轉(zhuǎn)向架構(gòu)架智能焊接群控系統(tǒng)構(gòu)建

李亞南 田仁勇 吳向陽 張志毅 劉沅偉

摘要：轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是高速列車的重要部件，構(gòu)架的焊接質(zhì)量是決定轉(zhuǎn)向架質(zhì)量的關(guān)鍵因素，迫切需要通過信息化系統(tǒng)加強(qiáng)其焊接生產(chǎn)作業(yè)過程管控。介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)過程管控平臺(tái)——智能焊接群控系統(tǒng)，對焊機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)在線控制、焊接過程數(shù)字化管理以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等，提高了焊接生產(chǎn)管理能力，為管理者對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化、資源調(diào)配、焊工考核提供重要的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：焊接管控;群控系統(tǒng);轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接;數(shù)字化管理

中圖分類號(hào)：TG408 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）05-0001-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.01

0 ? ?前言

列車高速化是我國鐵路客運(yùn)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。轉(zhuǎn)向架是高速列車的關(guān)鍵部件之一，而轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的重要承載部件，是轉(zhuǎn)向架其他零部件的安裝基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)向架不僅承受機(jī)車上所有設(shè)備的質(zhì)量，還要傳遞牽引力和承受走行過程中的各種沖擊載荷。目前國內(nèi)生產(chǎn)的客車、地鐵、高鐵用的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架大部分都是焊接結(jié)構(gòu)[1]，因此，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接質(zhì)量是決定轉(zhuǎn)向架質(zhì)量的關(guān)鍵因素，直接影響列車運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和舒適性。目前，焊接生產(chǎn)過程中自動(dòng)焊接和手工焊接并存。手工焊接的質(zhì)量主要依賴焊工的操作技能和執(zhí)行工藝紀(jì)律的自覺性和責(zé)任心，焊接過程中涉及的焊接人員資質(zhì)、焊接設(shè)備、焊接耗材、焊接工藝和焊縫質(zhì)量評估采用人工管理方式已不能滿足要求。為加強(qiáng)焊接工藝規(guī)范執(zhí)行的監(jiān)控，做到有據(jù)可查，保障焊接質(zhì)量，迫切需要開發(fā)焊接生產(chǎn)作業(yè)過程數(shù)字化管控系統(tǒng)，管理人員可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接過程的工藝參數(shù)和作業(yè)情況并進(jìn)行過程管控，對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

焊機(jī)制造行業(yè)全球知名的公司都根據(jù)自己的焊機(jī)產(chǎn)品研制有配套的焊機(jī)管理系統(tǒng)[2-3]。國內(nèi)的焊機(jī)管理系統(tǒng)開發(fā)雖然起步較晚，近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也有了長足進(jìn)步[4-6]。通常焊機(jī)配套的焊接管理系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測和儲(chǔ)存功能。唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司的信息化焊接管理系統(tǒng)iWeld采用以太網(wǎng)、無線WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量等信息通過TCP/IP協(xié)議傳送至上位機(jī)，通過電腦監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對每臺(tái)焊機(jī)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。iWeld5基于J2EE技術(shù)架構(gòu)開發(fā)，交付軟件全部在服務(wù)端，客戶只需打開瀏覽器就可以登錄使用，包含系統(tǒng)配置管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)管理、工藝管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析和焊接數(shù)據(jù)分析等功能模塊[7-8]。

由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)使用了多個(gè)廠家的焊機(jī)，如果直接采用生產(chǎn)廠家提供的焊機(jī)管理系統(tǒng)，則用戶需使用多套系統(tǒng)，形成新的數(shù)據(jù)孤島，并且已有焊機(jī)系統(tǒng)未實(shí)現(xiàn)對焊接的人、機(jī)、料、法、測、環(huán)的全方位管理。因此，需要基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，建立公司層級的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架智能焊接群控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化的焊接工藝自動(dòng)采集、焊接過程數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸，焊接作業(yè)全過程的生產(chǎn)管理與質(zhì)量管理。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

建立智能焊接群控系統(tǒng)的目標(biāo)：與焊接設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理相結(jié)合，集成PLM、MES、QMS系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品要求從焊接人員、設(shè)備、耗材、工藝、質(zhì)量檢測、生產(chǎn)環(huán)境等不同維度對焊機(jī)設(shè)備和焊接過程進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)時(shí)采集焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量數(shù)據(jù)，記錄超聲波探傷（UT）和磁粉探傷（MT）檢測數(shù)據(jù)，并對焊接過程中的數(shù)據(jù)（如焊接參數(shù)、人員信息、有效焊接時(shí)間、耗材、設(shè)備狀態(tài)等信息）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為焊接工藝優(yōu)化、焊接人員資源優(yōu)化和焊接資源消耗提供數(shù)據(jù)支撐，以達(dá)到提升焊接質(zhì)量和提高焊接效率的目的。在項(xiàng)目進(jìn)行過程中，建立了一套適用于不同種類焊機(jī)信息采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠髽I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同種類焊機(jī)的群控管理，新購焊機(jī)快速接入群控管理系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架智能焊接群控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖 1 所示，采用物聯(lián)網(wǎng)廣泛使用的分層結(jié)構(gòu)，自下而上分為設(shè)備層、通訊層和應(yīng)用層。

設(shè)備層實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與通訊層的數(shù)據(jù)交互，主要包括：（1）監(jiān)測焊接電源的運(yùn)行狀態(tài)，采集焊接過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，如焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量、環(huán)境溫度、濕度等;（2）接收群控系統(tǒng)的控制信號(hào)，如焊接工藝預(yù)設(shè);（3）采集焊接視頻信息;（4）刷卡確認(rèn)工人信息;（5）掃碼或輸入進(jìn)行報(bào)工等。

通訊層支持多種網(wǎng)絡(luò)通信接口，通過無線/有線的通信方式將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，再通過路由器將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。云服務(wù)器提供數(shù)據(jù)庫的備份和整合等功能。

應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和分析，包含計(jì)劃管理、執(zhí)行管理、工藝管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、大數(shù)據(jù)展現(xiàn)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。

用戶可通過接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)中的任意PC機(jī)、移動(dòng)終端，在瀏覽器中輸入數(shù)據(jù)服務(wù)器的 IP 地址來訪問焊接群控系統(tǒng)服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對焊接作業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控、焊接全過程的生產(chǎn)管理和質(zhì)量管理。智能焊接群控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 軟硬件實(shí)現(xiàn)

智能焊接群控系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。

2.1 焊接采集硬件

焊接采集硬件可實(shí)現(xiàn)對不同品牌、型號(hào)的焊接設(shè)備的快速連接和數(shù)據(jù)采集等。公司使用松下、福尼斯、燕旭翔龍、上海通用等多種品牌焊機(jī)。焊接網(wǎng)關(guān)硬件具備的功能如圖3所示。

焊機(jī)設(shè)備類型主要分為手工焊機(jī)和焊接機(jī)器人兩大類，其中手工焊機(jī)又分為數(shù)字焊機(jī)和非數(shù)字焊機(jī)兩種類型。對于手工數(shù)字焊機(jī)，其主控板上具備I/O通訊接口，可使用數(shù)據(jù)采集板卡直接通過通信接口進(jìn)行連接通訊;對于手工非數(shù)字焊機(jī)，加裝聯(lián)網(wǎng)通訊裝置增加以太網(wǎng)通訊接口，通過加裝霍爾傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和氣體流量傳感器采集輸出電流、輸出電壓以及送絲速度、氣體流量等數(shù)據(jù)，使用編碼器及采集板卡將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

鑒于過程管理和人機(jī)互操作的需要，針對每個(gè)焊機(jī)臺(tái)位加裝讀卡器、觸控屏等裝置。

焊機(jī)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸可以使用有線傳輸或無線傳輸，考慮到車間作業(yè)環(huán)境影響焊機(jī)通訊，使用有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。具體而言，基于通信TCP/IP協(xié)議，在焊機(jī)網(wǎng)口與交換機(jī)連接網(wǎng)線進(jìn)行通訊，廠房中的網(wǎng)絡(luò)連接到群控服務(wù)器，從而將焊接關(guān)鍵參數(shù)（焊接電壓、焊接電流、送絲速度、氣體流量等）、現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)（環(huán)境溫度、濕度等）、耗材消耗數(shù)據(jù)以及綁定的工件、操作者信息傳送至服務(wù)器。

在焊接機(jī)器人工作區(qū)域安裝攝像頭，接入視頻流數(shù)據(jù)到系統(tǒng)平臺(tái)。通過路由器和攝像機(jī)的端口映射，在系統(tǒng)監(jiān)控頁面插件中，綁定設(shè)備對應(yīng)的IP、端口號(hào)、用戶名、密碼獲取攝像視頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在焊接過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 焊接管理軟件

焊接管理軟件可實(shí)現(xiàn)焊接運(yùn)營管理（MES），包括計(jì)劃管理、執(zhí)行管理、工藝管理、人員管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、大數(shù)據(jù)展現(xiàn)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理幾部分。

焊接群控系統(tǒng)軟件覆蓋焊接計(jì)劃、任務(wù)分派、執(zhí)行報(bào)工、質(zhì)檢、過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、焊接工藝優(yōu)化、焊機(jī)設(shè)備管理和維護(hù)等，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、料、法、測的全流程監(jiān)控，主要功能如圖 4 所示，針對焊接操作的復(fù)雜性，提供3D焊縫的精細(xì)展示和焊接操作順序的指引與導(dǎo)航。管理人員可以通過電腦實(shí)時(shí)觀測每臺(tái)焊機(jī)的工作狀況，設(shè)定焊接電壓、電流及氣流量的上下限值，系統(tǒng)在超限時(shí)報(bào)警;同時(shí)能對焊接質(zhì)量進(jìn)行評估與追蹤;可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表做管理決策。

計(jì)劃管理：支持獲取MES訂單，安排訂單生產(chǎn)計(jì)劃，查看訂單執(zhí)行進(jìn)度。

執(zhí)行管理：支持任務(wù)分派，日常點(diǎn)檢、開工、報(bào)工，探傷檢測記錄和報(bào)告，實(shí)現(xiàn)焊接任務(wù)、焊機(jī)和焊工的閉環(huán)控制和管理。

工藝管理：設(shè)置工藝流程，定義每個(gè)車型所包含的所有工藝種類，保證后期作業(yè)單據(jù)正常流轉(zhuǎn)。支持獲取PLM工藝文件，可以按工序、工藝類型選擇查看。

人員管理：對焊工資質(zhì)進(jìn)行管理，開工刷卡時(shí)進(jìn)行身份認(rèn)證、比對資質(zhì)，工人KPI分析。

設(shè)備管理：建立和管理焊機(jī)設(shè)備臺(tái)賬，實(shí)時(shí)展示設(shè)備狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)（見圖5），記錄和查詢設(shè)備點(diǎn)檢記錄、設(shè)備故障信息記錄，查看設(shè)備利用率。

質(zhì)量管理：質(zhì)量缺陷分類管理，定義質(zhì)量模板管理，記錄質(zhì)量專檢信息，對質(zhì)量問題進(jìn)行追蹤管理。

大數(shù)據(jù)展現(xiàn)：焊接數(shù)據(jù)分析，探傷數(shù)據(jù)分析，工序耗時(shí)分析，耗材統(tǒng)計(jì)，缺陷數(shù)量對比分析，設(shè)備OEE分析，以及車間大屏展示主要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理：支持車間組織結(jié)構(gòu)和產(chǎn)線、工位、臺(tái)位的建立，增加和維護(hù)班組、用戶信息，對用戶權(quán)限進(jìn)行控制，對系統(tǒng)進(jìn)行配置。

3 焊機(jī)接入標(biāo)準(zhǔn)

隨著企業(yè)的業(yè)務(wù)升級，為適應(yīng)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的業(yè)務(wù)需求，會(huì)不斷批量引入新的焊機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)不同品牌、型號(hào)的焊接設(shè)備的快速接入，有必要建立一套適用于不同種類焊機(jī)信息采集數(shù)據(jù)傳輸至同一數(shù)字化焊機(jī)管理系統(tǒng)的企業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)不同種類焊機(jī)的群控管理。

（1）采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)現(xiàn)有業(yè)務(wù)情況及可能出現(xiàn)的業(yè)務(wù)拓展情況，整理并確定新接入焊機(jī)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)分為：公司信息——焊機(jī)生產(chǎn)廠信息;設(shè)備信息——焊機(jī)設(shè)備編號(hào)、焊機(jī)名稱及出廠編號(hào)、設(shè)備狀態(tài);開關(guān)機(jī)時(shí)間——開機(jī)時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間;焊機(jī)參數(shù)——焊接電流、焊接電壓、送絲速度、氣體流量等;報(bào)警信息——報(bào)警代碼及說明;材料信息——絲徑、氣體消耗量、送絲量;累計(jì)信息——焊接次數(shù)、全部焊接時(shí)間等。

（2）傳輸方式的標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)多種品牌焊機(jī)數(shù)據(jù)的采集，為保證現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)定性，采用中間表方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。創(chuàng)建焊機(jī)基本信息數(shù)據(jù)庫表、焊機(jī)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表以及其他信息數(shù)據(jù)庫表。新接入的焊機(jī)可將采集到的焊接信息按照傳輸規(guī)范存儲(chǔ)至對應(yīng)數(shù)據(jù)表中。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

目前智能焊接群控系統(tǒng)已應(yīng)用于3條產(chǎn)線，覆蓋橫梁、側(cè)梁、構(gòu)架所有工序，車間實(shí)現(xiàn)千兆級網(wǎng)絡(luò)覆蓋，80臺(tái)手工焊機(jī)完成智能化改造，能實(shí)時(shí)采集焊接過程中的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)杰浖脚_(tái)，記錄和分析焊機(jī)的工作狀態(tài)及過程參數(shù);操作工PDA設(shè)備點(diǎn)檢、開工、報(bào)工，及時(shí)反映生產(chǎn)進(jìn)程，反饋生產(chǎn)過程信息，取得了較好的效果。主要的應(yīng)用效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）作業(yè)流程可視化。

從PLM獲取橫梁、側(cè)梁、構(gòu)架生產(chǎn)工藝路線和工藝文件，指導(dǎo)和控制生產(chǎn)工藝。執(zhí)行過程中，根據(jù)作業(yè)流程派工，分配焊接、探傷、劃線、退火、質(zhì)檢等任務(wù)。

（2）焊接管理規(guī)范化。

在生產(chǎn)過程中對橫梁、側(cè)梁、構(gòu)架各工序的執(zhí)行過程進(jìn)行監(jiān)控管制，綁定PDA掃碼控制、作業(yè)臺(tái)位監(jiān)控、作業(yè)權(quán)限校驗(yàn)、作業(yè)順序控制及作業(yè)質(zhì)量等級等流程定制監(jiān)管。

操作工可通過PDA查詢工序作業(yè)內(nèi)容，在開工前使用PDA掃碼開工，系統(tǒng)對操作工的資質(zhì)進(jìn)行檢查。任務(wù)完成后使用PDA掃碼完工，系統(tǒng)自動(dòng)記錄操作工的工作時(shí)間。

（3）工序質(zhì)量分析。

由于焊縫質(zhì)量缺陷的隱蔽性和焊接工件的不可損壞性，必須通過無損檢測的方式對焊縫進(jìn)行檢查。通過分析超聲波探傷（UT）和磁粉探傷（MT）工序的檢測結(jié)果，計(jì)算一次探傷合格率，獲得UT、MT探傷缺陷數(shù)量分析結(jié)果。

焊接工藝的特點(diǎn)使構(gòu)架產(chǎn)生復(fù)雜的殘余應(yīng)力和變形，對轉(zhuǎn)向架的斷裂特性、疲勞強(qiáng)度和形狀尺寸精度和穩(wěn)定性等產(chǎn)生不利影響。通過劃線對影響構(gòu)架制造焊接質(zhì)量的關(guān)鍵工序進(jìn)行跟蹤測試，得到焊接變形的相關(guān)數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)劃線尺寸，通過大數(shù)據(jù)對比，掌握構(gòu)架各部件變形情況，優(yōu)化相關(guān)工藝內(nèi)容。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

對焊接車間生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為管理層提供直觀的運(yùn)營指標(biāo)和管理瓶頸展示，支撐快速、精準(zhǔn)的管理決策。

通過同工序耗時(shí)對比分析、不同工序平均耗時(shí)對比分析，為優(yōu)化工序額定作業(yè)時(shí)間以及工位、人員數(shù)量配置提供參考。

通過統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)過程中的耗材消耗情況，直觀地展示每個(gè)構(gòu)架的耗材使用情況，可有效指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場對于耗材的使用，避免不必要的浪費(fèi)。

通過監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)電流和電壓進(jìn)行焊機(jī)穩(wěn)定性分析，反映各類焊接過程中的電弧穩(wěn)定程度，提高焊接的質(zhì)量。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)獲取各個(gè)工序的焊接電流、電壓的平均超差率，并對比各個(gè)焊工作業(yè)工序的焊接數(shù)據(jù)超差率，得出焊工焊接質(zhì)量偏離率，實(shí)現(xiàn)焊工工作水平分析。

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