數(shù)字化工藝與精益生產(chǎn)在鐵路救援起重機(jī)制造過程中的探索

王化勝 吳景洋 譚宗保 王成波 中車齊齊哈爾車輛有限公司

序言 發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

鐵路救援起重機(jī)是專門對鐵路事故中的鐵路機(jī)車車輛或其它障礙物進(jìn)行起吊清理的特種用途車輛。具有某種專門用途或者是特(種)殊用途的貨車。由于市場規(guī)模不大，生產(chǎn)模式一般為單件或者小批量。目前生產(chǎn)成本較高，效率較低，始終制約著的鐵路救援起重機(jī)業(yè)務(wù)發(fā)展。主要原因：(1)生產(chǎn)過剩的浪費(fèi)：由于生產(chǎn)計(jì)劃不準(zhǔn)時(shí)造成的生產(chǎn)提前，浪費(fèi)人員、設(shè)備、原材料；(2)制造不良的浪費(fèi)：零部件的報(bào)廢、返工，浪費(fèi)材料、工時(shí)、設(shè)備等資源；（3）停工等活的浪費(fèi)：由于機(jī)械故障、等待上道工序；（4）組裝本身浪費(fèi)：由于組裝工序不合理或者零件本身配合不合理，或者操作者技能水平差異，造成零部件反復(fù)拆裝；（5）搬運(yùn)的浪費(fèi)：物料沒有在規(guī)定的位置，造成轉(zhuǎn)運(yùn)距離過長；（6）庫存浪費(fèi)：原材料、半成品提前購買或者過多生產(chǎn)，并且產(chǎn)生管理費(fèi)用。

數(shù)字化工藝，即可使制造部門設(shè)計(jì)數(shù)字化產(chǎn)品的全部生產(chǎn)流程，在部署任何實(shí)際材料和機(jī)器之前進(jìn)行虛擬推演，已廣泛應(yīng)用于航空航天，船舶、汽車工業(yè), 并取得良好成效。國際著名的制造業(yè)統(tǒng)計(jì)權(quán)威刊物CIMdata統(tǒng)計(jì)得出：典型部件裝配周期縮短60%，飛機(jī)裝配周期縮短10%以上，裝配工藝設(shè)計(jì)周期縮短30%～50%，裝配返工率減少50%，裝配成本減少20%～30%。然而，目前數(shù)字化工藝與制造技術(shù)應(yīng)用與鐵路運(yùn)輸設(shè)備生產(chǎn)方面還處于起步階段，并沒有成套可借鑒的成熟方案，結(jié)合前期初步探索和對精益生產(chǎn)的理解，數(shù)字化工藝與精益生產(chǎn)相結(jié)合的方法，對目前起重機(jī)生產(chǎn)制造存效率低下有所幫助。

1 關(guān)于數(shù)字化工藝

1.1 數(shù)字化制造

從定義來說，數(shù)字化制造是指在數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)融合的背景下，并在虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、快速原型、數(shù)據(jù)庫和多媒體等支撐技術(shù)的支持下，根據(jù)用戶的需求，迅速收集資源信息，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行分析、規(guī)劃和重組，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能的仿真以及原型制造，進(jìn)而快速生產(chǎn)出達(dá)到用戶要求性能的產(chǎn)品整個(gè)制造全過程。從一般的解決方案中，數(shù)字化制造主要由四個(gè)部分組成，對應(yīng)的關(guān)系及涉及的內(nèi)容如圖1所示：

圖1 數(shù)字化制造解決方案模型

1.2 簡化模型

數(shù)字化制造本身是一個(gè)系統(tǒng)的工程，每個(gè)過程都需要具備一定的基礎(chǔ)知識及實(shí)際數(shù)據(jù)作為支撐。在實(shí)際應(yīng)用中，不必面面俱到，挑選適合因素來實(shí)施就好，這樣即節(jié)省了學(xué)習(xí)吸收的時(shí)間，又能在最短的時(shí)間內(nèi)見到效益。對于鐵路救援起重機(jī)，為方便實(shí)施，提供一個(gè)基礎(chǔ)的簡化的模型。這里去掉了工廠布局優(yōu)化，去掉了人因工程及機(jī)械運(yùn)動等部分。這樣，整個(gè)過程變得簡潔明了，在不影響整體效果的情況下，更具有操作性和實(shí)際意義。圖2給出了符合現(xiàn)狀的數(shù)字化制造模型。

圖2 符合現(xiàn)狀的簡化模型

1.3 輸入輸出

根據(jù)給出了數(shù)字化工藝在鐵路救援起重機(jī)實(shí)施過程中模型，可對其分解，得到每個(gè)環(huán)節(jié)的輸入輸出模型，這樣，可以把數(shù)字化工藝從理論模型轉(zhuǎn)為可以實(shí)際操作的模型。對于3D工藝規(guī)劃，屬于數(shù)字化制造的基礎(chǔ)階段，主要以輸入為主，其所需輸入如圖3所示。對于3D工藝仿真，3D工藝規(guī)劃輸出結(jié)果作為輸入的一部分，除此之外，還包括工位布局、物料布局、過程定額等，并把過程所需要的人員進(jìn)行定編，確定工作量。

圖3 3D工藝規(guī)劃輸入

圖4 3D工藝仿真輸入

當(dāng)完成3D工藝仿真文件，接下來，其輸出結(jié)果會帶來如下的實(shí)際意義。首先是一個(gè)組裝的仿真動畫，這個(gè)仿真動畫會規(guī)定好物料的擺放位置，工位布局，這個(gè)物料擺放位置能解決現(xiàn)場物料亂放的問題，解決第5種浪費(fèi)，過程中會根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際直觀的體現(xiàn)工作量，得到的過程組裝時(shí)間，解決了第3種浪費(fèi)，過程人員定編，會清晰的了解生產(chǎn)所需人數(shù)，解決了第1中浪費(fèi)；其次是一個(gè)可視的工藝指導(dǎo)文件，又可消除由于人員技能水平不平均造成的零部件反復(fù)拆裝的浪費(fèi)，解決了第4種浪費(fèi)，對關(guān)鍵組裝部位進(jìn)行工藝說明，可以避免制造不良的浪費(fèi)，也是就解決了第2種浪費(fèi)，根據(jù)組裝過程的先后順序確定零部件的生產(chǎn)制造節(jié)拍或者購買時(shí)間，制定合理生產(chǎn)計(jì)劃及采購計(jì)劃，又解決了第6種浪費(fèi)。圖5給出了在鐵路貨車組裝過程種的技術(shù)探索。

圖5 前期在鐵路貨車組裝過程中的探索

2 具體實(shí)施

從上述輸入輸出來看，整個(gè)階段需要多部門配合協(xié)同完成。根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)作模式和條件，項(xiàng)目管理模式更符合自身特點(diǎn)。該項(xiàng)目的整體靈魂是導(dǎo)入精益生產(chǎn)的理念，即“零浪費(fèi)”作為其終極目標(biāo)，數(shù)字化工藝為核心技術(shù)手段，項(xiàng)目管理模式作為運(yùn)行實(shí)施平臺。從一般的項(xiàng)目管理來說，項(xiàng)目管理分為項(xiàng)目啟動、項(xiàng)目計(jì)劃、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目驗(yàn)收四個(gè)階段。首先要確定一個(gè)對象，并針對該對象立項(xiàng)。

2.1 項(xiàng)目啟動

項(xiàng)目啟動是項(xiàng)目管理的第一個(gè)環(huán)節(jié)。概括來講，一個(gè)項(xiàng)目管理要進(jìn)行兩項(xiàng)活動，即項(xiàng)目管理的活動和項(xiàng)目本身的活動。項(xiàng)目管理的活動主要包括立項(xiàng)申請、組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)、編寫項(xiàng)目任務(wù)書和召開項(xiàng)目開工會四項(xiàng)。其中，立項(xiàng)申請是進(jìn)行項(xiàng)目管理活動時(shí)可做可不做科目，其他三項(xiàng)是必做科目。為了方便理解，將數(shù)字化工藝四個(gè)階段項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)人員如圖6所示。

圖6 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)人員組建

2.2 項(xiàng)目計(jì)劃

項(xiàng)目計(jì)劃作為項(xiàng)目管理的第二個(gè)階段，在項(xiàng)目管理中起承上啟下的作用。在項(xiàng)目管理中，項(xiàng)目計(jì)劃階段主要包括四方面內(nèi)容：進(jìn)度計(jì)劃管理、成本計(jì)劃管理、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)劃管理和溝通計(jì)劃管理。對于本項(xiàng)目，考慮自身情況及項(xiàng)目復(fù)雜程度，本著易操作的原則，只將進(jìn)度計(jì)劃管理納入其中。進(jìn)度計(jì)劃管理主要是對項(xiàng)目人員工作量和時(shí)間進(jìn)行一個(gè)約束，使得整個(gè)項(xiàng)目能夠有序進(jìn)行。整個(gè)項(xiàng)目分為四個(gè)階段，項(xiàng)目主計(jì)劃框架如圖7所示。

圖7 項(xiàng)目主計(jì)劃框架

2.3 項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目啟動與項(xiàng)目計(jì)劃都是為項(xiàng)目實(shí)施服務(wù)的，再好的計(jì)劃如果沒有實(shí)施，都無法輸出滿意的結(jié)果。項(xiàng)目管理者要制訂有價(jià)值的計(jì)劃，同時(shí)也要確保有足夠的條件來保證項(xiàng)目的成功實(shí)施。項(xiàng)目管理中的實(shí)施階段主要包括項(xiàng)目溝通、項(xiàng)目監(jiān)控、變更管理和成本控制四個(gè)方面。由于該項(xiàng)目屬于技術(shù)和管理相結(jié)合項(xiàng)目，難度大，不確定因素多。下面對整個(gè)實(shí)施過程進(jìn)行詳細(xì)解讀。

圖6給出了3D工藝規(guī)劃階段所需的項(xiàng)目人員，該階段主要是完成鐵路救援起重機(jī)3D模型建立及組裝，包括零部件、管線件、工裝類，所有模型需要精確表達(dá)，以確定后續(xù)結(jié)果的權(quán)威性以及指導(dǎo)意義，3D工程師納入本階段的項(xiàng)目核心成員CP,對應(yīng)工藝在本階段給予一定的解答和指導(dǎo)，屬于外圍成員EP。

圖6給出了3D工藝仿真階段所需的項(xiàng)目人員，該階段主要完成鐵路救援起重機(jī)的組裝仿真。組裝工藝需要完成工位布局及物料布局，必要時(shí)3D工程師建立產(chǎn)線布局，根據(jù)整體的工藝規(guī)劃，建立3D組裝過程。定額、勞資及現(xiàn)場有經(jīng)驗(yàn)的電氣、液壓、高技能人員入駐項(xiàng)目，核定組裝工藝過程及組裝過程人員定編及定額。此階段工藝及3D技術(shù)人員同屬項(xiàng)目核心成員CP，定額、勞資及現(xiàn)場的電氣、液壓、組裝人員屬于項(xiàng)目外圍成員EP。

3D文檔輸出階段主要涉及到作業(yè)指導(dǎo)書（視頻）類的合成及關(guān)鍵工藝要求和說明，以及工藝文檔的整理，這個(gè)階段3D技術(shù)人員和工藝人員同屬項(xiàng)目核心成員CP。對于生產(chǎn)執(zhí)行，根據(jù)仿真結(jié)果可以對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行精確排產(chǎn)，排產(chǎn)過程也可作為采購的依據(jù)。整個(gè)過程需要生產(chǎn)及計(jì)劃人員介入，此外，整個(gè)過程需要有工藝人員進(jìn)行現(xiàn)場寫實(shí)，對不合理進(jìn)行采集，最終優(yōu)化工藝，形成PDCA循環(huán)，持續(xù)改善。

2.4 項(xiàng)目收尾

項(xiàng)目收尾是項(xiàng)目管理的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，主要包括項(xiàng)目的評估驗(yàn)收、項(xiàng)目的總結(jié)、文檔的歸檔的方面。在某個(gè)固定車型生產(chǎn)過程中，只需要將整個(gè)數(shù)字文件歸檔，以后就能重復(fù)利用這些數(shù)據(jù)文件，用于下次生產(chǎn)活動。真正做到一勞永逸，減少重復(fù)勞動，提升整體效率。

3 結(jié)語

本文通過現(xiàn)狀分析，總結(jié)出了目前鐵路救援起重機(jī)制造過程中主要存在的6種浪費(fèi)現(xiàn)象。以數(shù)字化制造為技術(shù)手段，得到了符合實(shí)際特點(diǎn)的實(shí)施模型，并在此基礎(chǔ)上，分析闡釋了相關(guān)輸入輸出文件及在生產(chǎn)中的實(shí)際意義。最終，以精益生產(chǎn)-即“零浪費(fèi)”作為其終極目標(biāo)，以數(shù)字化工藝為核心技術(shù)手段，以項(xiàng)目管理模式作為運(yùn)行實(shí)施平臺，給出了一種實(shí)際可實(shí)施的方案，這種方案可以消除目前存在的主要6種浪費(fèi)現(xiàn)象，并可對以往的組裝經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)積累并重復(fù)使用并改善，對下一步的實(shí)際應(yīng)用有一定的參考借鑒意義。整個(gè)項(xiàng)目過程中，并沒有完整可借鑒的案例，且技術(shù)水平要求較高，工程實(shí)施難度較大，需跨部門協(xié)作，這些環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生新的未知問題。