轨道交通电力机车核心部件智能制造新模式应用

1.实施智能制造的必要性

轨道交通具有环保、低碳、节能、运量大、速度快、安全可靠、集约用地等优势，是解决城市交通拥堵、环境污染严重、能耗过高等问题的最佳选择。当前，我国轨道交通正进入一个前所未有的蓬勃发展期，我国已经成为世界上最大的轨道交通建设市场。传统的制造模式已无法满足市场需求，牵引系统用电机在制造、检测、装配等大部分工序自动化程度低，属于劳动密集型生产，劳动强度大，产品质量不稳定，缺少标准；制造水平较高的企业主要处于“局部的智能装备+部分设备联网+分离的信息系统”阶段，与智能制造的差距较大。

成都中车电机有限公司与国内外同行业相比，在生产效率、产品质量、技术水平等方面的综合竞争力仍有差距，需要改变原有落后的生产模式，探索应用智能制造新模式。在电机定转子铁芯叠装、电机定转子嵌线、联线焊接、线圈制造，总组装、喷涂等工序应用自动化技术，并通过信息化管控系统的定制化进行开发应用，提升智能制造整体水平，有助于国内电机行业整体制造水平的提升和质量突破。

2.产品生产和智能制造新模式的特点

2.1产品生产特点

轨道交通装备核心部件是典型的多品种小批量生产模式，有以下特点：

（1）生产周期长、工艺路线复杂、制造过程中部件生产繁多；

（2）计划变更频繁，对生产计划和调度的快速反应能力要求高；

（3）常出现设计和工艺变更；

（4）生产需求资源较多，涉及面广，多制造资源的合理调配和管理复杂，关键设备和供应链对订单进度和产品交付周期影响较多。

2.2智能制造新模式特点

为满足以上生产特点，应探索应用智能制造新模式。

（1）组建产、学、研联合体。将系统集成商、软件开发商、智能装备制造商、研究机构等紧密联合起来，组建产、学、研联合体，制定可行的联合体工作方案，实现信息共享、经验共享，保证项目的顺利开展。

（2）柔性化的自动化叠装系统。电机自动化叠装系统将叠片、检测、整形、叠压、组装、焊接有效的结合在一起，通过自动化技术，实现产品生产的标准化、准时化，提高生产效率和产品质量。可根据生产ERP和物料供应指令快速调整制作工艺，适应不同产品的制造，实现柔性化生产。

（3）自动化的物流系统。在自动叠装系统、线圈自动化流水线、自动嵌线系统中，通过自动物料转运桁架、自动物料转运车、机器臂等，实现物料自动转运、上下料功能；设置工件缓存区，完工后自动送至下一工位，提高转运效率。

（4）智能化的诊断检测。在线圈自动化流水线设计中，增加线圈浸水智能化检测装置，并通过信息化系统的应用，全方位无缝在线检测线圈状态，确保不漏检、不错检，简单、智能地解决故障。

（5）生产过程实时监控。对生产管理、设备管理、质量监控、物流管理、安全监控、工艺执行情况进行监控，实现制造信息联网，查看各种异常情况，分析产生的原因，及时制定解决方案。

（6）智能制造模式和标准相结合。以自动叠片系统为切入点，开展智能制造的生产模式，关键技术的研究与应用验证，项目将形成关键核心部件的智能制造相关标准，为其他部门和企业智能化改造提供参考。

3.智能制造新模式的实施内容

3.1建设电力机车核心部件智能制造产线

实施轨道交通用电机定转子铁芯叠装、电机定转子嵌线、联线焊接、线圈制造，总组装、喷涂等工序、改造前期准备工作，包括工位场地测绘、工艺布局规划、装备评估保养等，建设定转子铁芯叠装、电机线圈、风电铁芯生产线；通过自动化设备的定制化开发、安装、调试、使用，实现电机自动化生产；通过与企业资源计划系统、制造执行系统和自动物流系统集成，实现智能化生产。

3.2建设电力机车智能组装产线

以电力机车制造核心工序为切入点，综合运用智能组网、传感器网络集群、远程无线传输等先进智能化技术，配合信息化管控系统，实现电力机车真空断路器、高压电压互感器、车顶电缆、高压接地开关和母线等高压电器设备关键部件的智能化装配，通过智能装配系统采集工装状态信息，提供装配计划、过程及结果指示，执行上位机装配工艺信息指令，引导装配人员完成装配逻辑过程，通过智能装配执行系统对总装各个工步进行控制，并实时在上位机进行目视化展示，实现装配过程中防呆防错，从而体现智能化装配系统的实用性、安全性、开放性、易用性、可扩展性和高可靠性等优点，确保电力机车整机质量的可靠性。

3.3开发应用轨道交通装备及组装线智能物料配送和调度系统

以机车电机制造与整车组装车间为应用背景，对物料配送及调度系统进行研究和推广，实现物流智能化。研究串口同步的自主导航多传感器系统时间同步方法，实现多传感器系统采样高精度时间同步；研究基于可控平面约束的激光雷达摄像机直接标定方法，实现激光雷达和图像像素点的直接标定；研究激光雷达和立体图像对的像素级紧融合和松融合方法，实现激光雷达和立体视觉决策级融合障碍检测，提高导航检测系统的可靠性、安全性。

构建物料配送车辆调度多智能体系统，建立物料配送模型，在分析车辆调度作业流程基础上，建立基于多智能体强化物料配送车辆调度的工作流模型，支持物料配送车辆调度的有效运作，搭建智能体模型框架以及车辆调度各组成智能体结构体系，实现轨道交通核心装备制造及组装物料运输、调度及贮存的智能化。

3.4开发应用面向机车智能化装配的信息化管控系统

以实现全面信息化为前提，将现有各系统之间进行整合，消除信息孤岛，通过统一平台高效地协同业务处理，实现智能制造新模式应用。重点定制化开发面向智能化装配的信息化管控系统，一是完善和深化ERP系统在车间作业系统应用，实现关键部件生产及整机组装车间作业工序管理、无纸化领料、质量管控、工艺装备管理等模块的功能完善和开发；二是拟对关键部件生产及整机组装工艺CAPP系统进行升级及功能开发，并实现车间作业模块与ERP系统的数据对接；三是在关键作业工序中实施计算机辅助装配（CAA系统），通过对工序作业标准化进行软件编程，实现作业过程监控、安灯报警及可视化指导，实现关键部件生产及整机组装的智能制造。成都电机信息系统整体规划架构如图1所示。

4.解决的重大问题

4.1解决生产效率低、质量不稳定等行业共性问题

轨道交通装备核心部件的产品结构复杂，使用环境恶劣；用户的个性化要求高，设计变更较频繁，生产周期紧；加之现有的生产和管理模式落后，造成产品生产周期长，产品质量不稳定。通过智能制造新模式的应用，将有效解决生产效率低、质量不稳定的问题。

4.2解决人工操作多、劳动强度大的行业难题

传统的生产和物流管理多是手工模式，过分依赖个人的工作经验和能力，“干活考吼，工作靠走”的现象屡见不鲜。通过应用自动化设备和信息化管理平台，在降低操作人员劳动强度的同时，可有效实现生产管理和物料管理的透明化。

4.3通过设备和工艺参数的自动化监测，实现产品全过程可追溯

通过对制造装备进行智能化改造升级，开发数据采集和在线监测系统，实现全过程的数据实时监测和采集；建立健全产品配置管理、物料入库、过程制造、质量跟踪等总体制造平台，优化传统质量管理模式，高效收集、传递、共享、传递质量数据，提高产品产质量的可控性和可追溯性。

4.4解决多种异构设备或系统的协同与集成，实现多源数据融合

通过搭建基于企业服务总线和工业以太网的互联互通网络架构，以产品的工艺、制造和管理为主线，以车间MES为核心，通过多通信协议和接口，高效集成WMS、ERP系统，从而实现产品工艺、制造、检测、物流等产品全生命周期各环节的智能化串联，支持过程层的关键设备进行数据采集，并通过MES、ERP等进行信息交互、识别、监控、预警、决策、执行等，实行计划、采购、生产、管理等制造全流程信息化，将各类异构设备进行联网，实现系统集成和多源数据融合。

5.技术难点和创新点

5.1技术难点

（1）多品种、小批量的生产模式。小批量生产、单件式采购，个性化要求较多，标准化程度低。这样的生产模式造成订单处理、产品设计、排产调度、现场制造、物流配送等环节均存在实施难度，智能制造新模式的应用，需满足多品种、小批量生产方式下的全流程智能化需求。

（2）工艺技术的不确定性。目前，轨道交通装备核心部件的生产技术和工艺尚不完善、工艺布局不合理，导致实施过程中方案的调整变化多，成本不易管控。智能制造的实施需通过各类数据的统计分析，制定完善工艺和作业模式标准，满足智能制造实施的基本要求。

（3）一体化信息管理平台的建设。信息化系统与企业各类管理工作相结合，建设合理的、先进性的信息处理平台，是智能制造的基础。但智能制造往往涉及到设计、生产、物流、销售等各环节的信息系统集成与数据融合，建设一体化的信息处理平台，集成多源异构系统是实施智能制造的一个难点。

（4）面向制造的系统仿真技术。由于装备所需零配件较多、制作工艺复杂、装配要求高，需要通过仿真技术来模拟实际制造过程，验证方案可行性。通过仿真分析，发现缺陷并进行优化，减少成本的浪费，有效提高生产效率和产品质量。而在此过程中，大量的数据分析和仿真模型演练是个难点。

5.2主要创新点

（1）设计制造理念创新，具有原创性。由于需满足多品种、小批量的生产特点，目前行业内尚没有可借鉴参考的智能制造模式。本项目以轨道交通装备核心部件为目标产品，依据产品特性和生产组织模式，在行业内首次进行探索和创新尝试，具有高度的原创性。

（2）制造设备的应用创新。针对轨道交通用电机加工的特点，运用传感技术，在设备、工装、通道口设计应用传感装置，实现自动识别生产状态运行情况，保证每次作业都做到精确定位，生产速度和产品质量都比人工操作大幅提升。

（3）高度自动化、柔性化作业。根据生产作业系统的不同要求，自行完成工艺数据的调整，通过设备、工装的自行调整，满足多种产品的混线柔性化生产，满足多品种小批量的生产需求。例如，作为电机扇形片的自动化叠压中最重要和最难以实现的一环，在其前端和后端分别配置自动化供片装置和自动化油压装置后，整个电机扇形片的叠压过程实现完全自动化。

6.结语

通过在轨道交通电机核心部件制造及整机组装过程中，研究应用智能制造新模式，可有效满足多品种小批量的生产模式，解决行业共性问题，且可形成一套涵盖技术标准（规范）、经验成果等在内的智能制造解决方案，通过方案的推广应用有助于国内电机生产制造水平跻身世界前列。同时，也可扩展应用至涵盖新能源装备电机、风电配套装备等电机行业，有助于提升国内电机行业的整体智能制造水平。

作者：郭峰

本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第22期

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