轨道车辆数字化制造技术平台应用探索

1、 轨道车辆数字化制造技术平台应用探索 摘要：全三维的数字化样机来方便管理整车空间分配和重量质心控制，能方便快捷地调整设计方案，并可以快捷方便地转化二维工程图等工作，满足后期制造应用的需要，减少对实物样机的依赖从而提高设计质量，缩短产品设计周期。关键词：轨道车辆；数字化制造；1现状随着人力成本不断上升，制造业的生产成本频频上涨，加之消费者对商品多样化与个性化的需求不断增加等因素，制造企业的利润越来越低，如何增加利润成了制造企业最为关心的话题。在工业发展进程中，曾作为“第一利润源”的资源领域与“第二利润源”的人力领域，经过长期的发展与应用后，这两个领域所能创造的利润已所剩无几，寻找新的利润增长点迫

2、在眉睫。1970年，日本西泽修教授在其著作流通费用不为人知的第三利润源中，认为物流可以为企业提供大量直接或间接的利润。此后，物流领域的潜力越来越受到众多企业管理者的重视。相关研究表明，在产品生产过程中，加工和制造的时间占比仅为5%9%，其余90%多的时间都消耗在存储与运输等生产物流环节中，物流费用占到生产总成本的50%。根据国家发改委发布的2015年全国物流运行情况通报中显示，2015年度的物流成本占全国GDP的16%，而同期欧美发达国家的这一数据仅为10%。抛开高速收费、税费过高等因素之外，国内企业在物流，尤其是生产物流领域中的技术管理水平与国际先进水平存在差距也是其中一个重要的原因。因此，

3、目前越来越多的国内制造企业开始重视生产物流，并把生产物流管理作为企业战略管理的一个新的着眼点，同时积极采取物流优化策略，来寻找新的利润空间，从而增强企业竞争力。梳理文献发现，国外学者在生产物流方面的研究起步较早，主要集中在物料搬运设备的选择、作业排程以及物料搬运设计与设施布局之间的相互影响等方面。而国内学者主要从生产物流计划模式、厂内物料配送、供应链环境下的生产物流以及物流技术装备与信息系统的运用等四个方面展开了相关的研究。地铁车辆是城市交通迈向现代化的一个重要标志，也是城市基础设施建设和形象建设的重要组成部分。各个城市的地铁车辆大多融合当地城市特色及相关业主需求，是一种典型的定制化生产产品。

4、地铁车辆制造过程中，零部件众多，结构复杂，工序繁琐，这些特点使得离散定制生产的管理实践具有一定的复杂性。在针对离散制造企业生产物流的研究中，学者们主要是生产物流系统设计、优化及发展状况来进行研究的。但是如何利用当今的信息技术来优化生产物流，同时降低成本并将其运用到具体的制造企业中，特别是轨道交通行业的研究则很少。2基于单一产品数据源的设计制造技术平台构想轨道交通车辆的发展趋势特点是小批量订单式生产，交付周期越来越短，个性化需求众多。如何充分利用成熟车型产品平台，快速实现高性能、高质量、低成本的个性化派生设计和制造，是现代轨道交通装备企业必须面对的课题。而本文涉及的构建单一数据源的设计制造技术平

5、台，就是结合当前两化融合的技术发展趋势，提出的解决方案构想与实施探索。通过设计、工艺和制造信息化平台的优化应用，整合公司现有产品、技术，建立企业知识库，实现产品技术数据、生产制造数据的共享与重用；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必要的数据基础；在提高产品性能的同时，提高产品可制造、可维护性能。2.1系统架构与平台设计南车株机公司设计的数据管理平台采用TC系统，制造环节采用ERP系统（包含一定的MES功能），已经应用多年，但是工艺采用传统的CAPP，一直与设计和生产脱节。经过广泛的调研，选用TCM进行工艺设计与管理，并将设计、工艺整合成产品生命周期管理系统（PLM）。其次，

6、梳理应用多年的ERP/MES系统，将PLM平台与ERP/MES系统无缝高效集成搭建企业单一数据源的设计制造技术平台；并实现从设计模型、设计数据到工艺文件、工艺模型、加工程序，再到生产、维护维修的数字化制造业务流程。主要业务模型设计如下：设计方面：逐步探索自顶向下设计模式，在NX/TC环境下建立标准化的三维设计环境和各类产品设计模板，以灵活、快速、高效的方式对设计进行建模和修改，提高设计效率。同时，改变现有三维几何模型加二维图的制造信息表达模式，应用NXPMI工具，将产品几何信息、产品制造信息全部集成在三维模型上表达，逐步取消二维图纸。利用NX/TC协同设计平台在虚拟环境下进行三维设计分析与仿真

7、验证，开展数字化样机设计，提高设计准确性和效率。工艺方面：引入TCM模块，工艺与设计基于TC系统一体化，开展三维结构化工艺设计、工艺技术体系及工艺资源的数据平台化管理。以三维设计模型、设计BOM、设计文件为输入，进行三维工艺设计和工艺仿真，按照工艺技术标准体系输出三维工艺设计文件、工艺BOM。用TC系统集成的NX进行三维工装设计、CAM数控加工仿真。同时，积极探索TC系统与焊接、装配、钣金、弯管等仿真软件集成，构建工艺仿真验证与设计平台形成反馈闭环。生产制造：采用ERP/MES系统，通过中间数据库与TC系统集成，打通设计BOM、工艺BOM、制造BOM数据链。ERP/MES系统接收TC系统工艺设

8、计的一次流程划分和原材料拆分、工艺路线、工序材料定额和工序工时定额、以及设计/工艺变更等数据；然后根据项目计划和工艺数据，下达生产计划及生产资源配置。将TC、CAPP、ERP三个系统的物料编码在物料编码平台统一管理，实现物料计划、采购、生产、物流、成本的流程化管理。以项目管理为主线，开展生产计划、作业排程、物料配送、完工情况等生产制造管理；其次与EHR中的组织、人员同步，实现生产作业人员管理。2.2建立合理的三维设计流程以三维设计代替二维设计，工作模式上的改变势必造成工作流程上有所变化，实现完全的三维设计首要而关键的问题在于摸索出一套较为合理的整车三维设计流程，探索出一套适合轨道车辆整车三维设

9、计使用的设计思路和方法。在三维设计中，装配过程比较符合生产过程，而设计过程是自上向下的，也就是逐步细化的过程，也是一个设计信息的逐步继承和完善过程。为实现符合设计思路的三维设计流程，必须利用搭建好的协同设计平台，加之标准的设计环境和规范的模型管理，实现整车模型间的信息传递和结构控制，完成自顶向下的三维设计。轨道车辆的设计过程，主要包括概念设计、方案设计和施工设计等三个阶段，在这三个阶段过程中，自顶向下（TOP-DOWN）的设计理念贯穿其中，通过自顶向下的设计方法，将上一级的设计思路通过骨架向下级逐级进行传达和细化。在具体设计过程中就是车辆总体把相关设计控制向各大部类进行传递，大部类在细化设计方

10、案后向部件传达。同时，设计流程方面还必须重点考虑后续设计更改的方便性和灵活性，所以针对不同的设计阶段、不同的骨架和不同的子结构，必须使用不同的装配模式和装配参照。2.3方案设计数字化样机总体架构的关键之一是要抓住方案设计这一环节。相比于方案设计，概念设计阶段与车辆几何实体相关的总体参数较少，各分包商亦只有前期类似项目的基本方案。方案设计需要对总体几何参数分解展开，划分主要装配层次。划分的原则是要以车辆各专业设计分工为原则，尽量简化或区域化接口，以便控制车辆内部及外部设计接口。规划和建立方案设计对应的模型，要保证各个总体参数以及分解的各个方案设计参数能完整地传递到后期的详细施工设计中，保证了参数能完整传递就保证了后期的数字化样机能及时回溯修改，相关的设计修改才能最大限度地由计算机自动完成，从而节省时间并减少人为失误。车辆外部设计接口与车辆内部各专业之间的设计接口都要合理表达，才能将各级装配关联成整体的数字化样机。总结：新的设计方式还带来产品开发方式的革新，直观的三维模型可以让工艺等部门更早地参与设计过程，当冻