据，并维护它们之间的关系。

数据源定义主要包括:

1)统一的数字化产品模型定义，建立标准化的产品设计环境和统一的产品模型定义。

2)产品和物料代码的统一定义和应用，通过代码管理系统对产品和物料进行统一编码。

3)统一定义数字化产品BOM模式，统一管理EBOM/PBOM/MBOM。

4)标准件和通用件的统一定义和管理。

5)统一工程变更模式，建立闭环产品工程变更管理流程体系。

2.3支持规范和标准设计

根据轨道车辆制造业的特点，围绕数字化三维设计、制造、测试、管理和信息化，引用ASMEY14.41-2003《数字化产品定义数据实施规范》、《ISO16792∶2006技术产品文件数字化产品定义数据通则》和GB/T 24734作为参考。

1)基础通用标准和规范:包括术语标准、图形符号和代码标准、3D设计软件安装和配置文件应用规范；

2)三维工程应用规范:包括三维设计规范、三维建模规范、三维标注规范、仿真规范和三维制造规范；

3)系统应用与管理标准和规范:包括PDM系统基础应用标准和规范、PDM系统产品图纸文档管理标准和规范、PDM系统3D工艺文件标准和PDM系统BOM管理标准。

2.4实施路径和步骤设计

按照统筹规划、分步实施的原则，开展平台建设和应用。

第一阶段:平台建设。这一阶段研究业务流程模型，搭建设计、技术、制造一体化平台，打通设计、技术、制造、检验的数据链路。这一阶段的重点工作是搭建TCM流程平台，将TC与ERP系统集成，通过试点部分的测试和应用，验证技术平台的可行性。

第二阶段:平台验证。基于设计制造技术平台的验证应用和全三维设计、4BOM数据流表制造的研究，选择整车项目在系统平台上运行，在各业务环节应用完整的验证技术平台。

第三阶段:优化应用。在这个阶段，我们将对技术平台进行完善和优化，并在公司内部的多个项目中进行推广和应用，逐步将技术平台覆盖到内部所有制造流程中。未来会考虑和异地子公司整合。

3单一产品数据源设计与制造技术平台的实践

三年来，围绕单一数据源设计制造技术平台的建设和实际应用，开展了大量的测试验证工作，主要包括:软件模块技术测试、软件模块功能测试、系统集成技术测试、系统集成功能测试、零部件模拟测试和项目运行测试。前期用转向架总成等7个典型部件数据对软件功能模块和系统集成进行了测试和验证。然后结合具体项目的大部分进行模拟运行，并选择马其顿动车组项目进行上线测试。

4结论

通过以上思路和阶段性探索，我们可以得出以下结论:

1)选择TCM进行流程设计和管理。基于TC平台，流程直接重用设计模型。业务采用设计和技术的综合项目管理。马其顿动车组项目的试制几乎没有工艺准备周期。通过集成并行协作，及时开展工装设计、加工程序编制和工艺分析工作。但在测试过程中也发现，系统全方位使用时，如何实现自顶向下的设计、如何实现异地协同设计、如何适应快速生产情况下的早期采购、如何实现流程设计的简化和标准化等问题需要妥善解决。

2)TC与ERP/MES的数据集成，打通了设计、技术、制造的数据链接。马其顿EMU项目已实现数据同源。但仍需解决以下问题:基于设计BOM生成工艺BOM的数据结构，从不同视角重构BOM，集成关联管理；TCM工艺计划多工艺路线和ERP生产调度单工艺路线条件下的物料转移；数据版本替换在技术平台内的多个系统中准确有效地传输。

3)构建设计制造技术平台，既解决了单一数据源、知识继承和* * *，又在虚拟环境下的设计、制造和仿真验证中真实体现了数字制造的价值。目前只是在个别零件上进行部分仿真验证，验证的各个环节也是独立存在的。需要探索和优化的是在建立数据模型时如何满足仿真的需要，如何设计、仿真和改进一个闭环验证反馈系统。

4)利用设计制造技术平台对公司经营管理的现有商业模式产生较大影响。除了软硬件设施，及时跟进适合企业特点的技术标准和管理流程体系也很重要，甚至比系统平台本身更关键。

5)设计制造技术平台各种复杂的软件都有一定的业务范围，企业需要根据自己独特的产品和运营特点进行适度的二次开发。如何在不进行软件升级的情况下利用好技术平台，在搭建技术平台的时候要统筹考虑。

总之，数字化制造技术平台是实现数字化制造的基本保证。南车株机通过马其顿动车组等项目的大量数据测试和试运行，证明TC、ERP/MES数字化设计制造集成技术平台的技术框架和技术路线能够满足数字化制造技术的要求。马其顿动车组项目的实际应用，也开启了我们对数字化制造的探索和应用之旅。但要想让数字化制造技术平台很好地服务于公司的制造，用好这个技术平台，技术方面仍需要重点关注:MBD(Model-BasedDefinition)模型技术、集成BOM的优化应用、多系统集成及其管理流程的数字化。

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