一種軸端軸箱擰緊信息化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

中國重汽集團工藝研究院 濟南 250000

0 引言

軸端軸箱擰緊信息化系統(tǒng)主要用于鐵路客車輪對軸端、軸箱螺栓裝配作業(yè)，能實現(xiàn)按扭矩控制和角度控制要求進行緊固，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的下發(fā)、采集、整理分析、存儲、上傳和打印。設(shè)備采用桁架吊掛臥式擰緊的形式，軸端主機箱體由3個單獨的擰緊軸組成，軸箱主機箱體由4個單獨的擰緊軸組成，工作時可適應(yīng)GB/T12814—2002、CCKZ43-20-06、TSZT20-99-100A輪對3個軸端螺栓和4個軸箱螺栓的工況。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作流程

文中提出的擰緊裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩套擰緊機組成，根據(jù)GB/T12814—2002、CCKZ43-20-06、TSZT20-99-100A輪對的工況，設(shè)計為一套三軸軸端擰緊機和一套四軸軸箱擰緊機，分別掛在兩套橫移軌道上，由升降機構(gòu)控制設(shè)備升降。升降機構(gòu)主要用升降氣缸、氣控箱、防墜器、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、空壓蝶式制動器等組成。旋轉(zhuǎn)組件可使智能扳機在一定角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以保證輪對在軌道上不正和左右兩端需兼顧的情況下正常擰緊的作業(yè)要求；空壓蝶式制動器可在擰緊過程中整體抱死機構(gòu)，防止在最終扭矩到達時設(shè)備產(chǎn)生不必要的晃動，系統(tǒng)具有極高的可靠性、安全性。另外在橫移軌道水平方向兩端各安裝兩個接近開關(guān)，用于檢測擰緊機當(dāng)前位置是在輪對左工位還是輪對右工位。

圖1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖

擰緊設(shè)備箱體組件由支撐組件、前后連接板、后懸臂、操作手柄、環(huán)柄、外罩、擰緊軸、套筒等組成。該設(shè)備能完成輪對軸端螺栓高效、可靠的緊固作業(yè)，并能完成輪對每個軸端上3個螺栓規(guī)格、軸箱上4個螺栓規(guī)格的緊固作業(yè)。其中的顯示單元可顯示擰緊完成的最終扭矩值及合格綠燈，顯示直觀易懂。箱體組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 箱體組件圖

設(shè)備工作過程如下：首先MES通過服務(wù)器或者手動在服務(wù)器軟件上下發(fā)工單，然后在設(shè)備操作端刷卡登錄，在人機交互界面上會顯示當(dāng)前操作者信息，確認登錄后，將設(shè)備從初始待機位置拖動到第一輪對位置，使用掃碼槍掃描輪對上的輪對二維碼，設(shè)備會根據(jù)條碼信息和工單信息自動選擇程序，然后開始擰緊操作。擰緊合格完成后，使用PDA手持終端拍照上傳保存到數(shù)據(jù)管理軟件中。工位區(qū)域內(nèi)輪對全部擰緊完成后，按下操作盒上設(shè)備返回按鈕，軌道上返回電機啟動將設(shè)備帶動返回至初始待機位置，等待下次使用或拖動到對面工位使用。工作流程如圖3所示。

圖3 工作流程圖

3 控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)基于Profinet總線通訊，PLC和擰緊軸控制器、返回伺服電機控制器相連。采集系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集終端、無線路由器、PDA手持終端、掃碼槍和員工卡管理模塊構(gòu)成。工控機本地數(shù)據(jù)庫與工廠MES系統(tǒng)相連接。系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 擰緊系統(tǒng)

設(shè)備采用Atlas Power Macs系列擰緊系統(tǒng)，含2個帶PN通訊板卡的主控制器、5個副控制器以及2個電源控制器。副控制器和主控制器之間采用以太網(wǎng)連接，再通過主控制器連接到設(shè)備交換機上。擰緊軸扭矩范圍為50 Nm～350 Nm，最大轉(zhuǎn)速為220 r/min，扭矩控制精度≤ 2.5%，角度控制精度≤ 1°，能完成對螺栓高效、可靠的緊固作業(yè)。

3.2 本地工控機

采用研華IPC-610H工控機，安裝Win Server 2008系統(tǒng)和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫軟件，便于查詢數(shù)據(jù)，對擰緊數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并上傳至MES系統(tǒng)。

3.3 數(shù)據(jù)采集終端

采用研華PPC—3150工業(yè)一體機（15寸無風(fēng)扇工業(yè)平板電腦）和打卡器一起安裝在設(shè)備吊掛機構(gòu)上。安裝有自行開發(fā)的擰緊數(shù)據(jù)采集軟件，具有查看實時擰緊狀態(tài)、查詢、導(dǎo)出、打印歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)等功能。

3.4 PLC控制器

采用西門子S7-1200系列PLC產(chǎn)品，帶有Profinet總線通訊功能，是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI 和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。

3.5 PDA手持終端

安裝有定制操作軟件，在設(shè)備無線路由器覆蓋范圍內(nèi)，可將設(shè)備顯示實時映射至手持移動終端設(shè)備，具備控制、顯示、報警等功能。通過PDA手持終端與工業(yè)一體機配合，可實現(xiàn)多人同時操作，界面顯示及提醒互不干擾，便于查看擰緊數(shù)據(jù)和擰緊記錄追溯，保證裝配質(zhì)量。

3.6 員工卡管理模塊

用于識別員工身份信息，針對不同身份信息，有對應(yīng)的系統(tǒng)角色，如管理員、操作員等。系統(tǒng)采用專用定制射頻卡讀寫模塊，模塊是基于ISO/IEC14443-1～3和ISO15693國際標準協(xié)議開發(fā)的非接觸式智能卡讀寫模塊。采用高集成度讀卡專用芯片、先進的看門狗和電壓監(jiān)控電路方案設(shè)計而成，集成度高、抗干擾能力強、體積小、性能更穩(wěn)定。操作員工信息登錄后，會在數(shù)據(jù)采集終端界面上顯示，并將信息關(guān)聯(lián)到擰緊數(shù)據(jù)中。

3.7 掃碼設(shè)備

通過串口連接在數(shù)據(jù)采集終端上，在每次擰緊輪對前掃描輪對上的條形碼或二維碼。以此將擰緊數(shù)據(jù)和對應(yīng)的車身碼捆綁，便于后期查詢和追溯。

4 軟件設(shè)計

軟件主要分為服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)采集終端軟件和PLC程序。文中主要以四軸軸箱擰緊端為例，介紹自行研發(fā)的服務(wù)器軟件和數(shù)據(jù)采集終端軟件。

服務(wù)器軟件運行系統(tǒng)為Win Server 2008，程序APP為 IIS，數(shù)據(jù)庫程序為MSSQL server 2008，編程語言為.Net。

管理者客戶端采用B/S模式，可以做到Windows系統(tǒng)下IE瀏覽器下的無障礙訪問，還可兼容手機、平板等終端瀏覽器的訪問。登錄服務(wù)器軟件，在服務(wù)器軟件中可以進行生產(chǎn)任務(wù)管理、添加生產(chǎn)工單等操作。如圖5所示。

圖5 服務(wù)器軟件中添加工單等功能

在服務(wù)器軟件中完成添加生產(chǎn)工單操作后，生產(chǎn)任務(wù)會下發(fā)到操作端即數(shù)據(jù)采集終端軟件中。數(shù)據(jù)采集軟件采用C#語言編寫，通過讀取PowerMACS API中的數(shù)據(jù)，顯示在界面上。PowerMACS API是Atlas主控制器和用戶之間提供接口服務(wù)的軟件庫，提供了描述公共接口的標準方式。本軟件中設(shè)置API數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 API數(shù)據(jù)格式

操作端軟件通過刷卡或者手動輸入員工用戶名、密碼，選擇用戶類型登錄系統(tǒng)，卡片為員工卡，每張卡含有唯一員工信息。系統(tǒng)登錄界面如6所示。用戶及員工卡信息可通過采集終端軟件中的用戶管理模塊進行添加及配置。對不同的用戶角色將會開放不同的功能權(quán)限。如圖7所示。

圖7 用戶管理界面

軟件登錄后進入數(shù)據(jù)采集界面，數(shù)據(jù)采集終端主界面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集終端軟件主界面

數(shù)據(jù)采集終端軟件主界面中央為作業(yè)指導(dǎo)區(qū)。顯示將要擰緊的輪對圖例。下方的作業(yè)狀態(tài)中顯示通過掃碼錄入的軸號，如果軸號不正確，顯示請輸入正確軸號，當(dāng)軸號正確時，車號自動從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫下載并顯示在車號文本框，此時方可進行作業(yè)。在擰緊過程中，自動顯示設(shè)備所在端位以及擰緊結(jié)果狀態(tài)。當(dāng)掃碼槍出現(xiàn)故障時，也可手動輸入軸號。

在作業(yè)監(jiān)控區(qū)域中，將軸箱擰緊設(shè)備分為1～4根軸，每根軸劃分一個單獨的顯示區(qū)域，顯示擰緊扭矩、角度、合格狀態(tài)以及擰緊曲線。

點擊下方的生產(chǎn)日志按鈕，進入歷史數(shù)據(jù)查詢功能。可通過選擇時間段，或根據(jù)車號、軸號進行數(shù)據(jù)查詢。對于查詢到的歷史數(shù)據(jù)，提供導(dǎo)出和打印的功能。如圖9所示。

圖9 生產(chǎn)日志查詢

擰緊數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集終端上傳到服務(wù)器后，在服務(wù)器軟件中可對擰緊數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。支持年、月、周、日統(tǒng)計，根據(jù)不同的組合標簽生成統(tǒng)計查詢報表，支持餅狀圖、柱狀圖、折線圖等多種形式。還可對數(shù)據(jù)進行SPC統(tǒng)計分析。圖10為SPC分析中的均值-極差控制圖例。

圖10 SPC均值-極差控制圖

SPC分析對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控，科學(xué)地區(qū)分出生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量的隨機波動與異常波動，從而對生產(chǎn)過程的異常趨勢提出預(yù)警，以便生產(chǎn)管理人員及時采取措施，消除異常，恢復(fù)過程的穩(wěn)定。

5 結(jié)語

文中介紹了一種鐵路行業(yè)軸端軸箱擰緊信息化系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，設(shè)備整體使用安全、方便、快捷。系統(tǒng)將擰緊數(shù)據(jù)和操作者、車號、軸號等信息捆綁上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，使擰緊數(shù)據(jù)和生產(chǎn)流程做到可查詢、可追溯。通過報表，SPC統(tǒng)計分析等手段對擰緊數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，從而達到降低工人勞動強度，提高生產(chǎn)車間信息化、智能化程度，提高和控制質(zhì)量的目的。