軌道交通車輛構架焊接數字化產線建設關鍵場景研究

摘要： 為提高軌道交通車輛轉向架構架焊接制造的智能化、數字化水平，并穩定產品質量、提高生產效率、改善作業環境、降低人員配備、降低生產成本，文中基于構架焊接工藝流程，以焊接產線的生產要素為導向，以工藝仿真、數字孿生為工具，以智能化、數字化運維為方向，重新構建了產線總體建設方案。通過對產線方案的分析和闡述，并重點對產線建設過程中的關鍵場景進行研究，使智能化設備安裝使用、數字化過程數據監控分析得到應用，為軌道交通車輛制造企業積累智能化、數字化產線建設實踐經驗。

關鍵詞： 軌道交通車輛； 轉向架構架； 焊接產線； 智能化； 數字化

中圖分類號： TG 47

Research on key scene of digital production line for welding of bogie frame of rolling stock vehicle

Zhu Zhimin1，Chen Xiangduo2， Zhou Chenghou3， Lijiangtao3

（1. CRRC Nanjing Puzhen Co.， Ltd.， Nanjing， 210031， Jiangsu China; 2. Beijing Kailan Aviation Technology Co.， Ltd.， Beijing， 101312，China; 3. JIANGSU CRRC Digital Technology Co.， Ltd.， Nanjing， 210031， Jiangsu China）

Abstract： In order to improve the intelligence and digitalization level of manufacturing of rolling stock vehicle bogie frames， stabilize the quality， improve the efficiency， improve working environment， reduce personnel allocation， and reduce the costs， this article is based on the framework welding process flow， guided by the production factors of the welding production line， using process simulation and digital twinning as tools， and oriented towards intelligent and digital operation and maintenance， to reconstruct the overall construction plan of the production line. By analyzing and elaborating on the production line plan， and focusing on the key scenarios in the construction process of the production line， the application of intelligent equipment installation and digital process data monitoring and analysis can be achieved， accumulating practical experience in intelligent and digital production line construction for rail transit vehicle manufacturing enterprises.

Key words：" rolling stock vehicle; bogie frame; welding manufacturing line; intelligence; digitization

0 前言實現軌道交通高質量發展是落實交通強國戰略的重要組成部分。軌道交通車輛制造中，轉向架構架是高速列車運行安全的重要部件之一，其焊接是軌道交通車輛制造過程中的關鍵工藝。由于構架產品結構復雜，其生產工作如拼裝、焊接和檢測等工作大部分由作業人員手工完成，自動化程度較低，焊接質量穩定性波動較大，且生產節拍較長、效率較低［1］。為解決上述問題，降低產品質量和生產節拍對作業者技能水平的關聯程度，并減輕作業者勞動強度，加強生產過程數據管理，中車南京浦鎮車輛有限公司（以下簡稱“浦鎮公司”）聯合江蘇中車數字科技有限公司（以下簡稱“中車數字”）、北京凱蘭航空技術有限公司等單位開展了基于數字化、智能化的構架焊接產線建設。

1 生產現狀分析

構架由側梁和橫梁組成，側梁和橫梁又分為左側梁、右側梁、動車橫梁和拖車橫梁，產品結構的復雜性決定其生產過程的難度，特別是在拼裝、焊接（內腔焊接、外體焊接和小附件焊接）、檢測和打磨等工序的作業。

拼裝環節面對的問題是拼裝物料由配送人員成堆叉至拼裝工位，未按節拍物料需求進行精準配送。作業人員人工搬運至拼裝工裝上裝夾并進行點焊，勞動強度大且影響拼裝間隙穩定性。生產采用紙質手寫記錄作業過程，影響工作效率的同時不利于質量快速追溯。

焊接環節面對的問題是作業人員對構架拼裝焊縫進行人工滿焊，其自動化程度低、現場作業環境差、焊接質量不穩定，同時焊接電流電壓等關鍵制造數據無法實時采集，很難對現場作業過程進行遠程監控。

檢測環節面對的問題是構架焊接完成后由人工劃線方式對其進行外形尺寸檢測，其檢測步驟繁瑣又耗時耗力，影響構架生產節拍時間。

打磨環節面對的問題是人工手持砂輪機對關鍵焊縫進行打磨以減少應力集中，但人工作業方式效率低且打磨效果不理想，同時作業危險性較高，影響現場作業人員健康安全。

2 總體建設方案

2.1 焊接產線建設目標

滿足構架焊接質量穩定性，節約人工成本、提高生產效率，焊接生產執行系統（以下簡稱“焊接MES”）可滿足生產前智能排產、生產中智能管控和六要素質量數據追溯，實現構架數字化智能化生產制造目標。

智能排產：依據年度整車訂單，將年度訂單排產計劃分解為月度生產計劃，基于月度計劃繼續分解為四日生產計劃。可輕松應對多變的生產需求，產線滿足多平臺多類型構架生產需求，實現柔性化生產［2］。

智能管控和六要素質量數據追溯：依據排產計劃和工藝文件自動選擇設備程序并驅動設備運行。對生產過程進行管理，實時記錄和監控圍繞產品生產六要素（人、機、料、法、環、測）信息，實現生產過程可視化監控，同時為質量精準追溯提供數據支撐。

數字孿生：通過和設備間多種接口協議集成，基于實體與虛擬模型間的雙向映射，達到對生產任務、現場環境、設備運行軌跡、設備狀態等進行監控監測［3］。通過預設規則，對設備保養檢修、易耗品消耗量進行預判警示。基于設備數字化模型，實現焊接路徑模擬仿真并下達仿真程序至設備以供生產調用。

2.2 焊接產線建設預期效果

新建的焊接產線將設置1個主控室，1個自動裝配臺位，8個自動焊接臺位，1個自動打磨臺位，4個人工裝配臺位，10個人工焊接臺位，2個人工打磨臺位，2個探傷臺位，2個調修臺位和1個智能化檢測臺位。

產線建成后，產線的自動化拼裝效率將從30%提升到55%以上，操作人員將從80人減少到40人以下，作業節拍將從2小時降低到1.5小時，焊接缺陷返工率將從人工操作的3%降低到1%以下，每年可預計減少質量損失1 000萬元。

2.3 構架焊接工藝流程分析

構架焊接產線工藝流程，如圖1所示。構架側梁和橫梁內腔物料較多，人工點拼工作量大、效率低，將進行自動化拼裝點固。由搬運機器人把物料從托盤中搬運至夾具工裝上夾緊，焊接機器人進行組焊點固，再通過產線中立庫上料至自動焊接站進行內腔滿焊。

外體自動焊接和小件自動焊接都由人工組焊點固后，自動焊接機器人進行滿焊并在立庫中完成冷卻。通過現場焊接MES可精準控制焊接工藝參數，不同焊縫可執行不同焊接工藝。同時可以實時監測設備狀態異常、生產任務異常和物流異常等信息。

自動探傷和外形尺寸三維檢測，縮短生產節拍時間，提升執行效率，同時也減少作業人員數量和工作量。自動化設備與MES的互聯互通使得探傷檢測結果可及時通過MES推送至質量系統（以下簡稱“QMIS”），以供質檢人員復核檢驗。

2.4 產線布局功能分析

根據車間產線功能布局如圖2所示，主要區域包括物料緩存區、自動拼裝區、內腔自動焊接區、組裝焊修區、外體自動焊接區、小件自動焊接區、半成品存放區、自動探傷區、三維檢測區、自動打磨區和構架自動焊接區。

產線功能布局具有如下特點。

（1）整條產線總體按照工藝流程布置功能區，避免不必要工件來回搬運，減少工件搬運耗時；

（2）產線內設置物料緩存區，有效避免因產線外物料配送不及時影響正常生產情況；

（3）產線需要物料工位實行按需配料。當工位物料缺少時，觸發叫料任務，AGV根據叫料信息從物料緩存區自動拉取物料至叫料工位，同時通知物流人員從庫房拉取物料補充至緩存區；

（4）8臺自動焊接站實行A/B面雙工位原則，一面工位在焊接工件的同時，另一面工位可同時上料，減少焊接上料等待時間；

（5）側、橫梁自動焊接站預設優先任務類型，在滿足優先任務類型執行完成后，可執行次優先任務，以達到設備利用率的最大化；

（6）產線內設置半成品存放立庫，在滿足自動焊接機器人上下料的同時，可以存儲多余的半成品，并結合MES精準控制工件焊接后冷卻時間；

（7）三維尺寸檢測通過掃描工件進行點云成像，對比標準的工件外形判斷工件尺寸是否合格，檢測速度快精確度高。

2.5 產線系統建設

在智能化焊接產線建設過程中，軟件系統是是支撐產線數字化、智能化的重要基礎。如圖3所示，產線系統總體架構大概分為四層，即焊接MES、基礎服務、數據存儲和產線中硬件設備。借助基礎服務和數據存儲強大后臺支撐，作業管理人員通過焊接MES操控硬件設備，其具有如下特點。

1.計劃排產功能模塊滿足產線多品種小批量柔性化排產需求，計劃下發的同時對應的結構化工藝文件一同下發至作業工位，自動生成人工作業任務和自動化設備作業任務；

2.實時對硬件設備進行數據采集和生產過程監控，并把監控結果反饋至中控大屏，提醒監控人員及時介入處理；同時以設備運動軌跡數據驅動數字孿生模型同步運行，更直觀監控產線設備運行情況；

3.MES系統采用微服務分布式系統架構，去中心化部署模式和雙機熱備模式有效避免因某個分布式系統宕機影響產線作業生產［4］；

4.針對各類數據庫擅長區域，采用多種類型數據庫進行數據服務，充分發揮其在數據采集、數據存儲、數據分析和數據利用的優勢；

5.因產線自動化硬件設備較多，接口集成難度大的特點，深入分析每種設備每個硬件系統最優集成接口模式，例如對于自動焊接工作站采用MQTT和PLC S7接口進行集成，MQTT接口負責焊接機器人工作時焊機工藝參數和運行軌跡的傳輸，PLC S7接口傳輸變位機AB面任務信息和設備狀態信息；

6.針對某些設備之間的交互需要及時準確無延遲通信的特點，例如立庫堆垛機對焊接工作站進行自動上下料，對這類設備通過車間有線網絡直接采集Socket進行通信，焊接MES不在進行轉接而是監控設備間交互過程。

3 關鍵場景建設研究

3.1 物料自動拼裝站

自動拼裝站是構架焊接首道工序，涉及多個生產業務場景，對所涉及到的料箱、工裝夾具和搬運組裝精度等要求高，是智能化焊接產線建設過程中的重點和難點。浦鎮公司和中車數字進行了自主研發，自上而下分解問題并予以解決。

（1）自動叫料、配送：如圖4所示自動拼裝站實現完全無人化。其工位叫料和物料配送都是自動執行，

經最優驗證采取拼裝站判斷缺料并自動叫料，AGV小車接到缺料信息后，自動生成回收空托盤任務和配送物料任務進行執行，物流人員接收產線配送物料通知并分揀齊套和配送物料，MES記錄和監控各個設備運行狀態和任務執行狀態。（2）物料位置校準：物料由AGV搬運至物料緩存區和配送至自動拼裝工位。針對在此過程中物料發生輕微位移影響到拼裝間隙的情況，采用特殊定制料箱，

規定每塊物料擺放位置和擺放姿態，對關鍵物料在搬運機器人自動抓取時進行二次定位，借助夾具工裝上多組三坐標方向推進氣缸進行夾緊，使拼裝間隙滿足工藝要求。

（3）關鍵焊縫監控：通過配備高清拍照相機，對關鍵焊縫的焊前間隙和焊縫外觀進行自動監控，借助焊接MES系統，把帶有尺寸數據的高清焊縫圖片傳至中控室，由監控人員進行二次判斷焊縫外觀是否合格、拼裝任務是否繼續執行。

3.2 數字孿生

數字孿生也稱數字化雙胞胎，是通過物理世界與虛擬世界間的雙向真實映射與實時交互，實現物理世界和虛擬世界間全生產要素、全流程和業務數據的集成和融合［5］。圖5所示是焊接產線設備數字化模型。

3.2.1 虛擬模型搭建

通過建模軟件對地基、設備和工裝等物理要素進行等比例數字化建模，為后續數字孿生提供虛擬載體。模型包括：AGV小車、料箱工裝、隨焊工裝、自動拼裝站、自動焊接站、立庫、探傷房、三維檢測房、打磨房、構架焊接站和變位機等。產線數字化模型精度影響后續真實設備與虛擬設備間運動軌跡實時映射。在搭建模型過程中，大量設備靜態調試和動態調試工作必不可少，產線設備安裝尺寸、設備間運動距離都要精確反饋至模型中。3.2.2 生產數據監控

3.2.2.1 設備狀態監控

通過網絡的互聯互通，焊接MES系統對產線各類設備進行狀態信息采集，自動判斷開工前設備狀態是否滿足開工條件，采集狀態信息包括：待機、離線、故障、運行以及故障時長和運行時長等。當設備故障時進行實時報警顯示，如圖5中第7臺側橫梁自動焊接站通過醒目顏色和提示聲音突出顯示設備故障。

3.2.2.2 生產任務監控

焊接MES通過集成接口在設備中采集生產任務狀態信息，實時監控任務執行情況，主要包括開始執行、執行中、執行完成，以及拼裝任務特有等待確認打底焊縫拍照狀態，立庫上下料任務中特有開始運輸、運輸中、上料完成、入＼＼出庫中、入＼＼出庫完成狀態等。在中控大屏中跟進任務狀態實時展示任務完成進度，通過數據計算和分析，統計出當日計劃完成率、生產任務異常信息、設備利用率、設備運行占比、設備能耗消耗等，為后續進一步管理決策提供數據支撐。

3.2.2.3 工藝參數監控

數字孿生系統對主要焊接工藝參數和焊接環境進行數據采集和預警，如圖6所示。依據MES系統中每道工序焊接參數的策劃值作為告警閾值，通過MQTT協議采集自動焊接機器人在焊接過程中實時焊接參數（如焊接電流、焊接電壓和保護氣體流量等），通過算法把焊接開始起弧階段和焊接結束收弧階段不穩定的焊接參數過濾掉，在數字化模型中實時展示焊接參數波形圖和工藝策劃的上下限值，二者動態比對進行監控，對超出閾值的焊接參數通過醒目文字和聲音進行告警。

3.2.2.4 運行軌跡采集

通過多種接口協議采集設備運動軌跡數據，并驅動自動化設備數字孿生體按照真實軌跡進行運動。如AGV小車配送物料和搬運空料箱、立庫堆垛機從立庫中搬運半成品和對自動焊接站進行上下料以及自動焊接機器人焊槍焊接時空間運動軌跡等。這些真實設備數據映射至虛擬設備模型中，使得數字模型與真實設備運動軌跡同步，為生產管理者提供遠程快速查看產線和設備運行情況，提升生產過程透明度［6］。

3.2.3 焊接生產仿真

焊接生產仿真是數字孿生更進一步應用，是數字化焊接產線建設不可或缺的組成部分。通過在三維數字模型中對每道焊縫的焊接路徑進行規劃，設置每道焊縫焊接參數，對焊接過程進行模擬仿真，確定無干涉焊接路徑和最優焊接參數，并遠程下達至自動焊接機器人中進行試用。焊接生產仿真避免了在真實設備中調試影響設備使用率，有效提高編制焊接程序效率、減少調試成本。

4 結論

（1）基于數字化智能化理念打造“數字賦能高、生產能力優”構架自動焊接產線，對生產全過程數據要素進行賦能，按需柔性化生產、實時監控生產任務和設備狀態、記錄生產過程六要素信息，通過數據分析預判設備保養維護。自動化設備的利用大幅提高了產品質量穩定性，信息的互聯互通提高產線生產能力，助力浦鎮公司數字化轉型。經產線運行近一年后測算，產線生產人員配置由80人減少到35人，減少超過50%，拼裝自動化率達到60%，焊接自動化率提高至90%，構架生產節拍時長由2小時縮短到1.5小時，縮短超過25%，焊接缺陷返工率從人工操作的3%降低到0.8%。

（2）在產線數字孿生應用過程中，做到了設備同步、數據同步、生產過程同步、設備反控和生產模擬仿真，同時也針對數據要素進行基于明確規則的計算分析和預判，后續將進一步通過大數據分析、AI技術對不明確規則進行分析計算研究［7］，預判影響產品質量和生產效率等要素，如分析多維度數據（環境、設備零部件狀態、焊接參數、送絲穩定性等等）后預測焊接路徑出現偏差的可能性、預測焊接飛濺和焊接變形變大情況的發生，類似通過這種不確定性生產有關的數據要素來感知預測確定性事件發生，為構架焊接生產提供輔助決策。

參考文獻

［1］ 李德堃，崔旭，于建國. 城鐵車輛轉向架構架數字化焊接產線建設［J］. 今日制造與升級，2023（2）：95-97.

［2］ 朱志民，張鵬，李立，等. 基于5G技術的轉向架組裝數字化產線建設方案研究［J］. 大連交通大學學報，2021，42（1）：116-120.

［3］ 徐磊，高廣軍，董威，等. 列車轉向架數字孿生建模仿真關鍵技術研究［J］. 鐵道科學與工程學報，2023，20（5）：1846-1857.

［4］ 歐陽森山，雷浩，陳琛，等. 基于微服務的MES–MSA架構研究［J］. 航空制造技術，2021，64（20）：47-55.

［5］ 朱志民，陶振偉，魯繼楠. 軌道交通轉向架數字孿生車間研究［J］. 機械制造，2018，56（11）：13-16.

［6］ 蔡新奇，王學武，范曄平，等. 焊接機器人數據采集與管控系統［J］. 焊接，2022（3）：1-7.

［7］ 劉亮，姚春琦，李曉梅. 面向智能制造全價值鏈的精益數字孿生體［J］. 機械設計，2022，39（1）：65-69.

收稿日期： 2024-03-15

朱志民簡介： 1980年出生，教授級高級工程師，主要從事軌道交通車輛制造及管理相關工作，發表論文10余篇. Email：zhimin_zhu@vip.163.com