基于物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架加工數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)實踐

山榮成

摘要：本文介紹了大型加工數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)的必要性，針對高速列車構(gòu)架加工生產(chǎn)線數(shù)字化建設(shè)研究了RFID、機(jī)器視覺、負(fù)載監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工程應(yīng)用，闡述了生產(chǎn)線數(shù)字化解決方案。通過在青島四方的實踐證明，本文的研究對于在軌道交通裝備制造行業(yè)中推廣應(yīng)用智能制造技術(shù)具有一定的借鑒意義。

Abstract： This paper introduces the necessity of the construction of large obejct digital processing production line， studies the application of Internet of things technology such as RFID， machine vision， load monitoring and so on for the construction of high-speed train frame digital processing production line， and expounds the digital solution of production line. Through the practice in Qingdao Sifang， the research of this paper has certain reference significance for the promotion and application of intelligent manufacturing technology in the rail transit equipment manufacturing industry.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);RFID;機(jī)器視覺;負(fù)載監(jiān)測

Key words： Internet of Things;RFID;machine vision;load monitoring

中圖分類號：TP391.44 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0261-03

0 ?引言

為推進(jìn)中國制造2025[1]，工信部2016年組織實施了“智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用”系列項目，中車青島四方股份公司承擔(dān)了“高速動車組關(guān)鍵零部件智能制造新模式應(yīng)用項目”的實施。在中國制造2025的大環(huán)境下，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化日益成為未來軌道裝備制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢[2]。構(gòu)架是高鐵關(guān)鍵零部件，用于承載車體重量，向車輪、車體傳導(dǎo)牽引動力，對加工精度要求較高。依據(jù)國家戰(zhàn)略和自身需求，企業(yè)開展智能制造應(yīng)用助力轉(zhuǎn)型升級。

1 ?生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求

大型構(gòu)架加工設(shè)備具有自動加工、自動更換工作臺、自動更換主軸頭等功能，因工件尺寸大、重量大、加工周期長，設(shè)備采用雙工位配置，一直以來，構(gòu)架加工生產(chǎn)線均采用單機(jī)控制，每臺設(shè)備每班配備2名操作人員，刀具壽命仍采用人工查看的原始方法，缺少刀具壽命的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累和刀具壽命的技術(shù)研究，數(shù)控程序調(diào)用、異常監(jiān)測、刀具更換、設(shè)備運(yùn)行均靠人員控制對人依賴較大，關(guān)鍵設(shè)備利用率較低，導(dǎo)致大型加工中心自動化加工難以發(fā)揮優(yōu)勢，設(shè)備操作人員需求量大。

隨著射頻識別RFID[3]、智能傳感、5G[4]、人工智能AI[5]、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)[6]（Internet of Things，IoT）、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷成熟，對既有生產(chǎn)線實施數(shù)字化改造成為企業(yè)轉(zhuǎn)型主要路徑。聚焦“質(zhì)量、效率、效益”提質(zhì)增效，發(fā)揮數(shù)字化效能，利用復(fù)雜的后臺技術(shù)支撐，實現(xiàn)前臺簡單操作，實現(xiàn)一人多機(jī)控制，降低人員對構(gòu)架加工過程的影響，成為工程技術(shù)人員急需解決問題。

操作者僅上下料、更換刀片、異常處理，為實現(xiàn)一人多機(jī)控制，在應(yīng)用層面需解決以下問題：

①構(gòu)架加工完成后，可自動交互工作臺，自動加工。

②自動識別構(gòu)架型號，調(diào)用相關(guān)數(shù)控程序，有保障措施，確保調(diào)用程序可靠。

③加工過程實時監(jiān)測，在刀具磨損時，自動停機(jī)，并給操作者報警，刀具壽命由系統(tǒng)管理。在操作者離開后，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，由系統(tǒng)保障制造過程安全。

④設(shè)備異?；驎和：?，可向操作者發(fā)送相關(guān)信息，異常處理完成后可恢復(fù)上線，實現(xiàn)智能人機(jī)交互。

⑤具有人機(jī)交互任務(wù)派發(fā)、執(zhí)行、反饋、關(guān)閉功能，實現(xiàn)2～3人操作6臺以上設(shè)備能力。

2 ?生產(chǎn)線數(shù)字化建設(shè)方案

堅持問題導(dǎo)向，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，將以操作者為主體保證加工質(zhì)量變革為由系統(tǒng)管控，減少人員對制造過程參與，采用人機(jī)交互模式，實現(xiàn)異?？焖偬幹?。

通過機(jī)床聯(lián)網(wǎng)、RFID在線自動識別、設(shè)備自動控制技術(shù)研究應(yīng)用，實現(xiàn)系統(tǒng)自動識別構(gòu)架、自動調(diào)用數(shù)控程序、自動交換工作臺、自動加工、設(shè)備在線監(jiān)控、人機(jī)實時交互、三坐標(biāo)檢測數(shù)據(jù)自動讀取、加工過程數(shù)據(jù)實時采集、自動形成質(zhì)量報表。通過加工過程設(shè)備狀態(tài)實時采集、設(shè)備扭矩的實時監(jiān)測、視頻監(jiān)控集成應(yīng)用，建設(shè)集中控制中心，實時監(jiān)控構(gòu)架加工異常。通過移動終端應(yīng)用，系統(tǒng)實時發(fā)布加工過程人員任務(wù)和系統(tǒng)異常，實現(xiàn)人機(jī)實時交互控制。（圖1）

3 ?數(shù)字化系統(tǒng)集成應(yīng)用

3.1 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)集成

利用以太網(wǎng)接口，現(xiàn)場數(shù)控設(shè)備通過接口協(xié)議進(jìn)行連接，獲取設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和加工過程中的工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)對于車間生產(chǎn)狀態(tài)的掌控。實時采集生產(chǎn)設(shè)備程序運(yùn)行的開始、結(jié)束信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息（斷電、開機(jī)、運(yùn)行、空閑、報警等）、系統(tǒng)狀態(tài)信息（編輯、手動、運(yùn)行、MDI等），設(shè)備所有報警信息（設(shè)備錯誤、系統(tǒng)錯誤、操作提示等）、程序運(yùn)行內(nèi)容（程序號信息、程序段信息、各種坐標(biāo)值數(shù)據(jù)）、刀具/設(shè)備參數(shù)表、設(shè)備的實時坐標(biāo)信息、主軸功率等。通過構(gòu)建基于以太網(wǎng)的車間專用網(wǎng)絡(luò)，全面實現(xiàn)機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)管理與信息監(jiān)控，機(jī)床由以前的獨(dú)立存在轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€工廠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的完全信息化管理[7]。

3.2 RFID在構(gòu)架加工集中控制中的應(yīng)用

采用RFID自動識別構(gòu)架型號的方式，在待加工工位、加工工位、裝卸工位分別設(shè)置RFID芯片讀寫裝置，實現(xiàn)構(gòu)架自動識別，在構(gòu)架交換至加工位時，自動下載數(shù)控程序，實現(xiàn)無人操作。

3.3 基于特征識別的構(gòu)架防錯技術(shù)研究

在構(gòu)架待加工工位設(shè)置光學(xué)識別裝置，當(dāng)待加工的構(gòu)架特征與構(gòu)架上RFID信息不匹配時，防錯識別系統(tǒng)能夠自動識別，并報警提示，中斷自動下載數(shù)控程序，避免因RFID數(shù)據(jù)和構(gòu)架不匹配造成設(shè)備事故。（圖3）

3.4 負(fù)載在線監(jiān)測技術(shù)研究

在切削加工過程中，當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生破損時，刀刃狀態(tài)的改變會引起切削力矩發(fā)生變化，從而導(dǎo)致機(jī)床主軸功率發(fā)生改變，因而通過監(jiān)控加工過程中機(jī)床主軸功率就可以監(jiān)控刀具的狀態(tài)[8]。

通過對構(gòu)架加工設(shè)備，加裝傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊，實時檢測設(shè)備主軸的負(fù)載、電流的變化情況，通過正常學(xué)習(xí)負(fù)載情況，在負(fù)載曲線上增加公差帶，在刀具磨損或崩刃后，負(fù)載超出預(yù)設(shè)公差，設(shè)備自動停機(jī)，避免無人操作，設(shè)備、刀具、工件風(fēng)險。

3.5 基于任務(wù)調(diào)度的移動應(yīng)用技術(shù)研究

開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的移動應(yīng)用系統(tǒng)，在手持PAD上實時顯示設(shè)備運(yùn)行、暫停、異常信息，實時提示人機(jī)交互作業(yè)任務(wù)，操作人員接收任務(wù)后，系統(tǒng)自動記錄人員信息，在設(shè)備啟動后系統(tǒng)自動關(guān)閉任務(wù)，實現(xiàn)人機(jī)交互模式下的任務(wù)自動調(diào)度，為實施一人多機(jī)提供技術(shù)保障。（圖5）

3.6 數(shù)據(jù)分析在構(gòu)架加工中的應(yīng)用研究

在DNC系統(tǒng)中利用采集到的設(shè)備加工過程數(shù)據(jù)、三坐標(biāo)檢測數(shù)據(jù)，按不同維度統(tǒng)計分析，包括工序能力指數(shù)CPK[9]、設(shè)備利用率OEE[10]、加工時間、人員作業(yè)、加工過程異常統(tǒng)計、關(guān)鍵尺寸質(zhì)量趨勢等，可根據(jù)質(zhì)量趨勢分析實時預(yù)警和報警。（圖6）

3.7 系統(tǒng)集成技術(shù)研究

采用B/S架構(gòu)，搭建了集中控制中心，集成設(shè)備數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、基于特征識別的構(gòu)架防錯系統(tǒng)、基于RFID的刀具壽命管理系統(tǒng)、刀具自適應(yīng)監(jiān)測控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。集中控制系統(tǒng)可以在同一頁面實時顯示設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、NC程序段、加工工件、在線人員、視頻監(jiān)控、刀具壽命等。（圖7）

4 ?結(jié)束語

本文基于企業(yè)實際需求，通過構(gòu)架加工數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)，采用系統(tǒng)控制加工質(zhì)量，降低對人員技能依賴，采用程序自動下載技術(shù)、視覺自動防錯技術(shù)、刀具實時監(jiān)測技術(shù)，通過在青島四方的實際應(yīng)用，構(gòu)架加工生產(chǎn)效率提升15%，人員降低40%，實現(xiàn)制造模式變革。實踐證明，在提升質(zhì)量、減員增效方面取得良好效果，對大型設(shè)備離散加工生產(chǎn)線技術(shù)升級有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]周濟(jì).智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機(jī)械工程，2015（17）.

[2]宋學(xué)毅，姜斌，李蕊，臧宗波，魏燦.轉(zhuǎn)向架數(shù)字化焊接生產(chǎn)線[J].電焊機(jī)，2018，48（3）.

[3]黃愛賓，甄鑫，王康野，劉彩鳳.無源RFID標(biāo)簽用材料研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2017，31.

[4]張平，陶運(yùn)錚，張治.5G若干關(guān)鍵技術(shù)評述[J].通信學(xué)報，2016，37（7）.

[5]楊曉波.淺析“物聯(lián)網(wǎng)”和“人工智能”的發(fā)展[J].魅力中國，2018（37）.

[6]田晨.面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的人工智能相關(guān)技術(shù)研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2017，9.

[7]劉清，楊麗茹.數(shù)控機(jī)床MDC網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備管理中的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2018（19）.

[8]錢峰，董惠敏，董喜望.生產(chǎn)線刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)研制[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2016（3）.

[9]陳黃鸝，蔡彬，劉航輝.SPC技術(shù)在高可靠性SCR生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].價值工程，2018（24）.

[10]黃鵬鵬，羅佳，蔡芷榕，黃尚仁.企業(yè)設(shè)備綜合效率分析與提升研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2018（2）.