轉向架構架焊接模塊化信息采集在智能監(jiān)造中的作用

孫中文， 賈廣躍， 馬力

（1.中國鐵路濟南局集團有限公司，濟南250001；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島266111；3.華中科技大學 無錫研究院，江蘇 無錫214174）

0 引 言

在轉向架構架生產過程中焊接是較為重要的工序，在轉向架構架焊接生產過程中，工藝人員將生產流程合理分割，完成區(qū)域劃分，方便生產管理的同時保證了生產過程順利進行。信息數(shù)字化車間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，建立起適應全數(shù)字傳遞的零件數(shù)字化工藝設計、數(shù)字化加工、生產現(xiàn)場管理和質量檢測綜合自動化集成應用環(huán)境[1]。

為完成設計、工藝、設備數(shù)據(jù)鏈的導通，體現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動的優(yōu)勢，結合生產現(xiàn)場實際需求，圍繞質量、效率、效益，對既有生產線進行數(shù)字化升級改造，形成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為便捷、有效地采集信息，提出構架焊接模塊化信息采集方式，通過模塊化信息采集的方式進行生產現(xiàn)場信息整合。模塊化的信息采集有效地完成了生產流程的貫通，并實現(xiàn)了數(shù)字化制造過程指揮，模塊化方式可以很好地適應轉向架構架焊接生產過程工序調整，在智能監(jiān)造系統(tǒng)中發(fā)揮了很大作用。

1 轉向架構架模塊化采集結構

轉向架構架焊接生產線信息紐帶是企業(yè)服務總線(EnterpriseServiceBus，ESB)[2-3]，系統(tǒng)服務器在ESB完成信息的交互傳輸，完成信息的共享。ESB支持異構環(huán)境中的服務、消息，以及基于事件的交互，并且具有適當?shù)姆占墑e和可管理性。ESB提供了連接企業(yè)內部及跨企業(yè)間新的和現(xiàn)有軟件應用程序的功能，以一組豐富的功能啟用管理和監(jiān)控應用程序之間的交互。在SOA分層模型中，ESB用于組件層及服務層之間，它能夠通過多種通信協(xié)議連接并集成不同平臺上的組件，將其映射成服務層的服務。

模塊化信息的采集可完成相關信息分割采集，分工序完成各個子工序臺位數(shù)據(jù)信息的采集，并通過總線匯集至系統(tǒng)服務器，服務器接收信息并將數(shù)據(jù)分類整理，系統(tǒng)服務器根據(jù)智能監(jiān)造系統(tǒng)需求將信息分類處理，并依據(jù)不同監(jiān)造要求完成傳輸與顯示，做到全工序數(shù)據(jù)信息整合運用，直接作用于產品，有效控制產品質量。

轉向架構架焊接生產線生產過程依據(jù)生產需求，考慮人員、產能、設備等因素將生產進行區(qū)域化管理，依據(jù)工藝分割，形成不同作業(yè)單位。結合轉向架構架焊接生產線的生產模式，進行全過程生產質量監(jiān)造管控，通過模塊化方式，將各個單元信息進行采集記錄，模塊化流程如圖1所示。

轉向架構架焊接生產過程為多工件并行機制，在生產過程中，生產線內將存在工件期量，對于各個工件通過物料編碼形式進行區(qū)分，將各個車型的工件單獨完成數(shù)據(jù)串聯(lián)采集，形成完整信息數(shù)據(jù)流。

圖1 轉向架構架焊接制造信息模塊化采集流程圖

模塊化信息采集需完成信息中包括人員、設備、工件的信息采集，同一作業(yè)單位完成該單位內所有信息的采集，并進行數(shù)據(jù)模塊化記錄、上傳，數(shù)據(jù)以結構化方式被處理，依據(jù)不同工序、不同校檢點的項點要求，完成數(shù)據(jù)的對比顯示，實現(xiàn)監(jiān)造目的，保證生產質量。模塊化的數(shù)據(jù)方便質量的追溯，為全生命周期的管控提供制造過程數(shù)據(jù)支撐。

基于模塊化理念，在轉向架構架焊接生產過程出現(xiàn)工序增加或刪除時，通過簡單操作可以完成信息模塊的建立與撤銷，在整個作業(yè)流程中，模塊化充分發(fā)揮其操作簡便、可復制、可移植的特點，可以有效地適應轉向架構架結構轉變帶來的工藝工序調整。

2 模塊化實施方法

單個作業(yè)單位內需要完成的模塊化信息，根據(jù)系統(tǒng)需要將作業(yè)單位進行物聯(lián)網，通過硬件升級改造完成必要數(shù)據(jù)的自動接入，部分數(shù)據(jù)通過人工錄入完成信息采集，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的智能網絡系統(tǒng)[2-3]。在作業(yè)單元內配置一定數(shù)量的掃碼設備及終端顯示設備進行信息的采集與展示。

1）人員信息。人員信息需要完成人員員工號、資質內容的維護，此類數(shù)據(jù)為基礎性數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)庫，在人工進行掃碼前需完成員工信息的采集，強制防錯方式是通過系統(tǒng)設限完成，系統(tǒng)中進行人員資質的對照標準，對于未進行人員信息錄入或人員資質不符合的單位進行提醒顯示，并對部分硬件進行自鎖，在完成信息符合設定要求后再次啟動。

2）設備信息。設備信息需要提前完成信息的維護，設備的信息采集需要通過改造完成，信息應通過設備自動將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)中。在作業(yè)單位進行生產時，需要對其中關鍵信息進行記錄，如設備啟動時間、有效運行時間、結束時間，方便質量的管控、設備管理，對于關鍵項點超出標準值的部分應進行提醒說明，并進行相關記錄。例如焊接設備采集焊接電流、電壓，采集過程為實時顯示，根據(jù)質量要求明確其控制范圍。

對不同工序對應質量點的設定應根據(jù)具體項點要求進行設定，對質量監(jiān)測進行記錄，并對出現(xiàn)超差的操作過程進行記錄，用于焊接質量的追溯記錄。

3）工件信息。為滿足產能要求，適應多變構架結構生產，轉向架構架焊接車間設計完成柔性焊接工藝裝備，同一產線同時可完成多個車型的生產任務。因此在同一時間，生產線內將出現(xiàn)多個工件并行生產過程，信息的采集則是通過編碼形式完工件區(qū)分。工件信息完成車型與生產編號的定義，并完成獨立表示，保證每個工件擁有唯一標示，用于生產過程數(shù)據(jù)串聯(lián)標志。

3 模塊化信息匯總

基于以上模塊化設計及采集，構架焊接生產線信息被整合并以模塊化信息包的形式上傳至系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)工件物料編碼信息進行整合，將構架生產過程信息進行存儲。

將生產過程數(shù)據(jù)分類成實時數(shù)據(jù)與非實時數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)需完成相應上下限的設定，用于監(jiān)測生產過程中的質量情況；非實時數(shù)據(jù)需完成生產過程質量檢查結果的記錄，形成電子化質量履歷，通過編制的物料編碼完成數(shù)據(jù)的打包記錄。

依據(jù)監(jiān)造需求，生產監(jiān)造系統(tǒng)進行產線內關鍵項點的卡控，完成非實時數(shù)據(jù)記錄，進行質量追溯。對于首件通過率進行比率計算（首次通過數(shù)量、當前通過數(shù)量/總首件鑒定數(shù)量），通過產品首件鑒定完成率可以評價生產過程綜合能力的評估，完成率上限一般設定100%，如圖2所示。

圖2 首件鑒定通過率整理顯示

通過轉向架構架焊接生產過程模塊化信息采集的方式應用至整車制造過程，采用模塊化信息管控方式，從轉向架層級考慮，完成整個質量過程的管控，完成整車質量通知、回修統(tǒng)計、缺陷統(tǒng)計、車輛產品重大不符合項的信息匯總，形成整合信息如圖3所示。

4 構架焊接關鍵項點質量監(jiān)造反饋

構架焊接過程最為關鍵的監(jiān)測項為探傷合格率及劃線尺寸結果，質量監(jiān)造節(jié)點設置在劃線工序及探傷工序，該兩節(jié)點的管控可直接反映出轉向架構架焊接的質量特性。

4.1 劃線數(shù)據(jù)管理

圖3 信息分類展示

劃線尺寸的全過程記錄反映出焊接變形量的統(tǒng)計，并對焊接變形量進行掌控，長期的數(shù)據(jù)積累可反映出部件整體制造質量過程。設定報警臨界值，通過模塊化管理方式，對不同種類的部件的尺寸管理，完成各部件的智能監(jiān)控、報警，以月為單位進行相關數(shù)據(jù)的整理統(tǒng)計，形成報表，并完成環(huán)線數(shù)據(jù)整體異常合格率等內容的統(tǒng)計顯示，圖4為劃線數(shù)據(jù)反饋情況示意圖。

圖4 劃線信息反饋

4.2 探傷數(shù)據(jù)管理

相比于劃線工序，探傷工序對焊接質量內在信息進行統(tǒng)計，并就不同生產時間、部件類型進行分門別類的管理，完成質量的嚴格把控，實現(xiàn)智能過程監(jiān)造，完成關鍵質量點的模塊化管控效率，實現(xiàn)各個部件關鍵尺寸的超差自動報警，提高質量管控，圖5為探傷數(shù)據(jù)反饋情況示意圖。探傷過程區(qū)分初檢（一次交檢）、復檢（二次交檢）。一次交檢合格率為一次交檢合格數(shù)量/待交檢數(shù)量，對于探傷單件，為單件合格焊縫數(shù)量/單件總探傷數(shù)量，班次內各單件合格率的均值作為工作周期內一次探傷合格率。一次交檢合格率可直觀反映生產質量，如焊縫內部質量，根據(jù)探傷合格率進行針對性質量改善，一次交檢合格率閥值設定建議在95%以上。

圖5 探傷信息反饋

二次交檢合格率為返修后工件二次交檢合格數(shù)量/返修后工件總數(shù)量，閥值設定為100%。

4.3 焊接數(shù)據(jù)管理

依據(jù)現(xiàn)場生產狀態(tài)，將設備各臺位工作狀態(tài)根據(jù)焊機運行情況進行分類顯示，用于監(jiān)測焊接過程是否滿足質量要求，以側梁組成定位臂焊接工序為例，將本工序相關臺位進行模塊化的分類管控，借助設備自動上傳數(shù)據(jù)進行相關過程的判定分析，根據(jù)反饋信息及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性因素出現(xiàn)的征兆，并采取措施消除其影響，使過程維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態(tài)，以達到控制質量的目的。

焊接過程主要對焊接電流與焊接電壓值進行管控，如圖6所示，當采集數(shù)值異常波動時，對焊接設備進行設備異常報備，對人員進行培訓指導；對于加工設備可能存在的異常，需要重新進行校正、計量或維修；對于測量設備需要校對、送檢查看。

圖6 焊接數(shù)據(jù)管理

5 結 語

智能監(jiān)造通過模塊化工序管控方式完成轉向架構架焊接生產過程的信息化整合，將各工序關鍵項點進行采集、智能判定，改變現(xiàn)場人工監(jiān)測的作業(yè)方式，實時、有效地完成現(xiàn)場質量的管控。以模塊化形式將作業(yè)單位內的人員、設備、物料信息進行整理，有機結合在轉向架構架焊接各工序，使得現(xiàn)場應用簡潔、有效，對于工序調整有很高的適應性，方便廠房管理。模塊化的信息存儲方式，對于質量追溯有益，該種采集方式對于轉向架構架焊接多變的車型、工藝變更有較好的適應性，可適用于新增工序及工序內容變更。