基于模型的线束制造工程

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现代汽车、卡车和其他车辆具有越来越多精密的电气和电子功能，给支持这些新功能的线束带来了更大的负担。随着复杂度的增加，当前的线束制造方法由于需要手动交换数据而且无法捕获部落文化，显得难以为继。基于模型的线束制造工程流程可自动执行数据交换，并通过设计规则捕获部落文化，帮助制造商改善线束质量并提高效率。
简介
今天的乘用车、休闲车和商用车不再仅仅是机电产品了。现代汽车配备了令人目不暇接的电子功能和部件。从标准舒适性和生活质量功能，如加热座椅、空调和车载信息娱乐系统 (IVI)，到有限的自动化和先进驾驶辅助系统(ADAS)，应有尽有（图 1）。此外，电子控制单元 (ECU) 网络现在可以协助执行必要的车辆功能，例如制动、转向和油门控制。在当今的汽车市场中，电子设备逐渐代表了车辆的大部分价值。

随着现代车辆中的电气和电子功能的日益增多，在执行器、传感器和 ECU 之间传输电力和信号的线束越来越受到重视。ADAS 和自动驾驶系统由于需要使用外部传感器来感知车辆所处的环境（例如正在接近的物体或限速标志），因此对线束的要求尤其严苛。

此外，对高度自动化和电力推进汽车的需求的与日俱增，直接转化为线束制造业的持续发展。目前，该行业每年的销售额超过1500亿美元。2018年，近30%的比例，即500亿美元的销售额来自汽车行业，而且汽车线束的销量还在增长。分析人士预测，到 2023 年，汽车线束行业的年收入将超过 700 亿美元，到 2025 年将超过 910 亿美元（Future Market Insights，2016 年）。

伴随行业发展而来的还有一系列新的挑战和压力。为了支持更多的电气和电子系统（其中一些非常精密），线束变得异常复杂。制造商还必须考虑所有可能的车辆配置，而其数量动辄达到数千万。在制造这些复杂系统的同时，企业还必须满足非常紧迫的时间表、严格的质量要求，并最大限度降低线束的成本和重量。



图 1：汽车具有一系列精密的电气和电子功能


当前面临的挑战



整个行业内常见的工程和制造方法已经沿用了几十年，并且在新时代显现出它们的局限性。线束制造仍旧是一个典型的劳动密集型过程（图 2）。目前，约 85% 的线束制造操作都是手动执行的。



图 2：线束制造仍然是一个劳动密集型过程，严重依赖于手动装配

更麻烦的是，线束设计与制造部门和系统之间存在脱节的现象。设计和制造工程师往往在各自的领域之间手动传输数据，重新创建和重新输入转换为各自系统的设计数据，例如 CAD、生产、装配板设计或成本核算系统等。

在这些全新挑战带来的重压之下，传统的线束制造方法开始显得难以为继。首先，设计和制造过程的脱节导致需要在领域之间手动传输和重新输入数据。这样做不仅速度慢，容易出错，而且难以高效地利用工程师的时间和精力。当制造工程师做出更改以提高线束的可制造性时，这些更改经常在团队之间的数据转换中丢失。即使在最先进的设施里，从设计工程到产品工程、制造工程和生成制造文档的高层次过程也是借助 Microsoft Office应用程序和 AutoCAD 图纸完成的（图 3）。



图 3：当前方法依赖于在流程的各个阶段手动输入和重新创建数据

信息被传递给链中的下一个人，由其以另一 格式或风格手动重新创建非数字信息。

这种做法既不够现代，也不可接受。新产品推出周期可能长达数月，设计变更需要多达几周的时间才能完全实施。手动数据共享和重新输入会导致错误，需要花金钱和时间进行修复，更糟糕的是，可能会危及良好的客户关系。

计划里程碑的步伐加快也意味着制造工程师几乎没有时间优化制造过程，因而从一开始便导致次优的流程。创建操作指导可能是一项特别具有挑战性的任务。使用当前方法，创建操作指导是一项困难、耗时而且极具挑战性的工作，需要足够的技能和专业知识才能准确、准时地完成。延迟或低质量的操作指导可能导致工位不足和不合格，进而产生装配错误。在测试期间发现错误将会迫使工程师进行冗长的返工，甚至完全废弃故障线束，从而产生意外成本。

另一个重大挑战是管理所谓的部落文化。部落文化是仅存储在员工头脑中的过程、方法和更多相关信息。部落文化是不成文的，但对于成功实施过程、创建产品或维持质量水平往往非常关键。员工调动岗位或离开公司将会带走这些信息，致使其监督过的过程或产品受到损害。

部落文化对包括线束制造商在内的许多公司而言是一种非常现实的风险。在美国，每天有一万名婴儿潮一代退休。在加拿大，从2011年到2016 年，达到退休年龄或以上的人口数量增加了 20%。在英国，据预测，2016年到2020年间，16至49岁的人口数量将会减少70万。劳动力市场不断萎缩，如果不加以解决，将会产生严重影响。管理者如何依靠更年轻、经验相对不足且规模更小的劳动力来维持生产率呢？特别是，他们如何获取当前员工掌握的重要信息和专业知识，以防范灾难性的部落文化损失？

线束设计到制造工艺流程



图 4：线束行业的高层次制造工程流程

图4显示了线束行业中典型的高层次制造工程流程。首先，设计工程发布初始设计或工程变更，以便进行成本核算并向客户提供报价。下一步，设计主线束工装图，然后设计生产模块和子装配（有时需要他们自己的装配板）。接下来，工程师将会设计整个线束的工艺清单(BOP)，将电线、焊接点、绞线和所有剩余材料分配到指定的设备或工位。然后将 BOP 发布到企业资源规划 (ERP) 系统。之后再对总装线进行平衡和优化，并创建操作指导。

当前，以上任何阶段都有可能出现数据重新输入错误，因此每个阶段都需要很高的技能经验。在流程下游进行的调整和更正必须手动馈送到上游，以实现数据一致性。传统的线束制造方法容易受到碎片化过程中的错误影响，而且随着工程师的退休或离职，可能会丧失部落文化。其他关键问题还包括：不一致或不准确的成本核算、次优的线束工装图设计或制造工艺设计，以及在车间错误地布置关键信息。这些都可能直接导致生产过程效率低下。结果，制造和总体成本可能会超过对客户的报价，生产质量也会遭受不利影响。

基于模型的流程通过自动执行数据交换统一了先前彼此割裂的设计和制造领域，并为工程师提供了跨领域的决策能力。以前由经验丰富的工程师掌握的部落文化现在可通过集成设计规则加以捕获，而这些设计规则支持自动化，可始终如一地指导所有工程师并检查设计中的问题。

在线束行业中，数字化和基于模型的企业包含三个关键方面(图5)。首先是线束产品的数字化模型和制造过程。线束和生产过程的数字化模型共同构成了数字化仿真模型。自动化是第二支柱。现代线束设计和制造解决方案可以使用资深工程师创建的设计规则，自动将数字线束和工艺模型转换为工艺过程清单、操作指导和其他输出格式。



图 5：基于模型的企业的三个关键原则：数字化、自动化和数据复用

同时还将部落文化嵌入到公司的生产流程中，保护其不受员工流动的影响。第三个支柱是数据复月。在基于模型的工程流程中，数据一经创建，便会最大限度供上游和下游所有使用者重复使用，而不需要他们重新创建或重新输入数据。


将线束制造带入数字化时代



线束制造商非常关注设计子装配、设计线束工装图、平衡生产线，以及生成工艺过程清单和操作手册。制造商也在大规模生态系统下开展运营。它们通常必须与企业资源规划 (ERP) 系统、制造执行系统 (MES) 以及车间内需要连接的系统（例如导线准备和自动测试设备）进行交互。

数字化可以简化以上各个系统和工艺之间的数据传递。自动化进一步提高了线束制造企业的效率。工程师指定设计规则以指导自动化操作，从而将部落文化嵌入到工艺中。然后，自动化利用产品和工艺数字化模型完成各种任务，包括生成工艺设计，计算成本，以及为车间装配人员生成文档。数字化仿真模型提供模型，自动化则生成下游所需的信息。

例如，随着时间的推移，线束制造商将会找出设计连接器子装配的最优程序。高级工程师可以输入此过程的步骤，作为用于自动化的标准、可复用规则和约束。作为第一步，这些规则可能规定应该为各种焊接连接组创建模块，将其转换为子装配。下一步可能是为导线全部属于同一车辆选项的连接器创建模块，然后再为剩余导线数量最少的连接器创建模块。最后，如果模块包含相关线束中的全部导线，则还必须包含这些线束上的包扎物和固定件。通过线束的数字化仿真模型，先进的线束工程软件（如 Capital）可以在几秒或几分钟内（具体取决于线束的大小）自动应用这些规则来完成此任务。

在另一个示例中，可以利用设计规则自动选择、放置线束工装图夹具并考虑其他因素（图 6）。在这些夹具的选择和放置方面拥有多年经验的高级工程师可以根据连接点、连接器和线束尺寸及长度来描述获得最佳夹具类型、放置和数量的指导准则。软件可使用这些规则来自动放置夹具、钻孔点和焊接平台，从而大幅提高线束工装图的设计速度和准确性。



图 6：设计规则有助于自动执行工装图夹具的放置和选择

此外，上游的项目延迟可能会压缩供制造工程师生成操作指导的时间。如果操作指导出现延迟或细节不足，则车间的装配人员必须寻求额外的指导。不仅如此，如果操作指导不全，可能降低成品线束的质量，导致它们无法通过生产后测试。于是骤然错过重要的项目交付里程碑，而且为了弥补损失的时间和良率，还会产生预期外的逾期运费。

利用线束和生产工艺的数字化模型，工程师可以自动生成操作指导。工程师可以合并操作手册模板、库和样式集，确保这些指令准确而且严格遵循公司的工业化和质量标准。此过程从线束的数字化模型开始。最初，这看起来像是线束布局的简单图，但工程师已使用特定的元器件、材料和其他数据三富了这一设计，使其成为物理线束的数字化模型。数字线束模型是基于模型的线束工程方法的基础。

基于该模型，线束工程软件可以生成极其三富的操作指导，其中包括用于切割导线的数据图表，而且可以将此类数据直接馈入导线切割机械。生成的操作指导还包括双绞线、带护套的多芯线、拼接菊花链的示意图，以及用于为连接器预装导线或盲堵的详细指导。工程师还可以生成各种线束工装图，向车间操作人员展示如何在电路板上布置子装配。使用数字化流程，使其成为一个自始至终获取相同数据馈入的连续过程，可以大幅提高总装过程的效率和准确性。


未来的线束制造



未来，公司可借助数字化和数字化流程实现更多目标。传统的车间从准备用于装配的材料开始，到切割导线，准备导线，进行焊接和连接器预装。然后在工装板上装配线束，并由技术人员执行装配后任务。先进的解决方案已经能够自动执行工艺过程清单的设计和优化，生成必要的操作手册以及线束工装图。

夫来，这些解决方案将会与其他系统网络相集成(图7)。ERP系统将帮助管理用于线束制造的材料储备，同时可通过制造执行系统(MES)提供车间内的操作手册，收集和提供实时数据，并基于该数据生成反馈，以帮助改进流程和设计。从基于模型的规划和仿真到集成的制造系统，线束制造商可借助完全数字化的过程实现效率和生产率的显著提升。基于模型的工程方法配合连续数字化流程，可帮助制造商减少 50%的设计错误，将报价到生产周期时间缩短 30%，将线束组装图的设计时间减少多达 85%。



图 7：未来车间的每个系统都将以数字方式实现互联


在日新月异的行业中蓬勃发展



新汽车技术的涌现令线束行业已在持续发展的线束复杂性再次提速，线束制造业的结构正在面临一场变革。当今车辆的电气和电子内容与日俱增，致使确保关键车辆功能的责任逐渐转移到线束上。这种从机械到电子赋能的转变，再加上越来越精密的电子系统，意味着线束将比以往更加复杂。汽车公司为了在市场中战胜竞争对手，对实现快速、高效的线束生产的需求也在持续攀升。

日于劳动力日渐老化而失去宝贵的工作经验和知识，对线束制造商构成的威胁也很大。随着工程师达到退休年龄或找到新的角色，他们会带走关于公司流程和设计实践的重要且不成文的信息。线束制造商必须以数字方式指获这些信息，以便为将来的员一提供信息和指导，以及实现复杂流程的自动化。

要在这个充满挑战的环境中生存和发展，线束制造商必须大刀阔斧地调整它们的方法。数字化是线束制造商必须适应的关键趋势之一，提供了在变化莫测的行中生存所需的工具。基千数字化模型的流程统一了先前割梨的设计和别造领域，并通过集成的设计规则指获过去日经验三富的工程师掌握的部落文化。为满足不断发展的行需求，线束制造商向数字化企、转型可谓正逢其时。