CRH3高速動車組轉向架智能裝配系統研發

徐 駿 升，潘 禮 輝，徐 東

(山東中車同力達智能機械有限公司，山東 濟南 250022)

近些年高速動車組市場在中國發展迅速，高鐵技術的發展促進了中國經濟發展，同時也給國民出行帶來了方便，因此保障高鐵技術裝備市場發展成為重中之重。現有的高鐵裝配模式為手工裝配模式，在此基礎上添加自檢與互檢工序，事實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謹或者漏擰、錯擰螺栓引發的故障屢有發生。在裝配執行過程中影響因素包括人為心理狀態、環境因素及疲勞程度，其中人為因素是最重要因素。

本文研發的CRH3高速動車組智能裝配系統旨在建立一套具有精準測量、數據自動傳輸、工具智能管理、人為干擾因素低的智能裝配系統。系統利用工業大數據技術實現對高鐵裝配數據的集成分析，實現信息的及時、有效傳遞，方便管理人員做出相應決策[1]。工作站負責底層硬件及各外接設備接口，借助機器視覺等相應設備在各工作站采集實際檢測數據并上傳到系統中。系統可以進行查詢、統計和分析，并在作業完成后生成質檢報告。系統有較強的可擴展性，充分考慮應用實際，真正實現防漏擰、錯擰功能。該系統具有高度容錯性，能在異常情況下自我恢復正常工作。

1 智能裝配系統搭建

針對軌道交通行業的裝配，應以智能計算為基礎,通過現有工業邏輯設計智能裝配系統。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行智能規劃，盡量消除人為因素影響。為提升軌道交通行業裝配效率以及準確率，本系統采用數字化技術從多個方面來糾正異常情況的發生；基于視覺的裝配質量檢測方法可為檢查人員提供有效的信息提示，為結果的準確性提供更可靠的依據。

針對軌道車輛轉向架裝配特點，借鑒先進工業裝配領域系統架構[2]，研發了如圖1所示的裝配系統架構。為充分利用系統功能，將操作工位端設計成移動裝配車，方便車間進行可移動裝配。此裝配車上包含著一系列數字化裝配工具，裝配系統利用車間已布置好的無線網絡將數據發送到搭設在遠端的服務器。該系統優勢為：工廠內兼容無線與有線方案，不會改變生產架構與習慣，通過裝配過程的信息化，為軌道交通行業裝配工業互聯網提供技術支持。

圖1 系統功能框架圖

2 智能化裝配車

系統集成在裝配車上，能夠保證以移動式裝配車的方式特點實現半徑內工位的覆蓋。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耐用的前提下進行靈活裝配。每個智能化裝配車都配備顯示器、報警燈、扭矩扳手、伸縮式防護罩、扳手放置架、掃描儀、萬向輪、打印機、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罩，在非裝配時間段，裝配工人可將伸縮式防護罩落下，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軟件，進入系統后，如果工件到位，就手動輸入車架號，系統根據條碼導入車架對應的工藝[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，根據工藝信息彈出的相應工藝進行操作。操作工選擇正確的扭矩扳手進行操作，如果選擇工具和套筒不正確，系統會聲光報警提示，如此反復，裝配完成后工具自動鎖定，裝配數據上傳到服務器中，等待下次掃碼激活。

裝配流程如圖3所示。系統具備異常處理機制，操作工登錄系統后，首先查看系統中是否存在異常任務，如果存在，則選擇相應的異常任務進行處理。

圖3 裝配流程圖

針對裝配作業過程中出現的多種異常情況，操作工在進行正常的任務處理時，發現部件缺損以及物料短缺等一系列問題，可以請求現場管理人員進行異常提交授權，授權人員在臺位操作端或客戶端刷卡登錄，選擇相應的異常處理功能辦理異常。如例外轉序、異常下線以及特殊放行。同時一定要詳細記錄異常提交原因，以免出現問題后裝配生產線無法運轉，影響生產效率或者造成裝配停產事故。異常管控流程如圖4所示。

圖4 異常管控流程圖

3.2 裝配上位機軟件實現

工位裝配上位機負責底層硬件的正常運行，同時與各外接設備接口交互。各工位將實際裝配作業數據集中上傳到服務器中。服務器軟件進行查詢、統計和分析工作，并在作業完成后打印生產報告。該系統充分考慮了現場生產實際情況，能夠在發生異常的情況下，通過聲光警告給現場工作人員，提醒工作人員進行人為的生產糾正。

工位作業機主要特點如下：

(1) 顯示屏人機交互界面設計；

(2) 具有螺栓防錯擰緊和裝配數據收集分析功能；

(3) 工藝指定裝配；

(4) 交互式人機界面，按預先設置的工序裝配，保證生產質量；

(5) 模塊化裝配管理設計，工藝配置靈活高效；

(6) 各級角色權限管理，保證系統協調生產；

(7) 利用復雜、準確的數據分析模塊，用以保證裝配過程中的質量追溯。

工位作業機軟件采用.NET平臺設計，軟件系統構架如圖5所示。

圖5 工位作業機軟件架構圖

工位作業機獲取所屬的各個工具的工步狀態、運行狀態、操作狀態及設備狀態等信息，將數據存儲到工控機本機數據庫中，同時建立歷史數據庫。通過在工位作業機上部署數據采集服務程序，自動將實時數據推送到裝配控制系統服務器數據庫中。采用無線網絡斷點續傳技術，可在網絡通信異常、設備發送異常等特殊情況下，將產生的脫機數據在網絡恢復正常后上傳到數據庫系統中。

3.3 裝配服務端的實現

服務器系統位于管理層與車間生產層中間，將作業內容分配至具體裝配車,系統可以實時有效地監測裝配設備操作過程及生產數據, 同時能夠將實際裝配數據及時反饋到上游信息管理系統，并提供質檢信息傳遞裝配異常信息，智能裝配服務端的實現更好地提升了軌道裝配領域的裝配過程。

服務器端軟件采用B/S模式開發搭建，采用.NET CORE軟件開發框架搭載，服務器軟件包含生產管理模塊及設備管理模塊、用戶管理模塊、數據管理模塊、數據統計分析模塊及工藝指導模塊等。整個裝配生產線以信息化、智能化為前提,降低了人為因素的影響[4]，將裝配數據實時采集傳輸到服務器并上傳到管理層服務器,可方便管理人員實時查看現場生產情況,進行大數據分析，以及后續裝配過程的優化,為產品的升級提供了裝配記錄，使其可追溯。服務器端軟件能夠準確記錄裝配過程中的物料信息、部件信息、人員信息以及設備信息, 數據統計分析模塊可對人員、設備裝配數據進行統計及圖表可視化展示，并對裝配數據進行正態分布圖、SPC分析、散列圖、合格率分析，通過選擇個人、班組、車間或產品等進行分析，設置多級角色操作權限。工藝指導模塊指導設備按照流程動作,提高了生產效率,降低了生產異常發生的概率,大大提升了裝配領域的信息化水平。

服務器端軟件的運行界面如圖6所示。

圖6 服務器端軟件界面

4 結論

動車組轉向架智能化裝配成功填補了我國高鐵裝配領域技術發展空白。CRH3高速動車組轉向架智能裝配系統通過合理規劃裝配工序，在每個裝配工位搭建裝配車，對每一生產步驟進行嚴格管控，并搭建遠程高性能服務器設備，保證裝配數據實時保存。該系統通過與國內主要高速動車制造企業合作應用，大幅度提升了高鐵動車裝配質量和工業化、智能化制造水平。