基于模型的线束制造工程

现代汽车，卡车和其他车辆具有越来越多的复杂电气和电子功能，给启用这些新功能的线束增加了更大的负担。随着复杂性的提高，由于手动数据交换和无法捕获部落知识，当前的线束制造方法正努俱进。基于模型的线束制造工程流程可自动进行数据交换，并通过设计规则捕获部落知识，以帮助线束制造商提高线束质量并提高效率。

如今的乘用车，休闲车和商用车已不再仅仅是机电产品。现代汽车配备了几乎令人眼花缭乱的电子功能部件。其中包括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））到有限的自动化和高级驾驶员辅助系统（ADAS）（参见图1）的所有内容。此外，电子控制单元（ECU）网络现在可以辅助车辆的基本功能，例如制动，转向和油门控制。在当今的汽车市场中，电子产品已代表了汽车的大部分价值。

现代车辆电气和电子功能的增加更加强调了线束，线束在致动器，传感器和ECU之间传输动力和信号。ADAS和自动驾驶系统的需求特别高，这是因为系统需要外部传感器来感知车辆环境，例如接近物体或限速标志。

此外，对高度自动化和电动汽车的需求不断增加，直接导致线束制造业的发展。目前，该行业每年的销售额超过1500亿美元。近30％，500亿美元2018年，其中的销售额来自汽车行业，汽车线束的销售正在增长。分析人士预测，到2023年，汽车线束行业的年收入将增长至700亿美元以上，到2025年将超过910亿美元（FutureMarket Insights，2016年）。

增长带来了新的挑战，也给行业带来了新的压力。为了支持更多的电气和电子系统，其中一些系统非常复杂，线束变得非常复杂。制造商还必须适应车辆的所有可能配置，而这种配置经常会飙升至数以千万计。在制造这些复杂的系统时，公司必须满足非常严格的时间表，严格的质量要求并最小化线束的成本和重量。

 ▍当前的挑战

业界通用的工程和制造方法已经使用了数十年，并在新时代中显示出它们的局限性。线束制造仍然是一个非常劳动密集的过程（请参见图2）。如今，约有85％的线束制造操作都是手动完成的。

更麻烦的是线束设计，制造部门和系统之间的支离破碎。设计和制造工程师经常在各自的域之间手动传输数据，然后将所传输的设计数据重新创建并重新输入到他们的每个系统中，例如CAD，生产，装配板设计或成本核算系统等等。

在这些新挑战的重压下，传统的线束制造方法开始崩溃。首先，分散的设计和制造过程导致域之间的手动数据传输和重新输入。这很慢，容易出错，并且工程师的时间和精力使用效率低下。当制造工程师进行更改以提高线束的可制造性时，这些更改通常会在团队之间的数据转换中丢失。即使在最先进的设备中，从设计工程到产品工程，制造工程以及生成制造文档的高级过程也可以通过MicrosoftOffice应用程序和AutoCAD图形完成（参见图3）。信息将传递给链中的下一个人，该人以另一种格式或样式手动重新创建非数字信息。

这不再是当代的，也不是可以接受的。新产品的引入周期可能要花费数月的时间，而设计更改可能要花几周才能完全实施。手动数据共享和重新输入会导致错误，这些错误造成金钱的浪费，需要时间进行修复，甚至更糟，这可能会损害良好的客户关系。

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流程，从而导致从一开始就是最佳过程。可能特别具有挑战性的一项任务是创建工作说明。使用当前的方法，创建工作指令是一项困难，耗时且富挑战性的工作，需要技能和专长才能准确，及时地完成。迟交或质量低下的作业指导书可能会导致工作站不足和不令人满意，进而导致组装错误。测试期间发现的错误会导致工程师进行冗长的返工，甚至彻底报废有故障的线束，从而产生意外的成本。

另一个重大挑战是管理所谓的部落知识。部落知识是关于过程，方法等的信息，仅存储在员工的记忆中。部落知识是不成文的，但对于成功实施流程，创建产品或保持质量水平通常至关重要。更换角色或离开公司的员工将随身携带这些信息，从而破坏了他们曾经监督的流程或产品。

部落知识对许多公司（包括安全带制造商）构成了非常真实的风险。每天有一万婴儿潮一代在美国退休。在加拿大，从2011年到2016年，达到退休年龄或更年长的加拿大人数量增加了20％。而且在英国，据预测，在2016年至2020年之间，16岁至49岁之间的人数将减少70万人。劳动力正在缩减，如果不解决的话，这将产生重大影响。管理人员如何通过年轻，经验不足和规模较小的劳动力来维持生产力？尤其是，他们如何获取当前员工所掌握的重要信息和专业知识，以防止部落知识的灾难性损失？

Fig. 3 — Current methods rely on manual data entry andre-creation at each stage of the fl ow.（图3 —当前方法依赖于手动数据输入并在流程的每个阶段重新创建。）

图4显示了线束行业中典型的高级制造工程流程。首先，设计工程发布初始设计或工程更改成本和向客户提供报价。接下来，设计主模板，然后是生产模块和子装配，有时需要它们自己的装配板。接下来，工程师将设计整个线束的流程清单（BOP），将电线，接头，双绞线和所有剩余材料分配到其指定的设备或工作站。然后将BOP释放到企业资源计划（ERP）系统中。接下来是平衡和优化最终装配传送带，然后创建工作说明。

Fig. 4 — The high level manufacturing engineering fl owin the wire harness industry.（图4 —高级制造工程线束行业的潮流。）

如今，在这些阶段中的任何一个阶段都可能会发生数据重新输入产生的错误，每个阶段都需要丰富的技术经验。在流程下游进行的调整和校正必须手动输入上游，以实现数据一致性。常规的线束制造方法容易受到零散过程的错误以及工程师退休或离职时部落知识的流失的影响。其他关键问题包括成本核算不一致或不正确，模板设计或制造工艺设计欠佳，以及关键信息在车间的错放。这些会直接导致生产过程中的效率低下。结果，制造和总成本可能会超出对客户的报价，并且会影响生产质量。

基于模型的流程通过自动化数据交换并为工程师提供跨域决策的访问权限，统一了以前分散的设计和制造领域。以前由经验丰富的工程师掌握的部落知识是通过支持自动化的集成设计规则来捕获的，始终如一地指导所有工程师并检查设计是否存在问题。

线束行业中数字化和基于模型的企业涉及三个关键方面（参见图5）。首先是线束产品和制造过程的数字模型。线束和生产过程的数字模型共同构成了数字孪生。自动化是第二大支柱。现代的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，并将其用于自动将数字线束和过程模型转换为流程单，工作说明和其他输出格式。同时将部落知识嵌入公司的生产流程中，以保护其免受员工流失。第三支柱是数据重用。无需重新创建或重新输入数据，而是在基于模型的工程流中创建一次数据，并由所有上游和下游使用者最大程度地重用。

在数字世界中，公司创建了一个数字线程，其中从架构和功能设计到物理设计，制造工程和售后服务的所有功能都可以使用相同的数据。在线束生命周期的每个阶段，每个利益相关者可以使用相同的数据模型，并可以访问在其他域中做出的决策。使用数字线程可以缩短设计周期，并且可以在过程中以更低的成本发现并解决问题。通过减少设计返工，数据重用可最大程度地降低成本并提高生产效率。

▍将线束制造带入数字时代

线束制造商关注组件的设计，工程模板，生产线平衡以及生成流程清单和工作簿。制造商也在更大的生态系统中运作。他们通常必须与企业资源计划（ERP）系统和制造执行系统（MES）以及车间中需要连接的系统（例如，焊丝准备和自动测试设备）进行交互。

数字化可以简化从这些系统和过程中的数据到其他系统和过程的数据传递。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来指导自动化，并将部落知识嵌入到流程中。然后，自动化利用产品和过程数字模型来完成各种任务，包括生成过程设计，计算成本以及为车间的组装商生成文档。数字孪生提供了模型，并且自动化生成了下游所需的信息。

例如，随着时间的流逝，线束制造商将确定用于设计连接器子组件的最佳程序。高级工程师可以输入此过程的步骤，作为标准，可重复使用的规则和自动化约束。第一步，这些规则可能会指示应为各种拼接连接组创建模块，然后将它们变成子组件。下一步可能是为所有带有属于同一车辆选件的电线的连接器创建模块，然后为剩余电线数量最少的连接器创建模块。最后，如果模块在相关线束中包含所有电线，则在这些线束上包括绝缘材料和固定件。利用线束的数字孪生，高级线束工程软件（例如Capital）可以根据线束的大小自动应用这些规则，在几秒钟或几分钟内完成此任务。

在另一个示例中，设计规则可以使模板固定装置的选择，放置和其他因素自动化（请参见图6）。具有多年选择和放置这些夹具经验的高级工程师可以描述最佳夹具类型，放置和数量的准则，并给出连接点，连接器和线束尺寸和长度。该软件可以使用这些规则来自动执行固定装置，钻孔点和夹具的放置，从而极大地加快了模板的设计速度和准确性。

此外，上游项目的延迟可以减少制造工程师生成工作指令的时间。如果说明迟到或细节不足，则车间的组装商必须寻求其他指导。此外，指导不充分会降低成品线束的质量，从而导致后期生产测试失败。突然，关键错过了计划交付的里程碑，并招致了意想不到的后期运费，以弥补损失的时间和良率。利用线束的数字模型和生产过程中，工程师可以自动生成工作指令。工程师可以合并工作簿模板，库和样式集，以确保指示准确并符合公司的工业化和质量标准。它从线束的数字模型开始。最初，这看起来像是线束布局的“哑巴”图，但是工程师们丰富了这种设计具有特定的组件，材料和其他数据，使其成为物理线束的数字模型。数字线束模型是线束工程基于模型的方法的基础。

利用此模型，线束工程软件可以生成极其丰富的工作指令，其中包括用于线切割的数据图表，并且可以将此类数据直接输入到线切割机械中。生成的工作说明还包括双绞线，带护套的多芯线和拼接雏菊链的图表，以及使用线或空腔插头预填充连接器的详细说明。工程师还可以生成各种模板图，以显示车间操作员如何将子组件放置到板上。使用数字线程使之成为一个连续的过程，从头到尾使用相同的数据进行馈送，可以大大提高最终组装过程的效率和准确性。

Fig. 5 — The three key tenets of a model-basedenterprise: digitalization, automation and data re-use.（图5 —基于模型的企业的三个主要原则：数字化，自动化和数据重用。）

Fig. 6 — Design rules can help automate the placementand selection of formboard fixtures.（图6-设计规则可以帮助自动放置和选择固定板夹具。）

Fig. 7 — In the future, each system on the shop floorwill connect digitally.

（ 图7 –将来，车间将进行数字连接）

▍未来的线束制作

未来，数字化和数字线程将使公司取得更大成就。传统的车间从准备材料开始，以通过线切割，线准备，拼接和连接器进行组装预加载。然后，将线束组装在模板上，技术人员执行组装后的任务。先进的解决方案已经可以自动化流程清单的设计和优化，生产必要的工作簿以及生产模板。

展望未来，这些解决方案将与其他系统的网络集成（请参见图7）。ERP系统将帮助管理线束制造的物料存储，同时执行制造系统（MES）可以在车间周围提供工作簿，从车间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。从基于模型的计划和仿真到集成制造系统，整个数字化过程都可以使线束制造商实现效率和生产率的显着提高。具有连续数字线程的基于模型的工程方法可以帮助线束制造商将设计错误减少50％，将报价至生产的周期时间减少30％，并将模板的设计时间减少多达85％。

▍在瞬息万变的行业中蒸蒸日上

随着新的汽车技术加快了整个行业中线束复杂性的增长，线束制造行业的结构正在发生变化。当今车辆电气和电子含量的增加，将关键车辆功能的责任转移到了线束上。从机械实现到电子实现的转变，再加上越来越复杂的电子系统，意味着线束比以往更加复杂。随着汽车公司争夺市场竞争地位，对快速，高效生产线束的需求也在不断增长。

线束制造商面临着因老龄化的劳动力而失去宝贵的在职经验和知识的威胁。工程师退休或找到新职位时，他们会获得有关公司流程和设计实践的重要但不成文的信息。线束制造商必须以数字方式捕获此信息，以告知和指导新进员工并自动执行复杂的流程，这一点至关重要。为了在充满挑战的环境中生存和发展，线束制造商必须大大改变他们的方法。数字化是线束制造商的一项重要调整，可提供在动态行业中生存所需的工具。基于数字模型的流程统一了以前分散的设计和制造领域，并通过集成设计规则捕获了经验丰富的工程师所拥有的部落知识。为了满足不断变化的行业需求，线束制造商必须成为数码企业。