高速動車組轉(zhuǎn)向架數(shù)據(jù)智能采集與實(shí)施方法

趙曉春， 陳曉亮， 趙志春， 賈廣躍， 姚迪

（1. 中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250001；2. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

數(shù)字化工廠是零件制造的核心單元，通過不斷提升數(shù)字化制造能力和數(shù)字化協(xié)同水平，建立起適應(yīng)全數(shù)字傳遞的零部件數(shù)字化工藝設(shè)計、數(shù)字化加工、生產(chǎn)現(xiàn)場管理和質(zhì)量檢測綜合自動化集成應(yīng)用環(huán)境[1-6]。

中國標(biāo)準(zhǔn)動車組的制造是軌道車輛行業(yè)數(shù)字化制造、智能化制造的先驅(qū)，轉(zhuǎn)向架作為動車組核心部件，其質(zhì)量直接影響行車安全，為提高轉(zhuǎn)向架制造過程質(zhì)量監(jiān)控效率，基于現(xiàn)有數(shù)字化工廠制造水平，對轉(zhuǎn)向架智能化監(jiān)測信息采集與利用方法進(jìn)行分析。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

第四次工業(yè)革命的到來為各國提供了發(fā)展和轉(zhuǎn)型機(jī)遇，也面臨競爭力格局變化的挑戰(zhàn)，智能制造成為各國競爭的新戰(zhàn)場。各國圍繞制造業(yè)都提出了相應(yīng)的戰(zhàn)略——美國的“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”、德國的“工業(yè)4.0”、日本的“工業(yè)價值鏈”、中國的“中國制造2025”［7-9]。

美國在解決問題的方式中最注重數(shù)據(jù)作用，無論是客戶需求分析、客戶關(guān)系管理、生產(chǎn)過程質(zhì)量管理、設(shè)備健康管理、供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品服役期管理和服務(wù)等方面都大量依靠數(shù)據(jù)進(jìn)行。

德國在2011年漢諾威工業(yè)博覽會中提出了“工業(yè)4.0”的概念，并被納入重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目?！肮I(yè)4.0”關(guān)鍵技術(shù)是智能工廠通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)造出具有感知意識的新型智能工廠、定制化工廠，并能對生產(chǎn)全流程業(yè)務(wù)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測和調(diào)度。

全球范圍來看，除美國、德國和日本走在全球智能制造前端，其他國家也在積極布局智能制造發(fā)展。歐盟將發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)作為重要戰(zhàn)略，在2010年制定了第七框架計劃的制造云項(xiàng)目，并在2014年實(shí)施歐盟“2020地平線”計劃，將智能型先進(jìn)制造系統(tǒng)作為創(chuàng)新研發(fā)的優(yōu)先項(xiàng)目。

按照《中國制造2025》《互聯(lián)網(wǎng)+行動計劃》強(qiáng)國戰(zhàn)略，中國中車集團(tuán)統(tǒng)一組織做好智能制造頂層設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)制定工作，參照國家已發(fā)布的智能制造標(biāo)準(zhǔn)參考體系，積極組織推進(jìn)智能制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，逐步推進(jìn)智能制造示范試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)，開展智能化流水線、智能化車間建設(shè)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的信息采集系統(tǒng)構(gòu)建

轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)過程中，50 余步關(guān)鍵工序均需質(zhì)量管控，基于現(xiàn)有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)，實(shí)施各生產(chǎn)線關(guān)鍵點(diǎn)的質(zhì)量信息管控。轉(zhuǎn)向架主要制造過程分為構(gòu)架焊接、構(gòu)架加工、輪對加工組裝、轉(zhuǎn)向架組裝。監(jiān)測系統(tǒng)從頂層設(shè)計，通過企業(yè)數(shù)據(jù)總線（ESB）將各生產(chǎn)線聯(lián)通，完成信息匯集，并對各關(guān)鍵工序內(nèi)容進(jìn)行智能實(shí)時監(jiān)測分析。智能監(jiān)造系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 智能監(jiān)造系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 構(gòu)架焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

構(gòu)架焊接是轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)的開端，首先對工件物料編碼進(jìn)行確認(rèn)及系統(tǒng)記錄，該編碼作為整個轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)的數(shù)據(jù)唯一標(biāo)識碼，也是作為設(shè)備、人員、工作時長統(tǒng)計記錄的依據(jù)。

構(gòu)架焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時檢測主要焊接過程的焊接參數(shù)，通過物料編碼將數(shù)據(jù)對應(yīng)監(jiān)測。設(shè)置焊接電流、電壓閥值，在系統(tǒng)中設(shè)計智能邏輯判定規(guī)則，對超出的閥值報警并記錄。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖2。

2.2 輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)

動車組輪對制造智能化生產(chǎn)線在既有輪對生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，構(gòu)建車軸自動加工檢測線、車輪自動加工檢測線、車軸車輪自動噴涂線、輪對自動壓裝線、軸承軸箱自動組裝線等底層生產(chǎn)線，通過集成以上智能化底層生產(chǎn)線打造輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)，并集成至公司級質(zhì)量管理系統(tǒng)（Quality Management System，QMS），將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至智能監(jiān)造系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，形成完整的動車組輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖3。

2.3 計算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向架裝配過程中，通過計算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)（CAA 系統(tǒng)）對轉(zhuǎn)向架相應(yīng)安裝位置零部件進(jìn)行信息采集，生成相應(yīng)的裝車部件履歷，為QMS提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。QMS 具有數(shù)據(jù)下發(fā)接口和數(shù)據(jù)接收接口用于完成與CAA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。由于轉(zhuǎn)向架自動化裝配線采用工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)，所以QMS 與CAA 系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)采用以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的可靠和快速傳輸。CAA系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架裝配線架構(gòu)見圖4。

CAA 系統(tǒng)通過OPCUA 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)與數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集，其中包括扭矩控制系統(tǒng)、無線測量量具、轉(zhuǎn)向架尺寸測量調(diào)整平臺、轉(zhuǎn)向架綜合試驗(yàn)臺、轉(zhuǎn)向架制動試驗(yàn)臺。OPCUA 是在傳統(tǒng)OPC 技術(shù)取得成功后的又一突破，讓數(shù)據(jù)采集、信息模型化及工廠底層與企業(yè)層面間的通信更加安全、可靠。扭力信息的采集通過開放協(xié)議（OpenProtocol）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與交換。扭力信息采集架構(gòu)見圖5。

圖2 構(gòu)架焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3 輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

CAA系統(tǒng)在裝配過程中根據(jù)裝配物料的扭力控制要求，給扭力扳手下達(dá)擰緊力矩要求；扭力扳手根據(jù)擰緊力矩要求進(jìn)行擰緊，并將擰緊力矩通過OpenProtocol 協(xié)議上報輔助裝配系統(tǒng)；CAA系統(tǒng)根據(jù)工藝要求和收到的擰緊力矩信息，判斷是否合格，不合格時進(jìn)行報警并要求扭力扳手重新擰緊；最終將相關(guān)信息上傳至QMS。

圖4 CAA系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架裝配線架構(gòu)

圖5 扭力信息采集架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)采集方法

針對不同系統(tǒng)采取不同實(shí)施方式，將采集數(shù)據(jù)匯集至QMS 進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，依據(jù)監(jiān)造管控需求，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

3.1 構(gòu)架焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

通過掃碼設(shè)備采集工件編碼、人員編碼等信息，配合信息采集軟件完成采集和上傳。

人工焊機(jī)實(shí)施主板升級，增加焊接參數(shù)提取模塊，通過6類屏蔽網(wǎng)線將提取焊接電流、電壓參數(shù)實(shí)時傳輸至交換機(jī)，通過交換機(jī)將信息傳遞至焊接系統(tǒng)，焊接系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前焊機(jī)對應(yīng)生產(chǎn)工件，依據(jù)工藝參數(shù)實(shí)時判定，對超差過程進(jìn)行警告并記錄。焊接電流、電壓采集見圖6。

機(jī)械手焊機(jī)通過外接感應(yīng)設(shè)備完成焊接電流、電壓的信號采集，感應(yīng)器通過6類屏蔽網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳輸至交換機(jī)，交換機(jī)將信息傳遞至焊接系統(tǒng)，焊接系統(tǒng)采用與人工焊機(jī)相同的方式開展數(shù)據(jù)分析。

圖6 焊接電流、電壓采集

3.2 輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)

動車組輪對制造智能化生產(chǎn)線通過打造自動加工、自動檢測、智能調(diào)度和智能組裝系統(tǒng)，建立數(shù)字化加工、檢測、裝配平臺，結(jié)合人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的卡控、質(zhì)量在線監(jiān)測。輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)工作流程見圖7。

車軸、車輪自動加工檢測生產(chǎn)線通過車軸、車輪集成一體化控制中心并配合加工模擬仿真驗(yàn)證、自動化設(shè)備、機(jī)械手系統(tǒng)、AGV 智能配送，實(shí)現(xiàn)物料自動裝夾、自動加工、在線監(jiān)測，減少程序驗(yàn)證時間；車軸加工時在精車和磨削設(shè)備后配置自動測量裝置，能夠在線監(jiān)測車軸尺寸，監(jiān)測設(shè)備采用西門子控制系統(tǒng)，通過電氣柜上控制面板控制整個測量循環(huán)過程，加工尺寸超差時生產(chǎn)線進(jìn)行報警處理。

輪對自動壓裝生產(chǎn)線通過配備桁架系統(tǒng)、清洗設(shè)備、自動測量設(shè)備、車輪立體料庫和制動盤自動組裝線，實(shí)現(xiàn)車輪的智能調(diào)度、自動壓裝、自動清洗、自動檢測、數(shù)據(jù)自動采集分析及上傳。其中，輪對自動壓裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)通過掃描設(shè)備將零部件信息自動傳輸?shù)綁貉b設(shè)備上，壓裝設(shè)備自動調(diào)用壓裝程序，自動進(jìn)行零部件壓裝和測量，壓裝和測量后的數(shù)據(jù)和曲線存儲在壓裝設(shè)備中，并自動上傳至車間級控制系統(tǒng)。

軸承軸箱自動組裝生產(chǎn)線通過軸承自動測量設(shè)備、軸承自動壓裝設(shè)備、扭矩控制系統(tǒng)，配合無線智能量具、智能調(diào)度系統(tǒng)、AGV 智能配送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軸承軸箱智能化組裝。

3.3 計算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)

扭矩控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向架裝配線CAA 系統(tǒng)進(jìn)行通信連接，裝配線各工位配置Atlas 扭矩扳手實(shí)現(xiàn)螺栓扭矩施加和扭矩數(shù)據(jù)自動采集（見圖8）。

圖7 輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)工作流程

圖8 扭矩信息采集

轉(zhuǎn)向架尺寸檢測調(diào)整平臺將測量的實(shí)時數(shù)據(jù)上傳至裝配線中央控制系統(tǒng)，CAA 系統(tǒng)通過OPC 接口對接實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集測量平臺數(shù)據(jù)。具體檢測調(diào)整平臺見圖9。

圖9 轉(zhuǎn)向架尺寸檢測調(diào)整平臺

4 數(shù)據(jù)利用與過程監(jiān)測

綜上所述，通過不同形式完成轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)全過程各個關(guān)鍵工序中質(zhì)量項(xiàng)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，形成一套關(guān)于轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)全過程關(guān)鍵質(zhì)量要素的監(jiān)測。

4.1 構(gòu)架焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

構(gòu)架焊接過程實(shí)現(xiàn)了主要組成件焊接全過程數(shù)據(jù)監(jiān)測，通過設(shè)定工藝閥值，將超差信息進(jìn)行報警，并完成信息保存。面對多臺焊機(jī)同時工作［10]，通過系統(tǒng)分析將對應(yīng)工位作業(yè)內(nèi)容對應(yīng)至相應(yīng)工件，完成數(shù)據(jù)顯示（見圖10）。

構(gòu)架尺寸記錄通過系統(tǒng)智能分類，將不同種類尺寸分組對比顯示形成趨勢圖，有效顯示現(xiàn)場生產(chǎn)狀況。

圖10 轉(zhuǎn)向架焊接參數(shù)監(jiān)測界面

4.2 輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)

通過輪對生產(chǎn)線的信息反饋及系統(tǒng)智能統(tǒng)計分析判定，形成設(shè)備利用率、加工時間分析、生產(chǎn)異常問題統(tǒng)計、尺寸異常統(tǒng)計等內(nèi)容的顯示（見圖11）。

圖11 輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)圖

4.3 計算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)

實(shí)時數(shù)據(jù)采集后，通過企業(yè)數(shù)據(jù)總線上傳至QMS，按照標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量項(xiàng)點(diǎn)模式展示在QMS數(shù)字化設(shè)備模塊中，信息采集頁面匯總見圖12。

圖12 轉(zhuǎn)向架組裝信息采集頁面

4.4 監(jiān)造產(chǎn)品智能化監(jiān)測

依托企業(yè)智能化制造，針對監(jiān)造產(chǎn)品的關(guān)鍵工序、特殊過程接入企業(yè)智能設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)向架主要監(jiān)測參數(shù)包括產(chǎn)品外觀圖像采集（緊固件防松、鐵絲捆綁、墊片壓緊）、結(jié)構(gòu)尺寸、螺栓扭矩、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及構(gòu)架焊接，實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行問題智能質(zhì)量研判和工序流程卡控。監(jiān)造產(chǎn)品集成數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測見圖13。

圖13 監(jiān)造產(chǎn)品集成數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測

5 應(yīng)用成果

（1）提高了產(chǎn)品制造質(zhì)量。構(gòu)架焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)、計算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)已應(yīng)用到中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司轉(zhuǎn)向架批量制造中。計算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)和扭矩系統(tǒng)對螺栓扭矩施加的全面管控，降低了零部件螺栓錯打、漏打的風(fēng)險；對扭矩值和測量值的數(shù)字化管控，提高了裝配作業(yè)的施工質(zhì)量；構(gòu)架焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過中央控制室，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線內(nèi)信息的實(shí)時監(jiān)控；提高生產(chǎn)效率，兼容性強(qiáng)。輪對制造智能化生產(chǎn)線車間級控制系統(tǒng)利用計算機(jī)輔助裝配系統(tǒng)，固化作業(yè)流程及標(biāo)準(zhǔn)，自動采集判斷裝配信息，保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量。在線測量設(shè)備通過無線測量模塊和計算機(jī)裝配輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的自動傳輸、記錄、判斷、報警功能，確保產(chǎn)品質(zhì)量可控。

（2）提高了工作管理效率。通過QMS及智能監(jiān)測，將采集的設(shè)備、質(zhì)量、物料、人員等制造過程數(shù)據(jù)挖掘、分析、利用，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量履歷記錄電子化存檔、工序能力評估、生產(chǎn)線數(shù)據(jù)驅(qū)動決策。質(zhì)量數(shù)據(jù)自動采集和生成，提高了質(zhì)量管控效率，降低了質(zhì)量管控和追溯成本；自動統(tǒng)計分析工位生產(chǎn)進(jìn)度、工位節(jié)拍達(dá)成率等，提高生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)進(jìn)度管理效率。電子化存檔及數(shù)據(jù)分析、利用見圖14。

圖14 電子化存檔和數(shù)據(jù)分析、利用

（3）實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)線。通過中國標(biāo)準(zhǔn)動車組標(biāo)準(zhǔn)化智能監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施，將自動化和信息化深度融合，通過智能傳感RFID、機(jī)器人、智能物流、在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集分析的綜合運(yùn)用，生產(chǎn)線集成MES、QMS，打通數(shù)據(jù)鏈，全面提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在車軸、車輪、構(gòu)架加工生產(chǎn)線生產(chǎn)效率提升20%、人員降低30%以上，在焊接、裝配生產(chǎn)線建設(shè)方面也取得突破，采用數(shù)字化焊接、裝配技術(shù)結(jié)合人機(jī)交互方式，構(gòu)建智能生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)流程系統(tǒng)卡控、質(zhì)量在線監(jiān)測（見圖15）。

通過中國標(biāo)準(zhǔn)動車組標(biāo)準(zhǔn)化智能監(jiān)測系統(tǒng)的使用，不斷推進(jìn)數(shù)字化生產(chǎn)線管理規(guī)范，固化作業(yè)要求，打造新型制造模式。同時提出數(shù)字化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集項(xiàng)點(diǎn)和統(tǒng)計應(yīng)用規(guī)則，制定智能制造生產(chǎn)線集成及生產(chǎn)線信息系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，形成智能化生產(chǎn)線的管理規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，打造適應(yīng)數(shù)字化生產(chǎn)線運(yùn)行的生產(chǎn)組織、質(zhì)量管控模式，實(shí)現(xiàn)智能制造與生產(chǎn)線的深度融合。

圖15 作業(yè)流程系統(tǒng)卡控、質(zhì)量在線監(jiān)測

6 結(jié)束語

轉(zhuǎn)向架作為動車組的重要組成部件，其質(zhì)量管控直接影響行車安全，通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集部署，為各生產(chǎn)線配置掃碼器和顯示終端，完成生產(chǎn)過程信息的采集；通過硬件改造完成電焊機(jī)、扭力扳手等硬件的實(shí)時信息采集，以ESB 工業(yè)總線完成了整體數(shù)據(jù)的傳輸，通過QMS 連接完成監(jiān)造系統(tǒng)與現(xiàn)場的實(shí)時信息同步，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)過程的智能化制造和監(jiān)造業(yè)務(wù)的數(shù)字化交互，形成以物料編碼為標(biāo)識的數(shù)據(jù)集合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程質(zhì)量的監(jiān)測與管控，有效完成數(shù)據(jù)整合，同時提高了轉(zhuǎn)向架智能化監(jiān)造水平，產(chǎn)品監(jiān)造效率提高顯著，保障了動車組的制造和監(jiān)造質(zhì)量。