鄧鴻劍，吳向陽，2，李亞南，湛紅暉，吳 翔，施文韜

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.華中科技大學(xué)無錫研究院，江蘇 無錫 214000）

1 引言

我國高速動(dòng)車相關(guān)技術(shù)已經(jīng)基本成熟，但隨著“中國制造2025”的戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)，全面深入發(fā)展智能制造的時(shí)代需求，仍需要全面提升高速動(dòng)車組的全壽命周期的創(chuàng)新能力和水平。

轉(zhuǎn)向架是高速動(dòng)車組最為重要的部件之一，直接關(guān)系著高速動(dòng)車組的安全性、平穩(wěn)性、舒適性、可靠性。而構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的骨架，它不僅是轉(zhuǎn)向架輪對(duì)、軸箱、驅(qū)動(dòng)等其他部件的安裝基礎(chǔ)，也是傳遞牽引力、制動(dòng)力、橫向力及垂向力的基體，是一個(gè)受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件，其加工質(zhì)量是衡量高速動(dòng)車組研制水平和制造能力的關(guān)鍵指標(biāo)。

中國中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司在構(gòu)架多工藝連線柔順制造技術(shù)方面開展了大量應(yīng)用與驗(yàn)證，經(jīng)過業(yè)務(wù)梳理、技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用升級(jí)、迭代驗(yàn)證，形成了一套符合實(shí)際情況的智能制造新模式和實(shí)踐方法論。

2 構(gòu)架焊接工藝及其工程化需求

構(gòu)架成型由側(cè)梁、橫梁和端梁等部件拼焊而成。每一個(gè)部件又包含組裝、點(diǎn)焊、拼焊、打磨、焊修和檢測(cè)等工藝。側(cè)梁自動(dòng)組裝、自動(dòng)焊接、構(gòu)架自動(dòng)打磨如圖1所示。

圖1 側(cè)梁自動(dòng)組裝、自動(dòng)焊接、構(gòu)架自動(dòng)打磨示意圖

從組織模式上看，以RGV為核心的物流自動(dòng)輸送系統(tǒng)，將自動(dòng)組裝機(jī)器人、自動(dòng)焊接機(jī)器人、自動(dòng)打磨機(jī)器人、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、緩沖臺(tái)（存料臺(tái)）、人工臺(tái)位等集成，實(shí)現(xiàn)按節(jié)拍自動(dòng)流轉(zhuǎn)，所有工序和緩沖臺(tái)位物料、RGV狀態(tài)得到監(jiān)控并由生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進(jìn)行管控。

構(gòu)架焊接成型需要解決幾個(gè)方面的問題：

1）焊接機(jī)器人進(jìn)入服役中后期，精度退化、故障頻發(fā)，生產(chǎn)節(jié)拍波動(dòng)較大；

2）生產(chǎn)要素存在大量啞終端，人機(jī)料法環(huán)互聯(lián)性差，導(dǎo)致信息孤島和業(yè)務(wù)流程不閉環(huán)；

3）產(chǎn)品種類多，目視區(qū)分難，人工介入工作量大，焊接工藝文件調(diào)用容易出錯(cuò)；

4）計(jì)劃排程“推+派”到機(jī)臺(tái)，主觀性強(qiáng)，時(shí)效性差，生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度的可行性差；

5）設(shè)備工時(shí)能力稼動(dòng)率波動(dòng)，影響計(jì)劃排程和運(yùn)維，設(shè)備任務(wù)負(fù)載忙閑不均。

3 構(gòu)架焊接成型智能制造新模式及相關(guān)技術(shù)

通過仿真建模，對(duì)多譜系、變品種、小批量、多工藝等動(dòng)態(tài)復(fù)雜條件進(jìn)行推演分析，并找到最優(yōu)方案；對(duì)存料臺(tái)、物料等啞終端進(jìn)行智能化改造，實(shí)現(xiàn)信息流、物流、能量流的閉環(huán)；與數(shù)字化設(shè)計(jì)（CAD/CAM/WCA）、數(shù)字化制造（MES/APS）業(yè)務(wù)集成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)工；通過M2M交互集成，設(shè)備能夠識(shí)別物料對(duì)象，并通過DNC網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)調(diào)用相關(guān)的工藝文件；多維高密分析并預(yù)測(cè)設(shè)備的健康狀況（PHM），預(yù)測(cè)設(shè)備健康狀況并識(shí)別加工過程異常；開展邊緣側(cè)的應(yīng)用集成；通過數(shù)字孿生技術(shù)，把系統(tǒng)、產(chǎn)線、工位的全局生產(chǎn)狀況全面的表現(xiàn)出來并進(jìn)行監(jiān)控。

3.1 面向能力與效率仿真的生產(chǎn)系統(tǒng)快速推演與柔性重構(gòu)

高度動(dòng)車組是典型的多譜系、層級(jí)深的多品種小批量生產(chǎn)模式，再加上裝備迭代升級(jí)、工藝路徑變化、生產(chǎn)插單擾動(dòng)等因素的影響，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)復(fù)雜，這對(duì)構(gòu)架的生產(chǎn)布局、柔性能力、生產(chǎn)效率帶來了很大的不確定性。

構(gòu)架成型生產(chǎn)線的數(shù)字仿真模型并進(jìn)行生產(chǎn)過程仿真預(yù)演分析，定量分析構(gòu)架焊接成型生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)能力和效率指標(biāo)，找出影響能力和效率的關(guān)鍵制約因素，并有針對(duì)性地提出改善方案，從而讓生產(chǎn)線布局和物流設(shè)計(jì)更加精益高效，讓生產(chǎn)策略和生產(chǎn)計(jì)劃的制定更加科學(xué)優(yōu)化。

1）生產(chǎn)系統(tǒng)仿真的建模引擎支持車間全要素建模，包括結(jié)構(gòu)、資源、數(shù)據(jù)、狀態(tài)以及不確定事件。

2）生產(chǎn)系統(tǒng)仿真引擎包括事件驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘跳躍、普通仿真/超實(shí)時(shí)仿真、詳細(xì)的仿真過程數(shù)據(jù)記錄。

3）針對(duì)仿真過程數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析、試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design Of Experiment，DOE）、遺傳算法（單目標(biāo)/多目標(biāo)）和機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行深度分析。采用遺傳算法（Genetic Algorithm, GA）優(yōu)化生產(chǎn)順序，縮短完成時(shí)間；可采用基于遺傳算法的布局重構(gòu)優(yōu)化，降低物流成本；當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)有多個(gè)，利用非支配排序遺傳算法結(jié)合仿真進(jìn)行優(yōu)化（NSGA）等。仿真分析與優(yōu)化的主要任務(wù)如圖2所示。

圖2 仿真分析與優(yōu)化的主要任務(wù)

3.2 基于物聯(lián)傳感技術(shù)的啞終端智能化改造與升級(jí)

通過視覺或RFID等非接觸感知與識(shí)別的方式進(jìn)行識(shí)別或賦碼，以便對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行跟蹤、識(shí)別與監(jiān)控。

一是基于工業(yè)視覺的構(gòu)架識(shí)別主要針對(duì)具有典型表面特征的形態(tài)識(shí)別，并將識(shí)別的圖像在后臺(tái)進(jìn)行分析解相，從而判斷該物料的屬性。二是以RFID為載碼體，實(shí)現(xiàn)對(duì)人、坯件（橫梁/側(cè)梁）、存料臺(tái)、胎位等啞終端進(jìn)行智能化改造與提升，為人機(jī)料法環(huán)等生產(chǎn)要素的M2M應(yīng)用交互與集成提供信息交互的載碼基礎(chǔ)。

構(gòu)架焊接車間工況復(fù)雜，對(duì)RFID的應(yīng)用與部署存在著不少特定的要求，包括抗周界電磁干擾、可需要安裝在金屬工件上、高工業(yè)等級(jí)等。采用介質(zhì)無關(guān)微型可嵌入金屬表面的RFID電子標(biāo)簽，RFID電子標(biāo)簽通過鉚接或凸臺(tái)螺紋方式擰在構(gòu)架上，布置在IGM機(jī)器人立柱上讀取隨行夾具上的構(gòu)架標(biāo)簽，存料臺(tái)護(hù)欄上的讀寫器讀取存料臺(tái)上的構(gòu)架標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)架全生產(chǎn)過程狀態(tài)的跟蹤。RFID電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)與部署如圖3所示。焊接機(jī)器人與存料臺(tái)RFID讀寫器部署如圖4所示。

圖3 RFID電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)與部署

圖4 焊接機(jī)器人與存料臺(tái)RFID讀寫器部署示意圖

RFID采用滿足現(xiàn)場環(huán)境的一體式讀寫器，能夠在金屬、非金屬、粉塵、高溫、液體等復(fù)雜工況環(huán)境下工作；現(xiàn)場使用的RFID標(biāo)簽通過電小天線極限理論進(jìn)行標(biāo)簽性能評(píng)估。

3.3 基于M2M交互集成的生產(chǎn)要素閉環(huán)管控

以RFID為載碼體，賦予啞終端（構(gòu)架、AGV、胎位等）以唯一的識(shí)別標(biāo)識(shí)ID，通過后臺(tái)信息交互與應(yīng)用集成，跟蹤構(gòu)架的生產(chǎn)過程，構(gòu)成一個(gè)彼此通信與識(shí)別的信息交互生產(chǎn)要素網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)信息流轉(zhuǎn)與交互如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)信息流轉(zhuǎn)與交互示意圖

生產(chǎn)線中控系統(tǒng)與公司上游信息系統(tǒng)MES、PDM、MRO集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與下達(dá)。通過RFID與中央控制系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)上游信息系統(tǒng)與各焊接工位互聯(lián)互通。

中控系統(tǒng)承接上游信息系統(tǒng)傳遞的生產(chǎn)工單信息，將相應(yīng)的作業(yè)指令分配到具體的作業(yè)設(shè)備和終端（手持機(jī)），自動(dòng)調(diào)度物料加工；同時(shí)，中控系統(tǒng)將機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)參數(shù)及時(shí)采集并上傳上游信息系統(tǒng)，包括機(jī)器人編號(hào)、產(chǎn)品編碼、生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)、工具工裝信息、異常信息等。RFID載碼體作為信息傳遞的“搭扣”，根據(jù)RFID掃描的物料，定位上游信息系統(tǒng)相應(yīng)的程序代碼，自動(dòng)將程序下載至每臺(tái)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)，自動(dòng)和機(jī)器人作業(yè)單元的工裝比對(duì)，避免設(shè)備損壞和工件報(bào)廢。

3.4 基于“推-拉”物流執(zhí)行的業(yè)務(wù)模型構(gòu)建

由于車間現(xiàn)場不確定性因素多，如設(shè)備故障、Buffer占用、補(bǔ)焊、插單等，導(dǎo)致APS的時(shí)效性較差，結(jié)果是有的設(shè)備閑置待料，有的設(shè)備任務(wù)溢出，需要高頻次的動(dòng)態(tài)排程，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)任務(wù)的完成。

一方面，通過對(duì)組裝、焊接、焊修、打磨、檢測(cè)的過程監(jiān)控，根據(jù)WCA系統(tǒng)的工藝路徑規(guī)劃，依據(jù)構(gòu)架調(diào)度與工位分配計(jì)劃，將任務(wù)“推”送給相關(guān)的設(shè)備；另一方面，各設(shè)備根據(jù)完工情況，輪詢下一可加工的各個(gè)物料的位置與狀態(tài)，鎖定下一物料，“拉”動(dòng)物料執(zhí)行與配送；同時(shí)，根據(jù)焊修、插單等異常，通過看板“推”送物料到指定工位。

根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，將任務(wù)發(fā)布到組裝區(qū)，執(zhí)行“派活干”的推式物流，通過計(jì)劃優(yōu)化以便用最少的時(shí)間完成當(dāng)日的任務(wù)計(jì)劃。

推式物流執(zhí)行模式?jīng)]有考慮后續(xù)設(shè)備的完工狀況，有可能導(dǎo)致后面工序設(shè)備（如焊接機(jī)器人）有的能力閑置待料，有的負(fù)荷過載而物料排隊(duì)等待的情況。

推式物流是“派活干”，那么拉式物流則是根據(jù)設(shè)備的完工狀況“搶活干”，即當(dāng)前工作完成后，立刻向存料臺(tái)（Buffer）輪詢叫料，并驅(qū)動(dòng)RGV把待加工物料運(yùn)過來。

式中，R為1,2,……r。

設(shè)定推拉模式下的兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)：①所有工序的總耗時(shí)最少；②總完工時(shí)間最短。采用NSGA-Ⅱ（二代非支配排序遺傳算法）的多目標(biāo)遺傳算法，可以實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化。

3.5 基于高維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的設(shè)備健康預(yù)測(cè)與異常診斷

構(gòu)架基材為中厚板，型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且焊接機(jī)器人也存在精度退化、故障頻發(fā)、質(zhì)量異常的問題，要保障焊接效率與質(zhì)量，并提高整個(gè)產(chǎn)線的高適應(yīng)性和高柔性，需要對(duì)焊接裝備開展健康預(yù)測(cè)與健康檢測(cè)。

焊接機(jī)器人的采集數(shù)據(jù)具有高維高密異構(gòu)的特征。一是采集包括機(jī)器人和焊機(jī)的本體數(shù)據(jù)，如結(jié)構(gòu)（末端執(zhí)行器、關(guān)節(jié)、機(jī)座以及連接桿件）、驅(qū)動(dòng)（伺服電機(jī)和減速器）、感知（內(nèi)部和外部傳感器）、控制（運(yùn)動(dòng)控制器和驅(qū)動(dòng)控制器）等幾個(gè)基本維度的數(shù)據(jù)；二是采集非侵入式傳感數(shù)據(jù)，如外接功率、電流、電壓等傳感器、結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器等；三是獲取焊接工藝文件（工藝參數(shù)、路徑規(guī)劃）的當(dāng)前執(zhí)行過程數(shù)據(jù)。

在對(duì)上面的三類基本數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的基礎(chǔ)上，結(jié)合焊接機(jī)器人的失效模式、失效表象、失效成因、失效影響，對(duì)外部成因、本體性能、工藝參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，通過振動(dòng)、聲音、電流、扭矩等工作過程信號(hào)，建立基于健康評(píng)估的評(píng)價(jià)模型，采用人工智能算法對(duì)發(fā)生異常的設(shè)備進(jìn)行深度健康評(píng)估與預(yù)測(cè)。健康診斷與異常預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)模型圖如圖6所示。

圖6 健康診斷與異常預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)模型圖

基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與模型學(xué)習(xí)，建立設(shè)備典型故障數(shù)據(jù)庫、焊接質(zhì)量異常數(shù)據(jù)庫，通過高維高密度數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)，采用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備的健康狀況、焊接異常，能力與效率，優(yōu)化策略以及能力預(yù)測(cè)，為拉動(dòng)式排程提供依據(jù)。同時(shí)根據(jù)不同異常狀態(tài)，設(shè)立分級(jí)應(yīng)急管理機(jī)制，包括緊急停機(jī)、人工干預(yù)、遠(yuǎn)程預(yù)警等。

3.6 基于微服務(wù)架構(gòu)的邊緣側(cè)云邊業(yè)務(wù)協(xié)同

采用基于微服務(wù)架構(gòu)的模式，有效拆分ERP、MES、SCM等大型系統(tǒng)中面向焊接產(chǎn)線的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)構(gòu)架焊接成型產(chǎn)線業(yè)務(wù)的邊緣側(cè)敏捷開發(fā)和部署。微服務(wù)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 微服務(wù)架構(gòu)圖

通過邊緣交換把各工位設(shè)備、傳感器、視頻攝像頭、PLC控制器、智能網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換盒子連接起來，分配固定IP，統(tǒng)一地址管理?；?G的設(shè)備邊緣側(cè)AI-BOX（邊緣服務(wù)器）實(shí)現(xiàn)工位的資源管理、算力調(diào)度、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、應(yīng)用下發(fā)等解決方案，將中心云的彈性計(jì)算下沉至邊緣，提高運(yùn)維效率，減小運(yùn)維成本。

邊緣側(cè)業(yè)務(wù)主要實(shí)現(xiàn)工位的運(yùn)管維一體化，業(yè)務(wù)涉及MES/APS、DNC/MDC、PHM、EHS、LES、PTC。

1）安全：視頻分析人員串崗、倚靠、跌倒等不安全不規(guī)范行為動(dòng)作，以及起火等異常；

2）調(diào)度：開工完工報(bào)送給MES；訂單任務(wù)下發(fā)到 工位；

3）物流：設(shè)備叫料請(qǐng)求，MES訂單下發(fā)，RGV任務(wù)與調(diào)度，拉動(dòng)構(gòu)架精準(zhǔn)配送；

4）生產(chǎn)：來料RFID識(shí)別、判斷防錯(cuò)、工位上料，調(diào)用焊接工藝程序；

5）健康：狀態(tài)、稼動(dòng)率、焊機(jī)異常、設(shè)備異常；

6）集控：工位數(shù)字孿生、現(xiàn)場概覽、異常反饋與停機(jī)處置。

3.7 構(gòu)建基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)過程透明化集控模式

通過建立三維數(shù)字孿生生產(chǎn)線平臺(tái)，將機(jī)器人三維高精度數(shù)字模型、工藝流程、物流路徑、傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備屬性以及運(yùn)營管理數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合，直觀地展示生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程，與生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的遠(yuǎn)程化管理控制。

數(shù)字化建模：采用CAD、3DMax和Unity3D等工具軟件，對(duì)焊接機(jī)器人物理現(xiàn)場進(jìn)行輕量化建模、運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系定義、模型渲染，最終搭建焊接機(jī)器人虛擬仿真環(huán)境。

數(shù)據(jù)集成管理：對(duì)焊接機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與管理，包括外部數(shù)據(jù)刷新、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、數(shù)據(jù)請(qǐng)求響應(yīng)等，數(shù)據(jù)類型包括機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)行速度、轉(zhuǎn)角、電流、溫度，焊接電流、電壓，工單信 息等。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)定義：定義符合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)范和主隨動(dòng)關(guān)系，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，精確得到數(shù)字空間與物理空間完全匹配的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)。

監(jiān)控視角模塊：跟隨視角、固定對(duì)象視角、自由視角等，對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行多視角可視化監(jiān)控。

狀態(tài)顯示模塊：通過在三維模型上交互式動(dòng)作觸發(fā)，以懸浮標(biāo)主信息框方式顯示焊接機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)信息，包括關(guān)節(jié)信息、工件信息、焊接信息。

機(jī)器人健康管理模塊：建立機(jī)器人典型故障數(shù)據(jù)庫，顯示機(jī)器人故障類型和代碼、發(fā)生頻次，和維護(hù)保養(yǎng)信息管理和預(yù)警。

焊接生產(chǎn)信息管理模塊：當(dāng)前機(jī)器人工作狀態(tài)、工件工單信息、累計(jì)工作時(shí)長、周生產(chǎn)信息、月生產(chǎn)信息等。

4 構(gòu)架組焊磨測(cè)柔性化生產(chǎn)線應(yīng)用驗(yàn)證

中車四方B5-3是一條高速動(dòng)車組關(guān)鍵零部件構(gòu)架焊接生產(chǎn)線，生產(chǎn)綱領(lǐng)日產(chǎn)3輛車構(gòu)架，主要由焊接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)、物流自動(dòng)輸送系統(tǒng)RGV、自動(dòng)組裝系統(tǒng)、自動(dòng)焊接系統(tǒng)、自動(dòng)打磨系統(tǒng)、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組成。共包含224個(gè)工位，共470臺(tái)位。組裝、點(diǎn)焊、拼焊、打磨、焊修和檢測(cè)等工藝分別在組焊區(qū)、緩存區(qū)、物流區(qū)和機(jī)器人焊接區(qū)、打磨區(qū)完成。

經(jīng)過上述智能制造技術(shù)與模式模式的實(shí)施，目前該線側(cè)梁外體焊接時(shí)間4.5h/根，橫梁焊接時(shí)間平均4.5h/根，構(gòu)架（外環(huán)）焊接時(shí)間節(jié)省平均較人工焊接節(jié)省8 h。

此柔性線自投入使用以來，產(chǎn)線已完成復(fù)興號(hào)動(dòng)車組、各類型地鐵在內(nèi)數(shù)百列車輛生產(chǎn)任務(wù)，包括A型地鐵、SDB80地鐵、SW-220K車型的轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品。同時(shí)，并行混線生產(chǎn)時(shí)機(jī)械手夾具、存料臺(tái)須通用，也能進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的兼容生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

面向準(zhǔn)黑燈化的焊接生產(chǎn)線柔性智能制造新模式，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)作業(yè)區(qū)域的動(dòng)態(tài)組合和柔性成線，達(dá)到了生產(chǎn)線無人、作業(yè)區(qū)域少人、準(zhǔn)備時(shí)間減少、作業(yè)效率高的目的。該成果符合面向訂單驅(qū)動(dòng)下的復(fù)雜零件制造、多干擾因素下物流精益化配送和智能調(diào)度等業(yè)務(wù)場景，可以在工程機(jī)械、船舶等行業(yè)應(yīng)用推廣。