轉向架數字化焊接生產線

宋學毅，姜 斌，李 蕊，臧宗波，魏 燦

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

近年來，信息技術與制造領域發生了重大變革，大數據、云計算、3D打印、工業機器人等普遍推廣和應用，智能制造作為信息化與工業化深度融合的產物受到了各國政府的廣泛關注和普遍重視，如：美國先進制造業國家戰略、法國“新工業法國計劃”、德國“工業 4.0”[1]、中國制造 2025[2-3]等。

我國軌道交通裝備制造業歷經多年發展，形成了集設計、制造和服務于一體的裝備制造體系，動車組和地鐵車輛都取得了舉世矚目的成就。在中國制造2025的大環境下，數字化、網絡化、智能化日益成為未來軌道裝備制造業發展的主要趨勢，由單一機器人、新技術焊接變為數字化生產線，集組裝、焊接、檢測、在線監控、排產于一身的智能化數字化構架焊接生產線將成為主要的制造模式。

1 總體技術方案

1.1 設計方案

高速動車組轉向架是影響車輛動力學性能的關鍵部件，焊接質量關系到整車安全性，其部件種類多、數量大，且多型號多訂單混線生產，為典型的復雜裝備離散制造模式。

建立數字化制造過程模型，應用數字模型、虛擬仿真技術，實現產品設計、工藝規劃、生產制造過程的數據的一體化，同時建立制造過程管理系統與自動化設備聯網系統，創建數字化制造環境。采用MES信息系統，在制造過程中實現數字化、可視化管理，使制造過程中的數據業務順暢流轉，實現生產線自動化、智能化改造，對制造生產信息管理系統集成，對制造過程準確感知、及時反應、快速處理。基于以上數字化制造平臺，使焊接構架數據結構化、生產過程數字化、生產控制實時化，實現生產線的數字智能在線可控。數字化生產線總體設計方案如圖1所示。

數字化制造過程管理系統將以轉向架應用制造運營管理系統（以下稱MOM系統）為基礎，擴展強化系統功能，并基于MOM系統開發實施生產線制造執行系統（焊接生產線執行系統），在關鍵的局部環節實現加工設備與制造管理系統的緊密集成，使制造數據得以上下貫通。

圖1 數字化生產線總體設計方案

1.2 焊接生產MES系統

針對轉向架構架焊接生產線特點，在制造運營管理系統（MOM）的基礎之上，開發實施相應的焊接生產線MES如圖2所示。通過對焊機和機器人焊機的改造組網，開發實施焊接生產線MES系統，構建焊機與管理系統、焊機與焊機、焊機與人之間的信息通訊環境。實現系統下發到車間的數據（人、機、料、法、環）能夠準確高效地傳遞給車間、焊機及人員，同時實現對焊接執行過程中焊機實時運行數據、質量數據的有效監視、控制、記錄和追溯。

圖2 焊接生產線MES系統架構

1.3 焊接過程管理系統

對于數字焊機，其主控板上有I/O通訊接口，可使用數據采集板卡通過通信接口進行通信。對于非數字焊機，加裝霍爾傳感器進行數據采集，使用編碼器及采集板卡將所采集的數據進行數模轉換后，再通過標準以太網進行通訊。對全部焊接設備加裝送絲速度和氣體流量傳感器，傳感器數據通過采集板卡接入系統；采集板卡與服務器使用無線的方式進行數據傳輸；在采集板卡端增加無線AP和廠房中的無線AP節點進行通信，廠房中的無線AP網絡連接到數據控制總線服務器，焊接聯網拓撲如圖3所示。

基于過程管理和人機交互操作的需要，針對每一個焊機工位加裝觸控操作屏、條碼槍、紅外手持測溫儀等裝置。在智能制造中，人機交互方式的改變，可視化技術的提升，將為工控機核心技術帶來巨大的推力[4]。生產系統通過無線網絡傳輸，利用射頻識別，控制模式和工人工作方式有很大的變化，寬帶和近距離通信網絡性能的增加，平板電腦、手機和可穿戴設備等網絡移動控制方式極大的普及[5]。另外，觸摸屏和多點觸控的圖形化也將使人機界面逐步取代開關按鈕等。尤其是人們已經習慣智能電子消費產品的操作方式，能夠快速地做出反應，切換屏幕，上傳或下載數據，大大豐富了人機交互的內容，也明顯降低誤操作率[6]。

圖3 焊接聯網拓撲

1.4 生產執行控制系統

控制系統通過中控系統與AGV小車、機械手、檢測設備及傳感器連接，接收、監測、反饋生產線的物流、信息流及焊接生產流數據，獲取物料的配送工單、路徑等信息，驅動AGV小車完成物料配送，并可將生產線物流的配送情況、配送過程中的異常狀態等信息反饋給上游MES信息系統。

控制系統能及時采集機器人作業的實際參數并上傳給上游MES信息系統，所有設備的生產日志數據自動存儲并自動傳送到上游MES系統服務器中，全生命周期保存生產過程信息。

在焊接生產過程中，控制系統引進智能檢查設備，增加焊縫視覺檢測系統，3D掃描焊縫，與系統中加載的三維模型數據對比分析，確定焊縫尺寸和外觀是否符合標準要求。

2 結論

（1）生產線MES系統、管理及控制系統的應用使轉向架組焊生產制造過程實現了透明化數字化及智能化。轉向架焊接制造數據平臺將隨著生產的推進源源不斷的為產品開發、工藝優化、質量管理、問題分析等方面提供實時、客觀的數據。

（2）數字化制造是連接設計和制造之間的橋梁，是實現“智能制造”的重要基礎。智能工廠是在數字化工廠基礎上的升級版，智能生產是以智能工廠為核心，將人、機、法、料、環連接起來的多維度融合的過程，它把制造自動化擴展到柔性化、智能化和高度集成化，實現了成本、質量可追溯管理。

（3）將全部焊接的生產信息數字化存儲及分析，進而建立數字化轉向架焊接生產線，建立全生產環節的數字化數據及質量信息，進一步向設計、制造策劃、運用維護、檢修等維度擴展，最終覆蓋產品全生命周期，為數字化智能化焊接技術在動車組轉向架領域應用提供了可行的借鑒方案。

參考文獻：

[1]黃順魁.制造業轉型升級：德國“工業4.0”的啟示[J].學習與實踐，2015（1）：44-51.

[2]杜品圣.智能工廠德國推進工業4.0戰略的第一步（上）[J].自動化博覽，2014（1）：22-25.

[3]杜品圣.智能工廠德國推進工業4.0戰略的第一步（下）[J].自動化博覽，2014（2）：50-55.

[4]肖翔，熊佐松，劉海燕，等.智能可視化優化技術用于常壓塔多目標操作優化[J].煉油技術與工程，2015（4）：8-10.

[5]劉昭斌，劉文芝，顧才東，等.基于智能制造系統的物聯網 3D 監控[J].實驗技術與管理，2015（2）：89-93.

[6]張卓，宣蕾，郝樹勇.可視化技術研究與比較[J].現代電子技術，2010（17）：133-138.