轨道车辆全生命周期数字化焊接体系现状及展望

侯振国， 钮旭晶

中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063000

0 引言

焊接在风电、核电、航空航天、尖端武器装备等诸多领域的关键产品开发与生产中发挥着重要的作用。随着大批装备制造企业不断加快焊接生产信息化和数字化改造，我国制造业焊接生产过程的数字化、网络化、智能化整体水平不断提高［1］。数字化及智能化焊接已经成为国内焊接发展的新趋势［2-3］。随着5G网络的推广，使得设备物联、供应商协同管理，智能化焊接更加便捷、高效，全生命周期焊接管理及体系的建立逐步成为循环经济中重要的一环。以核电领域为例，郑州大学构建了核电站全生命周期数据管理框架体系［4］，实现了在大型核电站全生命周期内的主要阶段，对各类数据进行定义、收集、评估、共享、协同应用、维护、归档、销毁等处理，并对数据资源的全生命周期进行科学、全面管理［5］。由此可见，全生命周期数字化焊接体系的搭建和应用是我国制造业发展的必然趋势，是实现“智能制造2025”的必然途径。

本文以轨道交通焊接技术体系为载体，深入研究其关键技术，对全生命周期数字化焊接技术进行探索和展望。

1 轨道交通焊接技术体系现状

随着我国轨道交通的快速发展，动车组及城轨车辆得到了越来越广泛的运用［6-8］。轨道交通装备制造业目前执行ISO EN15085焊接体系。体系对人员资质、设备管理、物料情况、设计工艺质量、作业环境要求、焊接检验、运维修理等内容做了具体要求［9-10］，基本实现了对轨道交通车辆焊接产品全生命周期的控制。但是目前整个焊接质量的管理主要是靠专业的技术管理人员进行，辅助一些简单的软件。在大数据处理、焊接质量智能评价、资质智能管理等数字化管理方面未形成完善的数字化焊接技术体系。在供应商管理、焊接质量综合判定、焊接检验等多个环节存在人员需求量大，人为主观性强，数据管理不规范等问题。急需采用数字化的方法，对整个轨道交通焊接体系进行模块化、系统化的管理。通过对焊接全过程的监控及追溯，对全生命周期焊接要素进行管控等智能方法，实现智慧焊接下的全生命周期数字化焊接体系建设。

2 全生命周期数字化焊接体系的关键技术

2.1 全生命周期数字化焊接资源

全生命周期的焊接资源管理包括结构化的数字化焊接设备、数据库、焊接专家系统等内容以及网络系统数据库等信息［11］。

2.1.1 数字化焊接设备

数字化焊机采用单片机、DSP等数字芯片，用0/1 编码的数字信号将传统的模拟信号取而代之，最终获得集焊接工艺控制智能化、焊接系统集成网络化、焊接智能化和自动化于一体的新型焊接设备。数字化焊机使冷却装置、电源、工装、机器人、焊枪、送丝机的互动更加方便。数字化焊接设备以其更高的控制精度、良好的接口兼容性、快速的动态响应速度正在发挥越来越重要的作用。

2.1.2 焊接数据库

焊接数据库包括焊接材料、焊接工艺、焊接工艺评定管理、焊工技能评定、焊缝性能预测、模型仿真、焊接装配顺序等数据库［12］。面对复杂的焊接生产，焊接数据库有组织地存储焊接领域各种数据。

2.1.3 焊接专家系统

由于焊接过程的复杂性难以量化，更多地需要专家知识做出判断，因此焊接被认为是应用专家系统的理想领域。焊接专家系统基于焊接知识和经验，在工艺设计或工艺选择、焊接缺陷或设备故障诊断、焊接成本估算、实时监控、疲劳设计、焊工考试等，几乎包括焊接生产的所有主要阶段及方面。

2.2 焊接工业物联网技术

工业互联网采用5G 信息通信技术，对人、机、物、系统等进行全面连接，构建起覆盖全焊接要素的全新制造体系，为智慧焊接提供技术支撑。公司通过数字化改造、升级的方式，建成焊接数字化车间，实现焊接车间焊接设备物联监控、数据采集，以及焊接过程中的各项参数进行实时监控，提供数据支持以优化工艺、焊材能耗等数字化统计、焊接工艺下达、柔性排产与派工及焊接质量追溯等。以唐客公司的数字化产线建设为例，详细介绍公司在工业互联网平台建设方面的技术特点及应用场景。

搭建公司级的工业互联网平台，划分为设备层、边缘层、平台层和应用层如图1所示。在设备层实现轨道车辆制造过程关键工序资源装备联网与数据采集，实现订单执行、工艺参数、装备运维、物料能耗等状态信息在线监控。在边缘层搭建有MOM 系统、资源互联平台、数字化调试平台、转向架数据采集平台等边缘层数据采集系统，向下接入现场装备和系统，做数据转换，向上传到公司级大数据平台。

图1 工业互联网平台架构Fig.1 Industrial internet platform architecture

平台层主要基于公司大数据平台，用于制造数据的汇聚、共享和统一管理，为数据分析应用、可视化监控提供数据源，为生产运营决策提供数据支撑。

在数据分析应用方面，利用工业大数据平台实现轨道车辆产品制造过程数据分析建模与质量预测，监控车辆制造过程重量变化，基于数据模型驱动落车高度预警。在制造数据资产方面，计划后续对现场装备采集数据进行资产化管理，快速实现数据的汇聚、追溯、复用与维护等。

2.3 焊接过程AI智能管控技术

基于AI视觉的深度学习算法，结合高精度图像算法，将人员规范的大数据结合人工智能和图像处理技术，通过图像预处理，标注，训练等方式，结合5G网络技术，可以快速识别焊接过程中人员的行为规范，例如焊接顺序、安全防护违规、作业场所违规操作等风险事件并报警，帮助管理人员及时做出反应。

焊接过程智能巡技术。采用VR 眼镜的方式，通过AI识别功能，高效准确地识别出焊接过程的异常问题，不再单纯依赖人的判断。可视化的IOT 分析和实时数据记录的调阅可辅助人员快速定位问题。通过焊接管理人员可掌握现场信息及员工作业信息，精准管理，同时减少人员误操作、漏操作，提高作业规范和质量。

同时基于3D 视觉和激光扫描系统，采用基于模糊推理的专家系统进行缺陷识别，通过深度学习引擎，只需标注，即可把人工经验转化成AI算法，将检测分析得到的焊件信息数据存入相应的数据容器中，对焊接缺陷等进行识别，可稳定区分不同形状、大小、类型等多种焊接缺陷，快速提高产线自动化、智能化程度及检测效率。

2.4 基于全要素的焊接质量智能辅助技术

全要素的焊接质量智能辅助技术是通过收集分析焊接过程参数、焊接材料、设备信息、环境要求、部件焊缝信息、焊前状态等数据信息，利用数据分析、智能算法、统计学模型等技术，对焊接工艺过程进行全面的数据采集、处理和分析，挖掘影响焊接质量的因素，建立焊接质量的预测和评估模型，实现技术路径如下：

（1）收集不同状态、不同阶段下的焊接过程数据，实现相关数据的数字化转化。

（2）针对不同焊接阶段单独分析影响焊接质量的相关因素，并获得定量的分析结果。

（3）针对焊接过程进行焊接质量影响因素的综合分析，并获得相应量化结果。

（4）基于智能算法或者数理统计模型，实现焊接质量的数字化评价。

通过焊接质量智能辅助系统，从多角度、多阶段及多维度实现焊接质量有效管控，借助焊接质量数字化评价模型，辅助工程师进行焊接质量决策。

2.5 智能化焊接装备的开发及应用

开展智能化焊接装备的研究是提高焊接质量、实现数字化焊接体系高效运转的催化剂。本文以轨道车辆用移动焊接小车为例，详细介绍新一代智能化焊接装备的技术特点及应用场景。

2.5.1 装备简介

智能移动焊接工作站如图2所示，由总控单元、协作机器人、焊接电源及附件、多功能移动小车、视觉及激光传感器组成。

图2 智能焊接工作站Fig. 2 Intelligent welding workstation

2.5.2 功能介绍

该焊接小车可以实现对车体大线的智能化焊接。车辆运行会自动捕捉坡口信息和位置，将焊前信息传输至控制终端。系统通过大数据及算法模型对焊接参数进行初步拟定。在实际焊接过程中，根据实时焊接状态及激光辅助修正，自动匹配合适的焊接参数（主要是焊接速度），焊接完成后对焊缝外观进行检测（通过标准和大数据库对比开发）。所有过程数据均回传系统数据库，控制终端会对数据进行整理分析，对焊接质量做出在线评价，形成评估报告并展示界面。

通过上述过程，完成对整条焊缝的智能焊接。智能定位免示教技术，车辆运行防抖动技术，大数据处理及分析技术等关键技术在智能焊接装备中得到了应用。所有的数据在智能控制终端进行存储、分析，实现对焊接质量的控制及分析。该设备融合于整个焊接智能工厂，作为质量数据的一环在车体制造平台，可以随时查询，对于不合格焊缝会自动警示和统计，不断优化焊接工艺。

2.6 企业互联供应商协同管理系统

基于数字化的焊接体系和供应商协同管理平台，依托唐车数字化产品模型的研发、设计、生产、服务一体化，实现产品全生命周期的质量信息追溯，提升产业链供应链各环节质量数据共享与开发利用，推进数据模型驱动的产品全生命周期、全产业链的质量策划、质量控制和质量改进。

通过中车产业链供应链数字化平台系统，可以将产业链供应链上下游焊接产品设计、工艺策划以及质量管理进行联动，实现焊接供应商的延伸管理、协同设计以及资源共享，促进多样化、高附加值产品服务创新，推进基于产品全生命周期的管理的服务质量提升。

3 轨道交通全生命周期数字化焊接体系展望

3.1 全生命周期数字化焊接体系平台搭建

全生命周期的数字化焊接体系平台包括焊接资源库、焊接工艺知识库以及焊接执行系统和过程参数监控以及质量判定，通过梳理焊接过程全要素，建立基于接头的全生命周期的数据库和管理平台，实现设计、生产制造、运维以及检修的全生命周期管理。本文以数字化焊接工艺设计为例，详细介绍数字化焊接体系中的焊接工艺智能编制系统。

数字化焊接工艺智能编制系统主要包括系统管理、基础知识库、文件编制以及审批工作流等功能模块，如图3所示。该系统通过焊接资源数据库和标准化流程设计，基于铝合金、碳钢以及不锈钢的多材料特点，完成28 个数据表和73 项逻辑规则的设计，将焊接经验融入信息化系统，确保公司技术标准统一，依靠基于焊接专家知识库和基于规则推理（RBR）规则库的推理机制，实现焊接工艺文件的自动生成，通过公司SAP 系统和MOM 系统实现结构化工艺文件的下发和执行。

图3 焊接工艺智能编制系统构成Fig. 3 Structure of process intelligence system

通过以上系统设计与开发，完成了智能化焊接工艺系统的建设，实现焊接工艺规程WPS、焊接顺序计划、焊接检测计划、焊接计划及焊接接头清单等焊接工艺文件自动生成，同时依托MOM 生产执行系统，采集结构化焊接质量数据，实现对焊接过程中的过程参数和焊接质量的追溯管理。

3.2 推广应用效果展望

全生命周期数字化焊接体系的建立与实施，可以保证焊接体系的有效运行。同时，大幅降低人为因素的影响能够提升焊接质量及生产效率，对焊接过程中有可能发生的质量问题进行预判。数字化分析及管控能够从设计、制造、检验交付、运维到报废形成一个完整的闭环。通过大数据分析及模型的建立，不断优化整个过程，大幅提升产品质量及服役性能，促进循环经济的发展。

4 结论

（1）现有轨道交通焊接体系目前数字化水平较低、人为因素影响较大，通过智能方法实现全生命数字化焊接技术体系是未来发展的主要方向。

（2）基于5G 的设备物联是实现大数据采集，数据治理、质量综合评价以及供应商协同管控等技术的必要手段。

（3）智能焊接装备的开发及应用是维持数字化焊接体系有效运转的核动力。

（4）轨道交通全生命周期数字化焊接体系同样适用于其余装备制造业，可以有效降低人工成本，提升焊接质量及效率。具备广泛的推广应用价值。