来源:西门子
摘要
为了提高安全性和舒适性,现代的乘用车、休闲车和商用车都配备了大量的电子功能和部件。例如,空调系统、车载信息娱乐系统 (IVI)、自动化功能以及管理制动、转向和油门控制的电子控制单元 (ECU)。这些电气和自动化元素对车辆的价值有极大的影响力。此外,更高水平的自动驾驶、ADAS 和电动汽车的出现也增加了线束制造的复杂性。
汽车原始设备制造商 (OEM) 和线束制造商面临的一个重大挑战是,在从设计制造再到交付的过程中无法有效管理复杂线束。对此,理想的解决方案是起源于德国的 KSK 概念,翻译过来就是 “客户专用线束”。虽然这一概念已被业界认可,但是随着线束制造商的数字化转型,传统的 KSK 数据同化方法可能很快遭到市场淘汰
线束总成分解:
布线系统是一个复杂的总成,由连接车辆中所有电气 / 电子部件的多个线束组成。布线系统在执行器、传感器和 ECU 之间传输动力和信号。由于当今车辆的定制化水平,现代布线系统的设计可以支持无数种配置。
此外,随着汽车制造商不断增加越来越先进的新型车辆功能,布线系统的复杂程度也日益增加。一个典型的布线系统可能包含 10,000 个单独的零件编号(图 1)。制造商必须考虑所有可能的车辆配置,这些配置可能由数百万种组合构成。在制造这些复杂系统的同时,企业还必须满足紧迫的时间要求、遵循严格的质量要求,并尽可能地降低线束的成本和减轻线束重量。
西门子先进的电气系统和线束工程解决方案可赋予企业强大的能力,有助于提高工业物联网(IIoT) 时代的盈利能力。我们可以为 OEM 和线束制造商提供特定业务的解决方案和生产优化。
图 1. 布线系统的组件
线束制造的方法主要有三种:
• KSK 法:根据单独的模块清单制造,并有单独的零件编号
• 变体法:每个线束类型具有多个变体,并且每种类型有多个零件编号
• 标准法:每个线束类型只有一个变体,并且每种类型只有一个零件编号
以上每种方法都在内容废弃和复杂性方面进行了取舍,内容废弃是指汽车中未使用的线束材料,而复杂性是指一个线束系列产生的变体数量。KSK 法的废弃率为零,但复杂度高,变体法的废弃率低,而标准法的废弃率高但复杂度低。
在过去 25 年中,KSK 获得了长足发展,扩展到了全球范围内所有汽车类别和线束类型。KSK制造方法的成功在于其高水平的效率和灵活性、可控的物流和规划,并且能够生产出独一无二的产品。此外,该方法可谓零废弃,不会造成材料浪费,从而提高了可持续性,即只生产必需品。KSK 法还引入了无限数量的变体、理想在制品 (WIP) 的受控物流、灵活的销售策略、可修改的生产计划和模块化更改管理,并且最终客户可以根据物流窗口更改汽车内容。
但是,由于 KSK 十分复杂,因此要求从报价请求 (RFQ) 到生产的各个阶段,各学科之间要有强有力的沟通、相互一致的数据和强大的数据流。这是该行业的关键成功因素,线束制造商必须设法消除所有重要业务部门之间的孤岛,以建立成功的 KSK 制造模式 / 系统。
KSK工程
在KSK制造方法中,线束是利用模块制造的。在KSK制造中有三类模块:
• 基础模块:这些模块在所有线束中都相同
• 必备模块:每个线束必须至少包含一个组
• 可选模块:这些模块能够实现灵活的汽车配置
根据 OEM 的策略,模块化概念有多种。线束的模块化概念和大小将决定功能模块的数量。但是,每种车辆功能一般都有自己的功能模块。其中重要的因素是要为每个独特的线束模块组合正确分配材料,组件不得重复或缺失。因此,准确及时地配送原料是 KSK 制造中的一大难题。
图 2 是日常线束生产示例。每个线束都是独一无二的,图中的数字是生产量和大约 200 条独特束的组装时间。OEM 可以生产几辆相同的汽车,但是如果三辆汽车有三个不同的生产编号、功能和生产时间,那么就有三个不同的线束。OEM也可能制造功能内容相同、但生产时间和线束编号不同的同款汽车。此外,现代汽车包含多个线束系列,如车身线束、发动机线束和车门线束,进一步增加了生产和交付完整准确线束的复杂性。KSK 概念最终会实现更高的产品灵活性,但是需要智能数据管理解决方案。
图 2. 日常线束制造
数据驱动的 KSK 生产设计
用于构建线束的功能模块通常大小不一,而且布线路径可能复杂且很长(图 3)。因此,围绕功能模块组织线束生产并不是最佳选择。线束制造商可以使用先进的线束工程软件实现生产模块化、开展设计规则检查 (DRC)、价值分析和价值工程 (VAVE) 活动等,以此创建生产模块,从而解决这一问题。这些生产模块支持高效生产,同时不会限制灵活性,并密切关注更改管理。制造软件用于支持生产模块、线束分析、流程清单 (BOP)、成形板准备和装配操作员的作业指导说明等。
图 3. 不同大小的 KSK 线束功能模块
图 4. 采用生产模块的 KSK 生产线概念
生产线的概念在整个工作站上划分到各个生产模块,从而可以毫不延误地开始各个订单的生产。系统可以显示每个生产模块所特有的数据和说明,让操作员根据您的生产方法逐步操作整个过程。生产线的末端将生产出一个独特的标签以及与之相关的成品线束,该标签可随时向下游传递。
这种生产线平衡过程固定了操作员在每个生产线工作站的工作量。因此,整条线束生产线可在指导下实现一目了然的任务平衡。制造工程师可以快速准确地分配各个工作站的任务,以分析多种假设场景。线束制造商通过该软件实现过去手工和劳动密集型流程的自动化,从而尽可能地提高生产效率和降低成本。
工程师可以将 Line Balancer 和汽车 E/E 系统的其余部分和线束工程流程相集成,创建一个数字线程,串联起车辆定义、制造计划和执行。该软件可用于从 BOP 中提取所需的装配任务,为工程师提供完整的新信息,助力工程师据此分配资源并规划生产。当工程师对平衡方案感到满意时,他们就可以将其推回到产品 BOP,BOP 会自动更新任务,实行工作站的正确分配。然后工程师可以使用这些 BOP 为制造车间生成特定工作站的作业指导说明。
图 5.KSK 生产线的末端
尽管十分复杂,但 KSK 生产方法可以支持任何数量的线束变体。这种生产灵活性是定义 KSK 生产概念时极为重要的元素。另外,KSK 方法可以灵活调整,以契合待支持的车辆项目的具体需求和情况。
KSK 可以使用的生产方法有:
• 只使用子装配件
• 从小型连接器开始
• 从大型连接器开始
为了选择优质方法,在确定生产概念时必须考虑到所有项目情况:
• 模块化下的线束设计
• 取决于生产时间和产量的物流条件
• 生产地区:线束制造约有 80% 是手工劳动,并非所有国家 / 地区都有相同的工作方式
图 6. 项目情况评估
由于 KSK 制造的复杂性,企业务必在生产系统的定义、设计、实施和监测中收集和充分利用数据。这包括订单量和组合、生产时间、原料配送等方面的预测数据。
物流:
一个最重要的规划参数就是预测数据。根据功能模块预测做出的预估生产计划会提供给线束供应商。线束供应商利用这一数据订购原料和安排生产。图7显示,预测数据和最终订单之间可能存在明显偏差。可选模块订购数量的偏差比基础模块的偏差更为明显。
因此企业务必保证数据准确,并定期监控这些数据以便制定正确的生产计划。企业可基于这些数据进行投资额计算、资源利用、原料周转、报价请求 (RFQ) 等方面的生产仿真;还可以评估各种场景以提高生产效率,下达正确的订单并跟上原料配送进度。
图 7.KSK 模块预测
图 8. 典型订购过程
图 8 是汽车 68001 示例。下午 1:30,线束供应商收到 OEM 的订单数据,线束生产过程随即开始。为了保持 OEM 的生产进度,OEM 工厂或物流中心必须收到生产时间和运输时间,并在汽车生产开始前 24 小时收到线束。从收到配置订单到在 OEM 处安装线束之间的时间间隔称为物流窗口时间。由于每个线束都是复杂制造流程中的一个独特组件,所以不同线束的物流窗口时间可能存在很大差异。
所以,对线束供应商而言,从严管理物流窗口时间以确保准确和准时交货至关重要。即使只缺少一个部件也可能导致整条汽车生产线停工。线束必须按时并按正确的顺序到达客户的工厂,而且并不是所有的 OEM 都会要求相同的物流条件。因此,线束供应商在设计其生产概念时必须考虑到每个客户的具体条件,这一点十分重要。供应商还应与客户沟通他们在线束生产和物流方面的具体情况。例如,在实施重大工程更改过程中,供应商应与客户确认具体的物流条件。
IT 环境:
IT 环境是 KSK 项目的基础,也是项目成功的基础。IT 是我们到目前为止所讨论的所有内容(设计、工程、生产、物流等)的基本支撑。对于线束制造商,IT 环境主要包含三类数据:
• 项目数据 — 例如,启动数据、生产量或线束设计数据
• 标准数据 — 生产方法或过程时间
• 产出数据 — 效率水平或日产量
图 9.KSK 生产中大数据的日常生成和使用
KSK 生产每天都会生成并使用大量数据。这些数据对于生产系统的有效运行至关重要。但是,仅有数据还不够。线束制造商必须能够快速收集数据、分类和筛选出基本数据,加以分析以挖掘生产过程的洞察。
我们可以凭借西门子的专用软件解决方案,如 CAPITAL ™ 软件,与 OEM 和线束制造商合作实现产品设计、产品和制造工程。该软件是西门子旗下综合性、集成式软件和服务 Xcelerator ™ 产品组合的一部分。该软件可用于模块化、生产模块准备、装配板优化、时间计算、生产线平衡、更改管理、标准作业指令和生产报告等任务。Tecnomatix® 产品组合可用于虚拟仿真、分析和可视化生产设计。借助该产品组合,制造商可在生产线建成之前就进行生产系统优化。这些仿真还能用于正在运行的生产线而不中断生产,从而基于实际运行数据推动生产线或工厂的进一步优化。
此 外,Teamcenter® 软 件 等 产 品 生 命 周 期 管 理 (PLM) 解决方案可管理车辆配置及其相关的线束和线束模块,从而在整个供应链中实现连续的数字线程。PLM 环境还支持在系统、领域和合作伙伴组织之间进行快速、准确和安全的数据交换。
结语
为满足当今汽车行业对先进电子功能、ADAS、自动驾驶、电气化和大规模定制的需求,高效优化线束制造的解决方案必不可少。而 KSK 解决方案可以使制造商以高效率和高度适应性来应对这种复杂性。凭借 KSK 的灵活性、有序规划和可持续性,制造商能够满足快速时间要求,同时优先满足质量要求并尽可能地降低额外成本。
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