工位級螺紋智能裝配系統的研究

徐駿升，關 欣，張新震

（山東中車同力達智能機械有限公司，濟南 250022）

0 引言

螺紋聯接裝配的精度、可靠性和質量與車輛的安全性息息相關，將直接影響到車輛高速行駛的可靠性，甚至會影響乘客的生命安全。螺紋聯接的擰緊工藝是總裝生產線里最常見，工位分布最廣的一個工藝，擰緊結果將直接影響車輛的質量。目前，MES等管理系統正在不斷的發展并應用在實際的制造生產過程中，特別是汽車制造行業，然而工位級的管理系統目前的應用是很少見的，高鐵制造行業更是幾乎沒有。由于裝配的數據沒有與人員信息、物料信息等相互關聯，出現問題后不能有效追溯質量記錄及分析原因，現有技術仍采用人工操作的方式，無法實現物理防錯和糾錯等功能，以及裝配數據的分析，這對整車裝配質量來說是存在隱患的。

我國智能制造的發展對螺紋裝配數據的采集管理提出了更高的要求，目前，車輛制造商普遍對擰緊設備具有數據采集的應用需求，本文提出了針對于工位級螺紋裝配數據管理系統研發，重點打造的集合數據采集、數據處理、SPC分析、無線通信技術于一體基于工業4.0標準的MES標準化產品。

目前，在工業擰緊數據的采集與分析領域，主要以Atlas旗下的Synatec為代表，Synatec提供用于改善制造型企業的車間運營靈活性和生產質量的產品和解決方案、操作指導以及數據收集與分析[1]，該系統與Atlas系列產品結合，使用成本非常高，在國內只有北京現代進行了試點應用。國內目前尚無專業從事擰緊裝配數據的相關產品開發的企業，隨著國家智能制造戰略的提出，近兩年逐漸有企業進入該領域，但尚未發現市場應用。

本文結合互聯網及軟件開發技術，開發支持Open protocol開放協議，開發以太網下軟件接口；通過多線程、數據庫等技術的應用，解決多點同步數據采集與訪問問題；通過SPC分析，設計強大的標準化分析系統；通過無線通訊技術的應用，解決無線數據傳輸的穩定性問題。

1 設計任務及目標

1.1 功能特性

本系統是針總裝生產線作業過程中的螺紋擰緊而設計開發的裝配安全控制系統，用于實現組裝工藝流程的管理，裝配數據、扭力值、零部件信息、人員信息的自動采集、裝配質量的記錄和可追溯，實現作業標準化、工藝目視化，實現物理防錯和糾錯等功能，以及裝配數據的分析。

1.2 關鍵技術點

1）模塊化結構設計，實現系統靈活軟硬件配置 功能；

2）實現模塊化系統，集數據采集、統計分析、無線傳輸、數據追溯、操作終端、作業指導、預警顯示等功能為一體；

3）實現多種接口，可以無縫連接控制外接設備，包括高精度擰緊槍、二維碼識別、打卡器、報警燈等；

4）實現網絡化作業指導；

5）集成uwb技術實現工具定位；

6）與上游信息系統PDM、MES等通訊進行數據交互，系統兼容多種接口。

2 總體設計方案

工位級螺紋裝配數據管理系統是基于工業4.0概念，系統功能框架借鑒工業互聯網體系架構[2]，結合成熟軟件開發技術而設計的集數據采集、系統分析、無線傳輸、數據追溯、MES終端、作業指導、預警顯示等功能為一體的數據采集智能管理平臺。

系統兼顧各種工作條件，具備實時采集生產現場數據、本地自動存儲、數據無線傳輸、數據統計分析、即時顯示、不合格確認處理、系統報警等功能的網絡智能數據管理設備。設計專用的數據采集終端，集成工控機、掃描槍、報警燈等功能，以標準吊掛安裝方式，形成標準的工位設備。

設計可滿足裝配線現場應用的無線系統方案，遠端設計服務器，以Visual Studio軟件框架為基礎，開發系列軟件。系統針對人工智能裝配站設計開發，通過工藝指導，數據錄入等人機交互方式實現對裝配過程的管理指導。

2.1 機械結構詳細方案

工作站整體布局如圖1所示，標準化支架采用鋁型材加工制作，將擰緊工具、掃描槍、觸摸屏、報警燈等部件集成為一體，懸掛安裝于現場鋼結構上；結構緊湊，方便使用。

2.2 電氣控制系統詳細方案

電氣控制系統框架如圖2所示。

圖2 系統架構圖

圖2 系統架構圖

系統以無線或有線以太網方式組成車間級的局域網絡，通過服務器集中進行管理。在各操作端設計標準的工作站，工作站以型材作為安裝框架，將工控機、掃描槍、工具等集成到工作站中。

系統設計形成標準化的裝配工作站，該工作站包含標準化支架、工控機、掃描槍、報警燈、打卡器，采用人臉和IC卡識別技術，具備身份識別功能，報警燈為操作者在裝配過程中提供視覺和聽覺反饋，避免漏打、錯打和重打的發生，具備wifi功能可以實現工具數據實時采集，并設計具有MES接口可實現與MES等上游信息系統無縫對接。

2.3 軟件系統詳細方案

軟件分為工位端軟件與服務器端軟件兩部分：工位端主要實現操作指導、人機交互、硬件控制等功能；服務器端實現數據存儲、分析、工藝管理等功能。軟件具有功能模塊如下：

2.3.1 用戶管理控制

系統對用戶實行多級權限管理，按功能劃分為：系統管理員-用戶管理及權限劃分；系統工藝員-工藝修改及錯誤確認；系統操作員-組裝操作。系統同時支持兩個操作員并行操作，操作員使用系統過程如圖3所示。

圖3 安裝作業指導

2.3.2 作業流程管理

作業任務通過服務器或mes下發進行排產，通過條碼槍描零部件二維碼，系統操作程序自動比對，系統檢測通過后可繼續操作，否則不能繼續進行，并報警提示，比對成功后進入可視化作業指導界面，實時采集作業結果與uwb基站返回的定位數據，位置與擰緊結果合格后當前位置標記綠色已完成，指針指向下一作業部位。

表1 軟件功能模塊

作業流程可分為多級架構，系統可由具有權限的工藝人員進行配置，配置多個項目，項目下配置多個工序，每個工序可配置多個工步，具體工步如螺栓擰緊按照工藝要求編輯每個擰緊螺栓步驟的扭矩等信息及位置信息。

圖4 系統操作流程圖

圖5 工藝編輯流程

系統對操作員組裝過程提示通過液晶屏完成。具體功能如下：提示所需工具類型及編號；顯示當前組裝工位信息，組裝已完成部分與未完成部分通過狀態進行區分；顯示當前狀態：扭矩、操作者、物料號等信息；提示當前作業任務，按設定順序進行提示；支持多用戶同時操作。

系統具有分步擰緊功能，可根據具體作業需求，實現某設備的緊固螺栓進行分步擰緊。

2.3.3 工具工藝管理

工藝人員可以對系統使用的工具進行管理，對工藝進行編輯界面，采用人機交互式提示界面，操作簡易方便，此功能可設置具體部件的實際裝配工藝，設定每一個步驟的扭矩范圍、螺栓規格、螺栓總數、工具、套筒等信息。

2.3.4 異常流程管理

當遇到特殊情況時，系統具有多種異常處理方式，可辦理特殊放行、異常下線、例外轉序、返工返修、加改工步等，如圖6所示。

圖6 異常處理流程

2.3.5 數據采集追溯

系統將生產數據實時寫入到數據庫中，并提供按時間（年、月、周、日）、工作站、工具、操作者、合格狀態、工件等條件的組合查詢功能，查詢到的結果可導出為PDF格式和直接打印，對于未完工的產品不允許生成與打印報告，報告中包含二維碼。系統通過調用比對扳手數據緩存，保證數據可靠性。對數據庫加密，任何用戶無法進行數據刪除操作。

2.3.6 服務器平臺

系統通過服務器可實現工位級系統的數據及設備統一管理，服務器選擇企業級系統架構JAVAEE，通過Tomcat發布，采用高效的SSM框架，由MAVEN管理項目所需的jar包。瀏覽器客戶端采用Bootstrap框架開發[4]。系統數據庫選擇SQLSERVER2015，結合SQL語言，軟件設計B/S結構通過ie瀏覽器和其他主流游覽器，實現對車間設備的運行狀態進行監測，并對擰緊數據進行SPC統計分析。

圖7 曲線分析

3 結語

系統設計完成后形成模塊化軟件系統，主要針對當前在汽車、鐵路行業，對新上線設備對數據的采集管理功能需求而開發設計，形成標準化數據管理系統，實現組裝工藝流程的管理，裝配數據、扭力值、零部件信息、人員信息的自動采集、裝配質量的記錄和可追溯，實現作業標準化、工藝目視化，實現物理防錯和糾錯等功能，以及裝配數據的分析，形成集數據采集、統計分析、數據追溯、操作終端、作業指導、預警顯示等功能為一體的智能管理平臺。

圖8 實際效果圖