现代轿车、卡车和其他车辆具有越来越复杂的电气和电子功能，这给支持这些新功能的线束带来了更大的负担。随着复杂程度的增加，目前的线束制造方式难以为继，因为需要人工交换数据，无法捕捉部落文化。基于模型的线束制造工程过程可以通过设计规则自动交换数据，捕捉部落文化，可以帮助制造商提高线束质量，提高效率。
简介
如今的乘用车、休闲车、商用车已经不仅仅是机电产品。现代汽车配备了令人眼花缭乱的电子功能和部件。从标准的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辅助系统(ADAS)(图1)。此外，电子控制单元(ECU)网络现在可以帮助执行必要的车辆功能，如制动、转向和油门控制。如今的汽车市场，电子设备逐渐代表了车辆的大部分价值。
随着现代车辆中电气和电子功能的增加，在致动器、传感器和ECU之间传输功率和信号的线束受到越来越多的关注。ADAS和autopilot系统需要外部传感器来感知车辆所处的环境(比如接近的物体或者限速标志)，所以对线束的要求特别严格。
此外，对高度自动化和电力推进车辆日益增长的需求直接转化为线束制造业的可持续发展。目前，该行业年销售额超过1500亿美元。2018年，近30%的销售额，即500亿美元，来自汽车行业，汽车线束方面的销售额仍在增长。分析师预测，到2023年，汽车线束的行业年收入将超过700亿美元，到2025年将超过910亿美元(《未来市场洞察》，2016)。
随着行业的发展，出现了一系列新的挑战和压力。为了支持更多的电气和电子系统，其中一些非常复杂，线束变得极其复杂。制造商还必须考虑所有可能的车辆配置，这往往会达到数千万辆。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，并最小化线束的成本和重量。
图1:汽车有一系列复杂的电气和电子功能。
当前的挑战
全行业通用的工程和制造方法已经用了几十年，在新时代其局限性显现出来。线束制造仍然是典型的劳动密集型流程(图2)。目前，大约85%的线束制造操作是人工进行的。
图2:线束制造仍然是一个劳动密集型的过程，严重依赖手工组装。
更麻烦的是线束设计和制造部门、系统之间存在脱节。设计和制造工程师经常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到各自系统中的设计数据，例如CAD、生产、装配板设计或成本会计系统。
在这些新挑战的压力下，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字段之间手工传递和重新输入数据。这样做不仅速度慢，容易出错，而且很难高效利用工程师的时间和精力。当制造工程师做出改变以提高线束的可制造性时，这些改变经常在团队之间的数据转换中丢失。即使在最先进的设施中，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流程也是在微软Office应用程序和AutoCAD图纸的帮助下完成的(图3)。
图3:当前的方法依赖于在流程的不同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，他以另一种格式或风格手动重新创建非数字信息。
这种做法既不现代，也不可接受。新产品的上市周期可能长达几个月，设计变更可能长达几周才能完全实施。手动数据共享和重新输入会导致错误，需要花费金钱和时间来修复。更糟糕的是，它可能危及良好的客户关系。
规划里程碑的速度加快也意味着制造工程师几乎没有时间来优化制造过程，这从一开始就导致了次优的过程。创建操作指南可能是一项极具挑战性的任务。使用当前的方法，创建操作指南是一项困难、耗时且具有挑战性的工作，需要足够的技能和专业知识才能准确、按时地完成。延迟或低质量的操作说明可能导致工作站不足和不合格，从而导致装配错误。在测试过程中发现错误将迫使工程师进行冗长的返工，甚至完全放弃有故障的线束，从而产生意想不到的成本。
另一个主要挑战是管理所谓的部落文化。部落文化是只储存在员工头脑中的流程、方法和更多相关信息。部落文化是不成文的，但它通常对成功实施流程、创造产品或保持质量水平至关重要。当员工转岗或离职时，他们会带走这些信息，这些信息会损害他们监督过的流程或产品。
部落文化对许多公司来说是一个非常现实的风险，包括线束制造商。在美国，每天有1万名婴儿潮一代退休。在加拿大，从2011年到2016年，达到退休年龄或以上的人数增加了20%。在英国，据预测，2016年至2020年间，16岁至49岁的人口将减少70万。劳动力市场萎缩如果不解决将会产生严重影响。管理者如何依靠更年轻、经验更少、规模更小的劳动力来保持生产力？特别是，他们如何获得当前员工所拥有的重要信息和专业知识，从而防止部落文化的灾难性损失？
线束设计到制造流程
图4:线束行业高级制造工程流程
图4显示了线束行业中典型的高级制造工程流程。一是设计项目出具初步设计或工程变更，进行成本核算，向客户提供报价。接下来设计主线束工装图，然后设计生产模块和分总成(有时他们需要自己的装配板)。接下来，工程师将设计整个线束的工艺清单(BOP ),并将电线、焊点、绞合线和所有剩余材料分配到指定的设备或工位。然后，BOP被发布到企业资源规划(ERP)系统。然后平衡优化流水线，创建作业指导。
目前以上任何一个阶段都可能出现数据重入错误，所以每个阶段都需要很高的技巧和经验。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。传统的线束制造方法很容易受到碎片化过程中错误的影响，并且随着工程师的退休或辞职，部落文化可能会丢失。其他关键问题包括：不一致或不准确的成本核算，次优的线束工具设计或制造工艺设计，以及车间中关键信息的错误布局。所有这些都可能直接导致生产过程的低效率。这样一来，制造和整体成本可能会超过给客户的报价，生产质量也会受到不利影响。
基于模型的过程通过自动执行数据交换将以前分离的设计和制造领域统一起来，并为工程师提供跨领域的决策能力。曾经被经验丰富的工程师掌握的部落文化，现在可以被集成设计规则所捕获，集成设计规则支持自动化，可以一致地指导所有工程师，检查设计中的问题。
在线缆行业，数字化、模型化的企业包括三个关键方面(图5)。首先是线束产品的数字化模型和制造工艺。线束和生产过程的数字模型一起构成了数字仿真模型。自动化是第二个支柱。现代线束设计和制造解决方案可以使用高级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列表、操作说明和其他输出格式。
图5:基于模型的企业的三个关键原则：数字化、自动化和数据重用。
同时，部落文化被嵌入到公司的生产流程中，以保护其免受员工离职的影响。第三个支柱是数据恢复。在基于模型的工程过程中，一旦数据被创建，它将被所有上游和下游用户最大限度地重用，而无需他们重新创建或重新输入数据。
将线束制造带入数字时代
线束厂家非常注重设计分总成，设计线束工装图，平衡生产线，生成工艺清单和操作手册。制造商也在大规模生态系统下运营。他们通常需要与企业资源计划(ERP)系统、制造执行系统(MES)以及车间中需要连接的系统(如线材制备和自动测试设备)进行交互。
数字化可以简化上述系统和过程之间的数据传输。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操作，从而将部落文化嵌入到过程中。然后，自动化使用产品和流程的数字模型来完成各种任务，包括生成流程设计、计算成本以及为车间装配人员生成文档。数字仿真模型提供模型，而自动化生成下游所需的信息。
例如，随着时间的推移，线束制造商将找到设计连接器组件的最佳程序。高级工程师可以将这个过程的步骤作为自动化的标准、可重用的规则和约束输入。作为第一步，这些规则可以规定，应该为各种焊接连接组创建模块，并将其转换为子组件。下一步可能是为其电线都属于同一车辆选项的连接器创建模块，然后为剩余电线数量最少的连接器创建模块。最后，如果模块包含相关线束中的所有电线，它还必须包含这些线束上的包装和紧固件。通过线束的数字仿真模型，先进的线束工程软件(如Capital)可以在几秒钟或几分钟内(取决于线束的大小)自动应用这些规则来完成这项任务。
在另一个例子中，设计规则可以用于自动选择和放置线束图的夹具，并考虑其他因素(图6)。在这些灯具的选择和放置方面有多年经验的高级工程师可以描述根据连接点、连接器和线束的尺寸和长度获得最佳灯具类型、放置和数量的准则。软件可以利用这些规则自动放置夹具、钻点和焊接平台，从而大大提高线束工装图的设计速度和精度。
图6:设计规则有助于自动实现工装图中夹具的放置和选择。
此外，上游项目延迟可能会减少制造工程师生成操作指南的时间。如果操作说明延迟或缺少细节，车间的装配人员必须寻求额外的说明。不仅如此，如果操作说明不完整，成品线束的质量可能会降低，导致其无法通过生产后测试。导致重要的项目交付里程碑突然错过，为了弥补损失的时间和产量，会产生意想不到的逾期运费。
利用线束和生产过程的数字模型，工程师可以自动生成操作指令。工程师可以结合操作手册模板、库和样式集，确保这些指令准确无误，并严格遵循公司的工业化和质量标准。这个过程从线束的数字模型开始。起初，这看起来像一个简单的线束布局图，但工程师们用特定的组件、材料和其他数据丰富了这一设计，使其成为物理线束的数字模型。数字化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丰富的操作指令，包括切割导线的数据图表，并可以将这些数据直接馈入线切割机械。生成的操作说明书还包括双绞线、护套多芯线、拼接菊花链的示意图，以及连接器预装电线或盲插的详细说明。工程师还可以生成各种线束工具图，向车间操作员展示如何在电路板上排列子组件。利用数字化工艺使其成为一个自始至终获得相同数据馈入的连续过程，可以大大提高最终装配过程的效率和精度。
未来线束制造
未来，公司可以通过数字化和数字化流程实现更多目标。传统车间从准备装配材料开始，到剪线、备线、焊接、预装连接器结束。然后在工装板上组装线束，技术人员执行后组装任务。先进的解决方案已经能够自动设计和优化工艺清单，并生成必要的操作手册和线束工装图。
将来，这些解决方案将与其他系统网络集成在一起(图7)。ERP系统将有助于管理线束制造的材料储备。同时，它可以通过制造执行系统(MES)提供车间内的操作手册，收集并提供实时数据，并基于这些数据生成反馈，帮助改进工艺和设计。从基于模型的规划和模拟到集成制造系统，线束制造商可以借助全数字化流程显著提高效率和生产率。基于模型的工程方法结合连续数字化过程，可以帮助制造商减少50%的设计错误，缩短30%的从报价到生产周期的时间，减少多达85%的线束装配图设计时间。
图7:未来车间的每个系统都将数字化互联。
在瞬息万变的行业中蓬勃发展
随着汽车新技术的出现，一直在持续发展的线束行业的复杂性再次加速，线束制造业的结构面临一场革命。如今车辆的电气、电子含量与日俱增，使得保证车辆关键功能的责任逐渐转移到线束上。这种从机械到电子授权的转变，加上日益复杂的电子系统，意味着线束将比以前更加复杂。为了在市场上击败竞争对手，对快速高效的线束生产的需求也在不断上升。
劳动力老龄化导致的宝贵工作经验和知识的流失也是线束制造商面临的巨大威胁。随着工程师达到退休年龄或找到新的角色，他们将带走关于公司流程和设计实践的重要和未写的信息。线束制造商必须数字化地获得这些信息，以便为未来的成员提供信息和指导，并实现复杂过程的自动化。
为了在这个充满挑战的环境中生存和发展，线束制造商必须彻底调整他们的方法。数字化是线束制造商必须适应的关键趋势之一，它提供了在不可预测的生产线中生存所需的工具。Kiqian数字模型的流程统一了之前的设计和梨切的其他领域，并参考了三天来经验丰富的工程师通过整合的设计规则掌握的部落文化。为了满足不断发展的需求，线束制造企业向数字化企业转型势在必行。
原标题：基于模型的线束制造工程
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标签：线束设计数据