高速動車組轉(zhuǎn)向架智能裝配系統(tǒng)研究

劉超文

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070）

我國的高鐵技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展后目前已居于世界領(lǐng)先水平。高鐵的快速發(fā)展進(jìn)一步推動了我國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，給國民出行帶來了極大便利，因此保障高鐵裝配市場穩(wěn)定至關(guān)重要。我國目前主要采取手工裝配轉(zhuǎn)向架模式，即在手工裝配的基礎(chǔ)上引入了部分自檢和互檢工序。但是，這種工藝模式需要投入大量資源，裝配效率較低，且在裝配中經(jīng)常會出現(xiàn)螺栓錯(cuò)擰、漏擰等導(dǎo)致故障發(fā)生的現(xiàn)象。高鐵動車組轉(zhuǎn)向架裝配過程中會受到員工心理、環(huán)境、員工疲勞程度等多種因素影響，其中人為因素是一個(gè)重要誘因，因此提出借助機(jī)械和智能化技術(shù)有效解決這一問題。

1 智能系統(tǒng)構(gòu)建

軌道交通的智能化裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以智能計(jì)算為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有工業(yè)邏輯實(shí)現(xiàn)。在軟件系統(tǒng)中融入成熟操作方式，實(shí)現(xiàn)高鐵裝配工序的智能化設(shè)計(jì)，將裝配施工中的人為影響因素控制在最低限度[1]，從而有效提升高鐵裝配效率和裝配精確率。本智能裝配系統(tǒng)以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)各類裝配異常的有效糾錯(cuò)，以視覺技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)裝配過程檢驗(yàn)，為檢驗(yàn)人員提供充足的數(shù)據(jù)支撐。

高鐵動車組轉(zhuǎn)向架智能化系統(tǒng)是以工業(yè)裝配先進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)架為基礎(chǔ)而構(gòu)建的，見圖1。為保障系統(tǒng)功能的正常實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)移動裝配車作為操作工位端。移動裝配車配置了數(shù)字化裝配工具，利用車間現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)裝配現(xiàn)場與遠(yuǎn)端服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以與廠房現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)布置完美兼容，對車間原本構(gòu)建和使用習(xí)慣不會造成任何影響，并利用信息化技術(shù)為裝配提供工業(yè)級互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)支撐。

2 智能裝配車

本系統(tǒng)以移動裝配車為載體，通過智能化系統(tǒng)和移動裝配車的融合來覆蓋裝配車移動半徑內(nèi)的所有工位。為保障移動裝配車在工位范圍內(nèi)能靈活移動且具有良好的耐用性，為其配置了無痕萬向輪。根據(jù)它的工具布局可以看出，在裝配車上設(shè)置了扭矩扳手，臺面上布置了掃描儀、套筒選擇器等，另外配置了伸縮式防護(hù)罩。該防護(hù)罩可以保障在非裝配時(shí)間段不出現(xiàn)工具損壞或者丟失等問題[2]。

3 智能裝配系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 裝配流程

開始進(jìn)行裝配時(shí)，作業(yè)人員刷工卡后可以啟動系統(tǒng)。在工位到位的情況下，手動輸入車架號后，系統(tǒng)可以根據(jù)條碼自動選擇裝配工藝。此時(shí)，操作工需要在系統(tǒng)中選擇該工藝是否已完成來決定是否執(zhí)行該工藝程序[3]。在未完成的情況下，系統(tǒng)會彈出對應(yīng)工藝執(zhí)行操作。如果操作工在作業(yè)中扭矩扳手或者其他工具選擇不正確，系統(tǒng)會自動發(fā)出報(bào)警。完成裝配工藝后，系統(tǒng)會自動鎖定工具，并上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器。下次操作時(shí)，只需要掃碼就可以激活下道工序[4]。

在智能化裝配工藝系統(tǒng)中配置了異常處理機(jī)制。剛登錄系統(tǒng)后，操作人員可以查看系統(tǒng)是否存在異常任務(wù)。如果存在這種情況，需要執(zhí)行相應(yīng)的異常任務(wù)處理操作[5]。

在裝配作業(yè)過程中會出現(xiàn)多種異常狀況。例如，操作人員在正常執(zhí)行裝配操作過程中出現(xiàn)零部件缺損、物料短缺問題的情況，可以及時(shí)向現(xiàn)場管理人員提出請求，以獲得異常提交授權(quán)。獲得授權(quán)后，可以在客戶端或者操作刷卡登錄，登錄后可以選擇相應(yīng)異常處理功能來解決出現(xiàn)的問題。例如，可以在登錄系統(tǒng)后完成異常下限或者是特殊放行等操作[6]。另外，在裝配過程中一旦出現(xiàn)異常任務(wù)，要及時(shí)詳細(xì)記錄異常提交的原因，避免在后續(xù)裝配生產(chǎn)過程中對工序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響，同時(shí)避免在生產(chǎn)中發(fā)生裝配停產(chǎn)事故。

3.2 上位機(jī)軟件功能實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，底層硬件能否實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行主要取決于工位裝配上位機(jī)，且通過工位裝配上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與各個(gè)設(shè)備接口的交互[7]。在執(zhí)行裝配作業(yè)過程中，各個(gè)工位將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器，在服務(wù)器中完成系統(tǒng)的查詢、統(tǒng)計(jì)分析等相關(guān)工作，同時(shí)可以在完成裝配作業(yè)后及時(shí)生成生產(chǎn)報(bào)告。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了實(shí)際生產(chǎn)狀況，當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時(shí)會及時(shí)向現(xiàn)場操作人員發(fā)出聲光報(bào)警，此時(shí)作業(yè)人員可以根據(jù)提示及時(shí)處理出現(xiàn)的異常。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的工位作業(yè)機(jī)具有人機(jī)交互界面，可以及時(shí)收集螺栓防錯(cuò)擰緊和各種裝配數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)為不同角色配備了相應(yīng)權(quán)限，不僅能夠充分保證生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)，也可以對整個(gè)裝配過程進(jìn)行質(zhì)量追溯。

本系統(tǒng)的工位作業(yè)機(jī)主要采取.NET平臺來完成軟件設(shè)計(jì)。圖2為軟件設(shè)計(jì)的基本框架。

在裝配作業(yè)過程中，工具的公布狀態(tài)、操作狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)以及設(shè)備狀態(tài)等各類信息都可以通過公位作業(yè)機(jī)獲取。獲取數(shù)據(jù)后最終在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲，同時(shí)可以通過系統(tǒng)自動建立歷史數(shù)據(jù)庫。在該系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)，即使在出現(xiàn)通信異常或者是設(shè)備信息發(fā)送異常等情況下，也可以在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后將設(shè)備脫產(chǎn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及時(shí)上傳數(shù)據(jù)庫[8]。

3.3 裝配服務(wù)端功能事件

在整個(gè)高鐵動車組管理及生產(chǎn)車間中間設(shè)置了服務(wù)器系統(tǒng)，可以在具體裝配車組中實(shí)現(xiàn)作業(yè)內(nèi)容的合理分配，實(shí)時(shí)監(jiān)測裝配操作和各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以實(shí)時(shí)接收下游反饋的裝配數(shù)據(jù)，可以利用自動質(zhì)檢數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)異常裝配信息的實(shí)時(shí)傳遞。高鐵動車組裝配領(lǐng)域利用智能化裝配服務(wù)端能夠整體提升裝配質(zhì)量。

本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要使用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）模式來完成服務(wù)器端軟件的開發(fā)，開發(fā)框架為.NET CORE。該服務(wù)器軟件中主要包括生產(chǎn)管理、入戶管理、數(shù)據(jù)管理以及工藝指導(dǎo)等模塊。利用信息化和智能化打造的裝配生產(chǎn)線，能夠?qū)⒏哞F動車組裝配過程中人為因素的影響控制在最低限度[9-10]。利用信息化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)裝配數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并通過服務(wù)器上傳到管理層服務(wù)器，使現(xiàn)場管理人員可以實(shí)時(shí)查看裝配生產(chǎn)狀況，同時(shí)借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化后續(xù)裝配過程，實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)的可追溯。服務(wù)器端軟件可以針對整個(gè)裝配作業(yè)過程中的物料、人員、設(shè)備等各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，同時(shí)通過數(shù)據(jù)分析模塊實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的可視化統(tǒng)計(jì)，并通過圖表形式展示，也可以針對各類數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)正態(tài)分布圖、合格率、散列圖的分析[11-12]。通過工藝指導(dǎo)模塊可以為操作人員提供操作流程指導(dǎo)，不僅能夠提升生產(chǎn)效率，也可以有效控制裝配作業(yè)過程中的異常狀況發(fā)生率，使得高鐵動車組轉(zhuǎn)向架裝配實(shí)現(xiàn)真正的智能化和信息化。

4 結(jié)語

智能化高鐵動車組轉(zhuǎn)向架裝配系統(tǒng)可以有效彌補(bǔ)我國當(dāng)前高鐵動車組裝配領(lǐng)域的技術(shù)空白。通過智能化裝配系統(tǒng)可以針對高鐵動車組轉(zhuǎn)向架裝配工序進(jìn)行合理規(guī)劃，同時(shí)利用移動智能化裝配車實(shí)現(xiàn)每個(gè)裝配步驟的嚴(yán)格管控，并利用遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存。在高鐵裝配領(lǐng)域中應(yīng)用智能化裝配系統(tǒng)可以有效提升高鐵動車組裝配質(zhì)量和我國高鐵動車制造的智能化水平。