轨道交通系统软件设计（processsimulate轨道交通行业应用）

转向架是轨道车辆结构中最重要的部件之一。随着我国高速铁路运输的发展，对车辆的需求有了大幅增加，转向架的制造能力随之成为关键环节。在通力服务过的典型企业里，有一家企业的转向架车间已经是满负荷运转，如何在最短时间内提高生产效率，成为了该企业“脑瓜疼”的问题。

摆在眼前的有两大方面困难：

其一，车间混线生产且多品种并行生产，工艺路线不完全相同。单次批量虽然不大，但产品更换频繁。不仅有单件试制任务，装配台位及物流路线还不规范，急需具有通用化、柔性化的车间布局。其二，对于现场装配工作，产品试制周期长，设计变更及信息反馈频繁。员工的工作量大且操作难度高，工装设备与新产品还出现干涉，调整周期长。

划重点：如何通过优化产线布局，适应多种产品型号，使工艺路线最优，达到设备的利用率最大化，人机合理协同，同时避免人员劳动伤害，成为项目攻克的核心。

01

项目背景

传统的手工规划和统计已经不能满足当前复杂协同生产的需要，二维的装配工艺也因为缺少仿真验证手段难以指导装配。工装工具往往需要现场试验才能确定，难以预先规划，容易产生干涉和错误等情况，已经不能适应现场的需要。Tecnomatix 是西门子公司数字化制造的软件，工艺人员可以在三维可视化环境下进行装配顺序的规划，对装配工艺的可行性和合理性进行验证，优化装配工艺，输出三维工艺文件指导现场生产。

车间工艺布局问题是制造系统设计过程中的重要问题之一。实践表明，实施布局的最终结果对制造系统运行过程中的物流费用、生产效率、搬运效率以及系统的实际产能等均有重大影响，车间工艺布局设计是物流系统设计分析的重要一环，合理的设施布局设计可以提高生产效率、降低制造成本、缩短生产周期。通过Tecnomatix 对转向架总成车间机车转向架组装线区域的虚拟工艺布局及转向架装配工艺仿真，实现两方面目的：

其一，通过对转向架总成车间机车转向架组装线区域工艺布局的优化、物流通道的优化，依靠产能验证与分析、生产系统瓶颈分析等，从而得到最佳车间布局方案，为车间布局改造提供依据。其二，通过装配工艺仿真来优化装配工艺，验证工艺操作顺序、验证工装设备及工具的适应性并进行人机工程分析等，从而缩短产品生产制造周期。

02

工艺布局规划

运用Tecnomatix Plant Simulation 工厂仿真软件，对车间内各组成单位及工作地建立二维平面仿真模型，在多品种混合生产模式下，模拟工作台位、天车运行、物料配送和转运路径，验证装配线的产能、识别瓶颈，针对瓶颈提出优化建议，为车间实施技术改造提供有力的依据。

▷ 仿真数据收集

根据德国仿真专家Steffen Bangsow 提出的仿真数据项分类列表，对转向架车间的技术数据（Technical data）、组织结构数据（Organizational data）及系统加载数据（System load data）三部分进行收集整理。

▷ 概念模型设计

在仿真需求分析的基础上，采用IDEF0 图，以自顶向下逐层分解的方法，建立了整个车间生产活动的概念模型。

▷ 仿真模型实现

建立仿真类库

在对车间活动进行概念分析的基础上，抽取需要建模的实体元素，并进行归类，建立了Plant Simulation自定义类库。

建立车间全局仿真模型

利用Plant Simulation 标准类库和自定义类库，建立了转向架车间全局仿真模型。

△ 转向架车间虚拟工艺布局仿真模型

建立各装配台位仿真模型

根据概念模型，建立构架装配台位、落车台位、称重台位、工装卸载台位等仿真模型。如构架装配台位是由作业工位、操作工站及物料堆放区组成的功能综合体，建立其仿真模型。

△ 构架装配台位的仿真模型

▷ 仿真结果分析和优化

以24小时为时间跨度，两种型号的转向架装配任务为数据基础，运行仿真模型并观察车间作业情况，利用Plant Simulation 提供的数据统计工具分别得出了一天内的天车利用率、吞吐量(Throughput)、物料流量Sankey 图、工人作业效率、工作台位利用率、转向架缓存区占用率等定性和定量数据。

车间工艺布局优化

以厂房结构、产品、设备、工装、物流容器、生产线等生产资源的三维数字模型为基础，在三维环境中使用仿真软件对工厂布局以及车间生产线布局方案进行可视化仿真。

产能验证分析

结合公司多品种、小批量并行生产及单件试制等生产现状，车间的工艺布局要具有通用化、柔性化的特点。通过仿真分析不同生产状况下的产能，仿真运行结束后，得到工人在满负荷工作条件下的产能数据吞吐量的数据。

车间物流通道优化

对各种生产要素包括物料、机器、物料存放区、行车、人等生产要素进行逻辑建模，使用不同产品和不同的生产任务，对物流规划方案进行仿真，准确对生产线的实际物流过程进行预测，提供最优物流线路。

△ 配件配送物流Sankey图

△ 构架配送物流Sankey图

△ 轮对配送物流Sankey图

△ 转向架转运交付物流Sankey图

生产系统瓶颈分析

通过生产过程的仿真分析，可以清晰的显示出每个台位的占用率情况，找到生产系统中的瓶颈，并通过资源调整使生产系统得到均衡。

下图是四个构架台位的瓶颈分析图，在每个台位的装配工站和虚拟工站上方均显示了占用率条形图，绿色表示正常工作时间比例，黄色表示物料转运受阻而停留在工站的时间比例。可以看出，成品构架在离开这四个台位时都发生不同程度的阻塞，而成品构架离开装配台位需要天车吊运，这表明天车的运力不足。

△ 构架装配台位瓶颈分析

另外从天车利用率柱状图中可以看出，每一架天车的工作时间比例都在90%以上，这表示天车的工作负荷很重，是物流中的瓶颈所在。

△ 天车利用率柱状图

▷ 提出改进方案

除了以上分析结果以外，综合各方面的分析结果，提出整个车间的物流改进方案：

其一，在各个工作台位附近放置固定位置的悬臂式吊车，专门用来辅助安装工作，分担天车的工作压力，解决天车负荷过重的现状。其二，集中在离轮对暂存区较近的一端铁轨处落车，减小轮对搬运的距离。其三，称重台位向右移动实现对物流密度的优化，以及人员配置合理性建议等。

03

装配工艺仿真

Tecnomatix 的动态装配过程仿真提供了先进的工具和手段，为设计和工艺人员提供了一个三维的虚拟制造环境来验证和评价其装配制造过程和装配制造方法。在此环境下，设计人员和工艺人员可同步进行装配工艺研究，评价装配的工装、设备、人员等影响下的装配工艺和装配方法，在装配制造模型下进行装配工装的验证、仿真夹具的动作、仿真产品的装配流程，分析产品验证产品装配的工艺性, 检验装配过程是否存在错误，零件装配时是否存在碰撞等，达到尽早发现问题、解决问题的目的。

▷ 数据组织

准备进行相关产品零部件、工艺资源的三维模型建模，包括加产品模型、工装设备、工装夹具、操作工具、传输线等工艺资源的三维数字模型，并且准备相关的工艺文件和人员配置等数据。

▷ 工艺规划

在Process Designer 模块内进行装配工艺流程规划，依据产品的装配工艺，在系统中建立产品树、资源树、工艺树、操作树及其相互间的关联关系，形成产品的装配工艺结构，设定产品的装配过程，并依据仿真需要调整各种模型及资源的相对位置，形成结构化工艺。

▷ 工艺仿真

在完成装配工艺流程规划后，通过Process Designer 模块直接进入 Process Simulation 模块内进行工艺仿真，在Process Simulation 模块的三维虚拟制造环境下，利用产品和资源的三维数据来验证和评价其装配制造过程和装配制造方法。通过仿真产品的装配流程来验证产品装配的工艺性，达到尽早发现问题、解决问题的目的，确定最优装配操作顺序以及仿真和优化产品装配的操作过程。通过人机工程仿真，评估装配时人体的可操作性和装配操作的可达性，评估人体在安装过程中的舒适度和作业不当的工作姿势，并采取积极措施予以尽快改善。

△ 装配工艺仿真

规划产品装配顺序

工艺规划完成后，使用仿真软件结合工艺技术要求进行装配过程仿真，输出合理的产品装配顺序。

△ 规划产品装配顺序

规划产品装配路径

使用仿真软件导入产品及生产资源模型，结合工艺技术要求进行装配过程仿真，输出合理的产品装配路径。根据装配操作内容，定义起始位置、关键位置和终止位置来创建操作。在干涉检查发现干涉路径后，通过手工和自动路径规划来避免干涉。

△ 自动路径规划

△ 自动规划无干涉路径

验证工装设备及工具适应性

通过仿真进行装配过程干涉分析、接触分析、间隙分析、截面分析、空间范围分析等，同时输出分析结果。

△ 天车运动机构定义

△ 工具使用

人机工程分析

通过人机操作仿真进行姿态分析、人体动作分析、可达性分析、负荷分析、疲劳度分析等，同时输出分析结果并形成分析报表。

△ 人体分析

△ 人体推车分析

通过仿真可以在三维的虚拟制造环境中来验证和评价其装配制造过程及装配制造方法。把产品、资源和工艺操作结合起来分析产品装配的顺序和工序的流程，并在装配制造模型下进行装配工装的验证、仿真夹具的动作、仿真产品的装配流程，验证产品装配的工艺性，发现存在问题时能够尽快做出调整。如人体在锁紧牵引杆螺钉时，容易造成疲劳损伤的不适感，位置又在轨道中央，容易引起安全事故，因此建议改进此工艺操作。

△ 扭力扳手分析

04

项目小结

使用物流仿真模拟产品的装配物流，优化车间的工位布局及关键设备的调度，提高设备的利用率，在多关键因素环节中分析最优的解决方案，以最小的改造投入获取最大的生产效益。

使用装配工艺仿真模拟产品的装配过程，分析装配顺序、装配路径及人机交互，验证工装的使用，在虚拟的环境中提前模拟，减少生产准备时间及试错试制周期，为车间提供形象的可视化作业指导，提高产品质量。使用数字化手段为生产服务提供验证业务流程，为企业建立更优质的技术基础。

,