CRH3高速動車組轉(zhuǎn)向架智能裝配系統(tǒng)研發(fā)

徐 駿 升，潘 禮 輝，徐 東

(山東中車同力達(dá)智能機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250022)

近些年高速動車組市場在中國發(fā)展迅速，高鐵技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時也給國民出行帶來了方便，因此保障高鐵技術(shù)裝備市場發(fā)展成為重中之重?，F(xiàn)有的高鐵裝配模式為手工裝配模式，在此基礎(chǔ)上添加自檢與互檢工序，事實(shí)上此工序往往投入較大人力資源，但裝配效率較低，造成因裝配工序不嚴(yán)謹(jǐn)或者漏擰、錯擰螺栓引發(fā)的故障屢有發(fā)生。在裝配執(zhí)行過程中影響因素包括人為心理狀態(tài)、環(huán)境因素及疲勞程度，其中人為因素是最重要因素。

本文研發(fā)的CRH3高速動車組智能裝配系統(tǒng)旨在建立一套具有精準(zhǔn)測量、數(shù)據(jù)自動傳輸、工具智能管理、人為干擾因素低的智能裝配系統(tǒng)。系統(tǒng)利用工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對高鐵裝配數(shù)據(jù)的集成分析，實(shí)現(xiàn)信息的及時、有效傳遞，方便管理人員做出相應(yīng)決策[1]。工作站負(fù)責(zé)底層硬件及各外接設(shè)備接口，借助機(jī)器視覺等相應(yīng)設(shè)備在各工作站采集實(shí)際檢測數(shù)據(jù)并上傳到系統(tǒng)中。系統(tǒng)可以進(jìn)行查詢、統(tǒng)計和分析，并在作業(yè)完成后生成質(zhì)檢報告。系統(tǒng)有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，充分考慮應(yīng)用實(shí)際，真正實(shí)現(xiàn)防漏擰、錯擰功能。該系統(tǒng)具有高度容錯性，能在異常情況下自我恢復(fù)正常工作。

1 智能裝配系統(tǒng)搭建

針對軌道交通行業(yè)的裝配，應(yīng)以智能計算為基礎(chǔ),通過現(xiàn)有工業(yè)邏輯設(shè)計智能裝配系統(tǒng)。將以前人為的操作方式賦予到軟件上，對高鐵部件的裝配順序進(jìn)行智能規(guī)劃，盡量消除人為因素影響。為提升軌道交通行業(yè)裝配效率以及準(zhǔn)確率，本系統(tǒng)采用數(shù)字化技術(shù)從多個方面來糾正異常情況的發(fā)生；基于視覺的裝配質(zhì)量檢測方法可為檢查人員提供有效的信息提示，為結(jié)果的準(zhǔn)確性提供更可靠的依據(jù)。

針對軌道車輛轉(zhuǎn)向架裝配特點(diǎn)，借鑒先進(jìn)工業(yè)裝配領(lǐng)域系統(tǒng)架構(gòu)[2]，研發(fā)了如圖1所示的裝配系統(tǒng)架構(gòu)。為充分利用系統(tǒng)功能，將操作工位端設(shè)計成移動裝配車，方便車間進(jìn)行可移動裝配。此裝配車上包含著一系列數(shù)字化裝配工具，裝配系統(tǒng)利用車間已布置好的無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到搭設(shè)在遠(yuǎn)端的服務(wù)器。該系統(tǒng)優(yōu)勢為：工廠內(nèi)兼容無線與有線方案，不會改變生產(chǎn)架構(gòu)與習(xí)慣，通過裝配過程的信息化，為軌道交通行業(yè)裝配工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供技術(shù)支持。

圖1 系統(tǒng)功能框架圖

2 智能化裝配車

系統(tǒng)集成在裝配車上，能夠保證以移動式裝配車的方式特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)半徑內(nèi)工位的覆蓋。智能化裝配車底部集成了無痕萬向輪，能夠保證在裝配車間內(nèi)耐用的前提下進(jìn)行靈活裝配。每個智能化裝配車都配備顯示器、報警燈、扭矩扳手、伸縮式防護(hù)罩、扳手放置架、掃描儀、萬向輪、打印機(jī)、套筒選擇器及打卡器等裝置。如圖2所示，智能化裝配車空間分配合理，其中，扳手放置架安裝在裝配車上，掃描儀、套筒選擇器等合理布局在臺面上。裝配車上還配備了伸縮式防護(hù)罩，在非裝配時間段，裝配工人可將伸縮式防護(hù)罩落下，防止扭矩扳手等物品損壞或丟失。

圖2 智能化裝配車布局圖

3 裝配組成

3.1 裝配流程框架

裝配起始階段，操作工手持員工卡刷卡啟動系統(tǒng)軟件，進(jìn)入系統(tǒng)后，如果工件到位，就手動輸入車架號，系統(tǒng)根據(jù)條碼導(dǎo)入車架對應(yīng)的工藝[3]，然后彈出框讓操作工選擇是否完成此工藝，如果沒有完成，操作工掃描部件條碼，根據(jù)工藝信息彈出的相應(yīng)工藝進(jìn)行操作。操作工選擇正確的扭矩扳手進(jìn)行操作，如果選擇工具和套筒不正確，系統(tǒng)會聲光報警提示，如此反復(fù)，裝配完成后工具自動鎖定，裝配數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中，等待下次掃碼激活。

裝配流程如圖3所示。系統(tǒng)具備異常處理機(jī)制，操作工登錄系統(tǒng)后，首先查看系統(tǒng)中是否存在異常任務(wù)，如果存在，則選擇相應(yīng)的異常任務(wù)進(jìn)行處理。

圖3 裝配流程圖

針對裝配作業(yè)過程中出現(xiàn)的多種異常情況，操作工在進(jìn)行正常的任務(wù)處理時，發(fā)現(xiàn)部件缺損以及物料短缺等一系列問題，可以請求現(xiàn)場管理人員進(jìn)行異常提交授權(quán)，授權(quán)人員在臺位操作端或客戶端刷卡登錄，選擇相應(yīng)的異常處理功能辦理異常。如例外轉(zhuǎn)序、異常下線以及特殊放行。同時一定要詳細(xì)記錄異常提交原因，以免出現(xiàn)問題后裝配生產(chǎn)線無法運(yùn)轉(zhuǎn)，影響生產(chǎn)效率或者造成裝配停產(chǎn)事故。異常管控流程如圖4所示。

圖4 異常管控流程圖

3.2 裝配上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

工位裝配上位機(jī)負(fù)責(zé)底層硬件的正常運(yùn)行，同時與各外接設(shè)備接口交互。各工位將實(shí)際裝配作業(yè)數(shù)據(jù)集中上傳到服務(wù)器中。服務(wù)器軟件進(jìn)行查詢、統(tǒng)計和分析工作，并在作業(yè)完成后打印生產(chǎn)報告。該系統(tǒng)充分考慮了現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際情況，能夠在發(fā)生異常的情況下，通過聲光警告給現(xiàn)場工作人員，提醒工作人員進(jìn)行人為的生產(chǎn)糾正。

工位作業(yè)機(jī)主要特點(diǎn)如下：

(1) 顯示屏人機(jī)交互界面設(shè)計；

(2) 具有螺栓防錯擰緊和裝配數(shù)據(jù)收集分析功能；

(3) 工藝指定裝配；

(4) 交互式人機(jī)界面，按預(yù)先設(shè)置的工序裝配，保證生產(chǎn)質(zhì)量；

(5) 模塊化裝配管理設(shè)計，工藝配置靈活高效；

(6) 各級角色權(quán)限管理，保證系統(tǒng)協(xié)調(diào)生產(chǎn)；

(7) 利用復(fù)雜、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析模塊，用以保證裝配過程中的質(zhì)量追溯。

工位作業(yè)機(jī)軟件采用.NET平臺設(shè)計，軟件系統(tǒng)構(gòu)架如圖5所示。

圖5 工位作業(yè)機(jī)軟件架構(gòu)圖

工位作業(yè)機(jī)獲取所屬的各個工具的工步狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、操作狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)等信息，將數(shù)據(jù)存儲到工控機(jī)本機(jī)數(shù)據(jù)庫中，同時建立歷史數(shù)據(jù)庫。通過在工位作業(yè)機(jī)上部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)程序，自動將實(shí)時數(shù)據(jù)推送到裝配控制系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。采用無線網(wǎng)絡(luò)斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)，可在網(wǎng)絡(luò)通信異常、設(shè)備發(fā)送異常等特殊情況下，將產(chǎn)生的脫機(jī)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后上傳到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

3.3 裝配服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器系統(tǒng)位于管理層與車間生產(chǎn)層中間，將作業(yè)內(nèi)容分配至具體裝配車,系統(tǒng)可以實(shí)時有效地監(jiān)測裝配設(shè)備操作過程及生產(chǎn)數(shù)據(jù), 同時能夠?qū)?shí)際裝配數(shù)據(jù)及時反饋到上游信息管理系統(tǒng)，并提供質(zhì)檢信息傳遞裝配異常信息，智能裝配服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)更好地提升了軌道裝配領(lǐng)域的裝配過程。

服務(wù)器端軟件采用B/S模式開發(fā)搭建，采用.NET CORE軟件開發(fā)框架搭載，服務(wù)器軟件包含生產(chǎn)管理模塊及設(shè)備管理模塊、用戶管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊及工藝指導(dǎo)模塊等。整個裝配生產(chǎn)線以信息化、智能化為前提,降低了人為因素的影響[4]，將裝配數(shù)據(jù)實(shí)時采集傳輸?shù)椒?wù)器并上傳到管理層服務(wù)器,可方便管理人員實(shí)時查看現(xiàn)場生產(chǎn)情況,進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，以及后續(xù)裝配過程的優(yōu)化,為產(chǎn)品的升級提供了裝配記錄，使其可追溯。服務(wù)器端軟件能夠準(zhǔn)確記錄裝配過程中的物料信息、部件信息、人員信息以及設(shè)備信息, 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊可對人員、設(shè)備裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計及圖表可視化展示，并對裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布圖、SPC分析、散列圖、合格率分析，通過選擇個人、班組、車間或產(chǎn)品等進(jìn)行分析，設(shè)置多級角色操作權(quán)限。工藝指導(dǎo)模塊指導(dǎo)設(shè)備按照流程動作,提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)異常發(fā)生的概率,大大提升了裝配領(lǐng)域的信息化水平。

服務(wù)器端軟件的運(yùn)行界面如圖6所示。

圖6 服務(wù)器端軟件界面

4 結(jié)論

動車組轉(zhuǎn)向架智能化裝配成功填補(bǔ)了我國高鐵裝配領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展空白。CRH3高速動車組轉(zhuǎn)向架智能裝配系統(tǒng)通過合理規(guī)劃裝配工序，在每個裝配工位搭建裝配車，對每一生產(chǎn)步驟進(jìn)行嚴(yán)格管控，并搭建遠(yuǎn)程高性能服務(wù)器設(shè)備，保證裝配數(shù)據(jù)實(shí)時保存。該系統(tǒng)通過與國內(nèi)主要高速動車制造企業(yè)合作應(yīng)用，大幅度提升了高鐵動車裝配質(zhì)量和工業(yè)化、智能化制造水平。