转向架数字化焊接生产线

宋学毅，姜 斌，李 蕊，臧宗波，魏 灿

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035）

0 前言

近年来，信息技术与制造领域发生了重大变革，大数据、云计算、3D打印、工业机器人等普遍推广和应用，智能制造作为信息化与工业化深度融合的产物受到了各国政府的广泛关注和普遍重视，如：美国先进制造业国家战略、法国“新工业法国计划”、德国“工业 4.0”[1]、中国制造 2025[2-3]等。

我国轨道交通装备制造业历经多年发展，形成了集设计、制造和服务于一体的装备制造体系，动车组和地铁车辆都取得了举世瞩目的成就。在中国制造2025的大环境下，数字化、网络化、智能化日益成为未来轨道装备制造业发展的主要趋势，由单一机器人、新技术焊接变为数字化生产线，集组装、焊接、检测、在线监控、排产于一身的智能化数字化构架焊接生产线将成为主要的制造模式。

1 总体技术方案

1.1 设计方案

高速动车组转向架是影响车辆动力学性能的关键部件，焊接质量关系到整车安全性，其部件种类多、数量大，且多型号多订单混线生产，为典型的复杂装备离散制造模式。

建立数字化制造过程模型，应用数字模型、虚拟仿真技术，实现产品设计、工艺规划、生产制造过程的数据的一体化，同时建立制造过程管理系统与自动化设备联网系统，创建数字化制造环境。采用MES信息系统，在制造过程中实现数字化、可视化管理，使制造过程中的数据业务顺畅流转，实现生产线自动化、智能化改造，对制造生产信息管理系统集成，对制造过程准确感知、及时反应、快速处理。基于以上数字化制造平台，使焊接构架数据结构化、生产过程数字化、生产控制实时化，实现生产线的数字智能在线可控。数字化生产线总体设计方案如图1所示。

数字化制造过程管理系统将以转向架应用制造运营管理系统（以下称MOM系统）为基础，扩展强化系统功能，并基于MOM系统开发实施生产线制造执行系统（焊接生产线执行系统），在关键的局部环节实现加工设备与制造管理系统的紧密集成，使制造数据得以上下贯通。

图1 数字化生产线总体设计方案

1.2 焊接生产MES系统

针对转向架构架焊接生产线特点，在制造运营管理系统（MOM）的基础之上，开发实施相应的焊接生产线MES如图2所示。通过对焊机和机器人焊机的改造组网，开发实施焊接生产线MES系统，构建焊机与管理系统、焊机与焊机、焊机与人之间的信息通讯环境。实现系统下发到车间的数据（人、机、料、法、环）能够准确高效地传递给车间、焊机及人员，同时实现对焊接执行过程中焊机实时运行数据、质量数据的有效监视、控制、记录和追溯。

图2 焊接生产线MES系统架构

1.3 焊接过程管理系统

对于数字焊机，其主控板上有I/O通讯接口，可使用数据采集板卡通过通信接口进行通信。对于非数字焊机，加装霍尔传感器进行数据采集，使用编码器及采集板卡将所采集的数据进行数模转换后，再通过标准以太网进行通讯。对全部焊接设备加装送丝速度和气体流量传感器，传感器数据通过采集板卡接入系统；采集板卡与服务器使用无线的方式进行数据传输；在采集板卡端增加无线AP和厂房中的无线AP节点进行通信，厂房中的无线AP网络连接到数据控制总线服务器，焊接联网拓扑如图3所示。

基于过程管理和人机交互操作的需要，针对每一个焊机工位加装触控操作屏、条码枪、红外手持测温仪等装置。在智能制造中，人机交互方式的改变，可视化技术的提升，将为工控机核心技术带来巨大的推力[4]。生产系统通过无线网络传输，利用射频识别，控制模式和工人工作方式有很大的变化，宽带和近距离通信网络性能的增加，平板电脑、手机和可穿戴设备等网络移动控制方式极大的普及[5]。另外，触摸屏和多点触控的图形化也将使人机界面逐步取代开关按钮等。尤其是人们已经习惯智能电子消费产品的操作方式，能够快速地做出反应，切换屏幕，上传或下载数据，大大丰富了人机交互的内容，也明显降低误操作率[6]。

图3 焊接联网拓扑

1.4 生产执行控制系统

控制系统通过中控系统与AGV小车、机械手、检测设备及传感器连接，接收、监测、反馈生产线的物流、信息流及焊接生产流数据，获取物料的配送工单、路径等信息，驱动AGV小车完成物料配送，并可将生产线物流的配送情况、配送过程中的异常状态等信息反馈给上游MES信息系统。

控制系统能及时采集机器人作业的实际参数并上传给上游MES信息系统，所有设备的生产日志数据自动存储并自动传送到上游MES系统服务器中，全生命周期保存生产过程信息。

在焊接生产过程中，控制系统引进智能检查设备，增加焊缝视觉检测系统，3D扫描焊缝，与系统中加载的三维模型数据对比分析，确定焊缝尺寸和外观是否符合标准要求。

2 结论

（1）生产线MES系统、管理及控制系统的应用使转向架组焊生产制造过程实现了透明化数字化及智能化。转向架焊接制造数据平台将随着生产的推进源源不断的为产品开发、工艺优化、质量管理、问题分析等方面提供实时、客观的数据。

（2）数字化制造是连接设计和制造之间的桥梁，是实现“智能制造”的重要基础。智能工厂是在数字化工厂基础上的升级版，智能生产是以智能工厂为核心，将人、机、法、料、环连接起来的多维度融合的过程，它把制造自动化扩展到柔性化、智能化和高度集成化，实现了成本、质量可追溯管理。

（3）将全部焊接的生产信息数字化存储及分析，进而建立数字化转向架焊接生产线，建立全生产环节的数字化数据及质量信息，进一步向设计、制造策划、运用维护、检修等维度扩展，最终覆盖产品全生命周期，为数字化智能化焊接技术在动车组转向架领域应用提供了可行的借鉴方案。

参考文献：

[1]黄顺魁.制造业转型升级：德国“工业4.0”的启示[J].学习与实践，2015（1）：44-51.

[2]杜品圣.智能工厂德国推进工业4.0战略的第一步（上）[J].自动化博览，2014（1）：22-25.

[3]杜品圣.智能工厂德国推进工业4.0战略的第一步（下）[J].自动化博览，2014（2）：50-55.

[4]肖翔，熊佐松，刘海燕，等.智能可视化优化技术用于常压塔多目标操作优化[J].炼油技术与工程，2015（4）：8-10.

[5]刘昭斌，刘文芝，顾才东，等.基于智能制造系统的物联网 3D 监控[J].实验技术与管理，2015（2）：89-93.

[6]张卓，宣蕾，郝树勇.可视化技术研究与比较[J].现代电子技术，2010（17）：133-138.