高速动车组转向架智能装配系统研究

刘超文

（兰州交通大学 机电工程学院，兰州 730070）

我国的高铁技术经过多年发展后目前已居于世界领先水平。高铁的快速发展进一步推动了我国经济的进步，给国民出行带来了极大便利，因此保障高铁装配市场稳定至关重要。我国目前主要采取手工装配转向架模式，即在手工装配的基础上引入了部分自检和互检工序。但是，这种工艺模式需要投入大量资源，装配效率较低，且在装配中经常会出现螺栓错拧、漏拧等导致故障发生的现象。高铁动车组转向架装配过程中会受到员工心理、环境、员工疲劳程度等多种因素影响，其中人为因素是一个重要诱因，因此提出借助机械和智能化技术有效解决这一问题。

1 智能系统构建

轨道交通的智能化装配系统的设计以智能计算为基础，利用现有工业逻辑实现。在软件系统中融入成熟操作方式，实现高铁装配工序的智能化设计，将装配施工中的人为影响因素控制在最低限度[1]，从而有效提升高铁装配效率和装配精确率。本智能装配系统以数字化技术为基础来实现各类装配异常的有效纠错，以视觉技术为基础实现装配过程检验，为检验人员提供充足的数据支撑。

高铁动车组转向架智能化系统是以工业装配先进系统构架为基础而构建的，见图1。为保障系统功能的正常实现，设计移动装配车作为操作工位端。移动装配车配置了数字化装配工具，利用车间现有无线网络来实现装配现场与远端服务器的数据传输。该系统可以与厂房现有网络布置完美兼容，对车间原本构建和使用习惯不会造成任何影响，并利用信息化技术为装配提供工业级互联网系统支撑。

2 智能装配车

本系统以移动装配车为载体，通过智能化系统和移动装配车的融合来覆盖装配车移动半径内的所有工位。为保障移动装配车在工位范围内能灵活移动且具有良好的耐用性，为其配置了无痕万向轮。根据它的工具布局可以看出，在装配车上设置了扭矩扳手，台面上布置了扫描仪、套筒选择器等，另外配置了伸缩式防护罩。该防护罩可以保障在非装配时间段不出现工具损坏或者丢失等问题[2]。

3 智能装配系统构成

3.1 装配流程

开始进行装配时，作业人员刷工卡后可以启动系统。在工位到位的情况下，手动输入车架号后，系统可以根据条码自动选择装配工艺。此时，操作工需要在系统中选择该工艺是否已完成来决定是否执行该工艺程序[3]。在未完成的情况下，系统会弹出对应工艺执行操作。如果操作工在作业中扭矩扳手或者其他工具选择不正确，系统会自动发出报警。完成装配工艺后，系统会自动锁定工具，并上传数据至服务器。下次操作时，只需要扫码就可以激活下道工序[4]。

在智能化装配工艺系统中配置了异常处理机制。刚登录系统后，操作人员可以查看系统是否存在异常任务。如果存在这种情况，需要执行相应的异常任务处理操作[5]。

在装配作业过程中会出现多种异常状况。例如，操作人员在正常执行装配操作过程中出现零部件缺损、物料短缺问题的情况，可以及时向现场管理人员提出请求，以获得异常提交授权。获得授权后，可以在客户端或者操作刷卡登录，登录后可以选择相应异常处理功能来解决出现的问题。例如，可以在登录系统后完成异常下限或者是特殊放行等操作[6]。另外，在装配过程中一旦出现异常任务，要及时详细记录异常提交的原因，避免在后续装配生产过程中对工序的正常运转造成影响，同时避免在生产中发生装配停产事故。

3.2 上位机软件功能实现

在整个系统运行过程中，底层硬件能否实现正常运行主要取决于工位装配上位机，且通过工位装配上位机可以实现与各个设备接口的交互[7]。在执行装配作业过程中，各个工位将产生的数据实时上传到服务器，在服务器中完成系统的查询、统计分析等相关工作，同时可以在完成装配作业后及时生成生产报告。该系统的设计充分考虑了实际生产状况，当出现异常状况时会及时向现场操作人员发出声光报警，此时作业人员可以根据提示及时处理出现的异常。本系统中设计的工位作业机具有人机交互界面，可以及时收集螺栓防错拧紧和各种装配数据。此外，系统为不同角色配备了相应权限，不仅能够充分保证生产过程实现协调，也可以对整个装配过程进行质量追溯。

本系统的工位作业机主要采取.NET平台来完成软件设计。图2为软件设计的基本框架。

在装配作业过程中，工具的公布状态、操作状态、运行状态以及设备状态等各类信息都可以通过公位作业机获取。获取数据后最终在数据库中进行存储，同时可以通过系统自动建立历史数据库。在该系统的无线网络中应用断点续传技术，即使在出现通信异常或者是设备信息发送异常等情况下，也可以在网络恢复后将设备脱产生产数据及时上传数据库[8]。

3.3 装配服务端功能事件

在整个高铁动车组管理及生产车间中间设置了服务器系统，可以在具体装配车组中实现作业内容的合理分配，实时监测装配操作和各类生产数据，同时可以实时接收下游反馈的装配数据，可以利用自动质检数据实现异常装配信息的实时传递。高铁动车组装配领域利用智能化装配服务端能够整体提升装配质量。

本次系统的设计主要使用浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）模式来完成服务器端软件的开发，开发框架为.NET CORE。该服务器软件中主要包括生产管理、入户管理、数据管理以及工艺指导等模块。利用信息化和智能化打造的装配生产线，能够将高铁动车组装配过程中人为因素的影响控制在最低限度[9-10]。利用信息化系统来实现装配数据的实时采集，并通过服务器上传到管理层服务器，使现场管理人员可以实时查看装配生产状况，同时借助大数据分析技术进一步优化后续装配过程，实现装配作业的可追溯。服务器端软件可以针对整个装配作业过程中的物料、人员、设备等各类信息数据进行准确记录，同时通过数据分析模块实现各类数据的可视化统计，并通过图表形式展示，也可以针对各类数据实现正态分布图、合格率、散列图的分析[11-12]。通过工艺指导模块可以为操作人员提供操作流程指导，不仅能够提升生产效率，也可以有效控制装配作业过程中的异常状况发生率，使得高铁动车组转向架装配实现真正的智能化和信息化。

4 结语

智能化高铁动车组转向架装配系统可以有效弥补我国当前高铁动车组装配领域的技术空白。通过智能化装配系统可以针对高铁动车组转向架装配工序进行合理规划，同时利用移动智能化装配车实现每个装配步骤的严格管控，并利用远程服务器实现各类数据的实时保存。在高铁装配领域中应用智能化装配系统可以有效提升高铁动车组装配质量和我国高铁动车制造的智能化水平。