鄂明成，文紅權(quán)，蔣增強(qiáng)，歐陽震

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

面向高鐵轉(zhuǎn)向架裝配的智能物料小車研究

鄂明成，文紅權(quán)，蔣增強(qiáng)，歐陽震

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

在深入分析轉(zhuǎn)向架車間物料配送、裝配流程與模式的基礎(chǔ)上，研究一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能物料小車及管理系統(tǒng)。首先分析轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)過程對(duì)智能物料的功能需求，接著設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物料小車的硬件配置、功能流程及管理系統(tǒng)。該智能物料小車不僅能夠簡化作業(yè)人員的工作量，提高工作效率，而且具有較高的數(shù)據(jù)處理和容錯(cuò)能力，能夠符合轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)車間的實(shí)際需求，可為轉(zhuǎn)向架裝配的工藝防錯(cuò)和物料管控問題提供解決方案。

高鐵轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)；物聯(lián)網(wǎng)；智能物料小車

隨著我國高鐵技術(shù)的飛速發(fā)展，高鐵已成為我國的“國家戰(zhàn)略”和“國家名片”。同時(shí)，嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和激烈的競爭市場(chǎng)也對(duì)我國高鐵研發(fā)和生產(chǎn)提出了更高的要求。車間物料配送作為生產(chǎn)物流的重要組成部分，是生產(chǎn)活動(dòng)順利進(jìn)行的保障[1-3]。傳統(tǒng)的企業(yè)車間物流的信息共享程度低，伴隨生產(chǎn)的信息流和物料流處于相對(duì)分離的狀態(tài)，使得相關(guān)部門獲取制造資源信息后置或丟失，防錯(cuò)能力弱[4]，導(dǎo)致難以制定實(shí)時(shí)有效的控制策略。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展[5]，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造領(lǐng)域的結(jié)合為車間物料管理提供了技術(shù)支撐[6-7]，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車間物料動(dòng)態(tài)管控成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[8-10]。鑒于此，筆者將研究一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能料箱系統(tǒng)，并通過采用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)模式和物料需求特點(diǎn)，構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下面向高鐵轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)的智能物料小車，為轉(zhuǎn)向架裝配的工藝防錯(cuò)和黑箱問題提供解決方案。

1 功能需求

根據(jù)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)過程的工藝防糾錯(cuò)和實(shí)時(shí)物料管控，該智能物料小車需要具備以下6項(xiàng)功能。

(1)安裝提示：當(dāng)新的待安裝轉(zhuǎn)向架到達(dá)工位后，小車控制器通過從制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system, MES)或條碼掃描槍獲取產(chǎn)品信息，結(jié)合產(chǎn)品物料清單(bill of material，BOM)[11]信息及物料-料箱映射關(guān)系計(jì)算每個(gè)料箱中物料的需求量，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的料箱，料箱安裝提醒(指示燈)打開，同時(shí)小車顯示屏顯示需安裝物料的數(shù)量；如有異常，則進(jìn)行報(bào)警。

(2)安裝確認(rèn)：當(dāng)物料從料箱取走并安裝后，操作人員按下安裝確認(rèn)，如果安裝數(shù)量達(dá)到該工位要求，則安裝指示燈熄滅，否則安裝指示燈仍點(diǎn)亮，安裝數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改變。如果安裝數(shù)量超過工位要求，則進(jìn)行異常報(bào)警。

(3)異常報(bào)警：在異常情況下觸發(fā)，包括剩余物料數(shù)量小于待安裝物料數(shù)量、安裝確認(rèn)數(shù)量大于許安裝數(shù)量及物料重量異常等情況。

(4)要料通知：當(dāng)物料庫存小于一定數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)可以觸發(fā)自動(dòng)要貨或者有操作員觸發(fā)要貨通知。要貨數(shù)量可以手動(dòng)輸入，也可按照默認(rèn)數(shù)量輸入。

(5)補(bǔ)料指導(dǎo)：物料配送人員將智能物料小車配送到生產(chǎn)線裝配工位，工位作業(yè)人員使用智能物料小車控制器上的掃描槍和掃描物料條碼，控制器根據(jù)綜合掃描信息自動(dòng)解析出物料所對(duì)應(yīng)的物料盒位置，并通過指示燈在料位上進(jìn)行顯示；物料配送人員根據(jù)指示燈進(jìn)行正確補(bǔ)料。

(6)到料確認(rèn)：物料到達(dá)，并根據(jù)提示正確補(bǔ)給后，工位操作人員通過到料確認(rèn)按鈕進(jìn)行補(bǔ)料確認(rèn)。

通過以上智能物料小車的功能需求分析，可以感知裝配過程中的實(shí)時(shí)狀況，有助于提高物料需求信息獲取的效率，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架裝配過程中的信息流與物料流的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)。提示、防錯(cuò)功能的實(shí)現(xiàn)，有效提高了作業(yè)人員的工作效率，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有效的物料管控。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件規(guī)劃

智能物料小車主要針對(duì)于轉(zhuǎn)向架裝配過程中的標(biāo)準(zhǔn)件、小件的線邊物料管理和控制的需求而設(shè)計(jì)的，該智能物料小車不僅采用了最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，簡化了傳統(tǒng)的集中式控制模式，實(shí)現(xiàn)了傳感器、指示燈等硬件資源與分布式終端的直接互聯(lián)和操作，還基于一定的容錯(cuò)機(jī)制，能夠較好地實(shí)現(xiàn)物料裝配提醒、裝配確認(rèn)、缺料通知及到料確認(rèn)等操作，簡化工人的操作流程和作業(yè)內(nèi)容，智能物料小車組成如圖1所示。

圖1 智能物料小車組成

(1)分布式終端：具備移動(dòng)式的數(shù)據(jù)采集、處理(計(jì)算、判斷、存儲(chǔ)等)、人機(jī)交互和一些基本的控制(主要通過控制器、物聯(lián)網(wǎng)模塊控制物料小車上的狀態(tài)指示燈和LCD顯示屏)等功能。①控制器：控制器是整個(gè)物料小車的總控系統(tǒng)，包括觸摸屏和軟件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)從MES系統(tǒng)接收工位到達(dá)轉(zhuǎn)向架類型信息(如果無法從MES系統(tǒng)獲取信息，也可采用掃描槍手動(dòng)獲取轉(zhuǎn)向架信息)，并結(jié)合自身存儲(chǔ)的“轉(zhuǎn)向架-物料-料位”映射關(guān)系，向各個(gè)智能料位發(fā)送裝配數(shù)量信息，同時(shí)控制器也負(fù)責(zé)接收料位要料請(qǐng)求，并將該信息與MES系統(tǒng)進(jìn)行交互；②數(shù)據(jù)采集：主要的采集數(shù)據(jù)包括來自MES系統(tǒng)采集的工位裝配轉(zhuǎn)向架的信息(或從掃描槍手動(dòng)獲取)、料箱傳感器數(shù)據(jù)及控制按鈕信息等；③人機(jī)交互：為工位物料裝配人員提供在線作業(yè)指導(dǎo)，如提示當(dāng)前工位需要裝配當(dāng)前料箱所對(duì)應(yīng)物料的數(shù)量和已經(jīng)安裝數(shù)量等，并可通過物料上的控制面板進(jìn)行安裝確認(rèn)、缺料通知及到料確認(rèn)等操作；④數(shù)據(jù)處理與控制：當(dāng)轉(zhuǎn)向架到達(dá)工位時(shí)，智能小車控制器從MES系統(tǒng)獲取當(dāng)前轉(zhuǎn)向架類型(或通過控制器掃描槍手動(dòng)獲取)，并結(jié)合產(chǎn)品BOM信息以及物料-料箱映射關(guān)系計(jì)算每個(gè)料箱中物料的需求量，之后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的料箱，料箱安裝提醒(指示燈)打開，并在LCD顯示屏顯示需安裝物料的數(shù)量。

(2)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)模塊：能夠連接傳感器、指示燈、按鈕等硬件資源，并通過以太網(wǎng)(如Modbus-TCP/IP、Sockets)和總線(如RS232、RS485)等常用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議與分布式終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)采用ARDUINO單片機(jī)作為智能料箱邏輯控制和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。

(3)掃描槍：獲取物料信息和轉(zhuǎn)向架信息，并傳遞給分布式終端進(jìn)行信息處理。

(4)傳感器：部署在物料位的底部，用于物料數(shù)量的實(shí)時(shí)計(jì)算，為智能料箱的容錯(cuò)功能提供基礎(chǔ)。該智能料箱采用重量傳感器。

(5)指示燈：部署在物料位的旁邊，用于提示裝配人員當(dāng)前應(yīng)該領(lǐng)取的物料庫位，同時(shí)還可以起到其他警示作用。

(6)物料位：用于容納臺(tái)套件中的不同類型物料，與傳感器和指示燈配合使用。

(7)物料箱：用于存放物料的容器，可根據(jù)物料形狀進(jìn)行訂制。

2.2 功能流程設(shè)計(jì)

按照物料小車的功能需求，主要將智能物料小車的工作流程分為物理信息映射環(huán)節(jié)(配置環(huán)節(jié))、物料領(lǐng)料和裝配環(huán)節(jié)。

(1)物理信息映射環(huán)節(jié)。①物料清單-物料位映射(動(dòng)態(tài)的)(如圖2所示)：通過動(dòng)態(tài)的配置完成物料位和物料清單的映射，使得每種類型的物料能夠分配到一種物料位，即采用一料一位的配置。②物料位-傳感器和指示燈映射(如圖3所示)：在實(shí)現(xiàn)庫位和物料配置的基礎(chǔ)上，通過物理地址映射實(shí)現(xiàn)傳感器和指示燈與物料位的映射，從而建立物料-物料位-傳感器和指示燈的三層映射關(guān)系模型，為后續(xù)領(lǐng)料裝配等功能的實(shí)現(xiàn)提供物理信息映射模型。

圖2 物料清單-物料位映射示意圖

圖3 物料位-傳感器和指示燈映射示意圖

(2)物料領(lǐng)料和裝配環(huán)節(jié)。智能小車物料領(lǐng)取和裝配環(huán)節(jié)的工作流程如圖4所示，具體包括以下3個(gè)步驟：①物料配送人員將智能物料小車配送到生產(chǎn)線裝配工位，工位作業(yè)人員使用智能物料小車控制器上的掃描槍掃描物料條碼，控制器根據(jù)綜合掃描信息自動(dòng)解析出物料所對(duì)應(yīng)的物料盒位置，之后通過指示燈在料位上進(jìn)行顯示，物料配送人員根據(jù)指示燈進(jìn)行正確補(bǔ)料，工位操作人員通過到料確認(rèn)按鈕進(jìn)行補(bǔ)料確認(rèn)；②當(dāng)新的待安裝轉(zhuǎn)向架到達(dá)工位后，工位控制器通過MES系統(tǒng)獲取待裝配轉(zhuǎn)向架類型(或通過條碼掃描槍手動(dòng)獲取)，并結(jié)合產(chǎn)品BOM信息以及物料-料箱映射關(guān)系計(jì)算每個(gè)料箱中物料的需求量，之后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的料箱，料箱安裝提醒(指示燈)打開，并在LCD顯示屏顯示需安裝物料的數(shù)量，如有異常則進(jìn)行報(bào)警；③作業(yè)人員按照指示燈拿取智能物料小車物料盒中的物料后，按下裝配確認(rèn)按鈕，物料盒底部的傳感器數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)時(shí)傳遞給智能物料小車分布式終端，用于判斷物料是否被工位作業(yè)人員按照正確數(shù)量拿走或工位作業(yè)人員是否從正確的物料盒中領(lǐng)取了正確的物料(容錯(cuò)處理)，如果不符合操作規(guī)范，則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警處理，并記錄報(bào)警信息，如符合操作規(guī)范，則當(dāng)前裝配提醒指示燈熄滅。

從整個(gè)裝配過程的物料流和信息流看，智能料箱系統(tǒng)涉及物料倉儲(chǔ)管理、人員信息管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理等模塊，以及倉儲(chǔ)部門、人力資源部門、生產(chǎn)計(jì)劃部門等部門及人員。通過硬件規(guī)劃和功能流程設(shè)計(jì)，使部門、人員之間的物料流與信息流緊密關(guān)聯(lián)，并制定實(shí)時(shí)有效的控制策略，為轉(zhuǎn)向架裝配的工藝防錯(cuò)和黑箱問題提供解決方案。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了滿足智能物料小車應(yīng)用，采用C/S(Client/Server)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Visual Studio 2010作為開發(fā)環(huán)境，C#為開發(fā)語言，Sql-Server 2008為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了智能物料小車的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、物料管理、料箱管理、過程監(jiān)控等功能模塊，系統(tǒng)部分界面如圖5所示。

上述智能物料小車和系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向架裝配車間的使用過程中，通過裝配工位、裝配BOM、裝配工藝順序及物料小車料位之間建立的映射關(guān)系，結(jié)合有效的信息獲取、傳輸和顯示技術(shù)，有效提升裝配物料信息共享、裝配過程工藝防錯(cuò)和物料管控能力，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①通過條碼掃描槍、指示燈、LCD顯示屏的協(xié)同作業(yè)，為裝配工人的裝配作業(yè)提供準(zhǔn)確的取料指導(dǎo)，包括每個(gè)取料作業(yè)所需的物料種類、位置及數(shù)量，從源頭解決錯(cuò)裝、漏裝等問題；②裝配過程中，通過物料小車配備的傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取物料消耗情況，結(jié)合工藝順序和工藝BOM，檢查物料的正確性，并反饋給裝配工藝，實(shí)現(xiàn)物料裝配的實(shí)時(shí)把控；③通過網(wǎng)絡(luò)將物料小車實(shí)時(shí)物料消耗信息傳遞至物料管理部門，實(shí)現(xiàn)裝配物料信息的部門間共享，為裝配物料的及時(shí)供給提供保障。

圖4 智能小車物料領(lǐng)取和裝配流程

圖5 智能物料小車管理系統(tǒng)的界面示例

4 結(jié)論

筆者在深入分析轉(zhuǎn)向架車間物料配送、裝配流程與模式的基礎(chǔ)上，基于先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和較為成熟的生產(chǎn)管理模式(物料的分揀、領(lǐng)料和裝配管理模式)設(shè)計(jì)了針對(duì)轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)車間的智能物料小車，新設(shè)計(jì)的智能物料小車具有移動(dòng)、物聯(lián)、高效和容錯(cuò)特性，該智能物料小車不僅能夠簡化作業(yè)人員的工作量，提高工作效率，而且具有較高的數(shù)據(jù)處理和容錯(cuò)能力，能夠滿足轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)車間的實(shí)際需求。

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ResearchonIntelligentMaterialVehicleforHigh-speedRailBogieAssemblyE

Mingcheng,WENHongquan,JIANGZengqiang,OUYangzhen

By analyzing the material distribution, assembly process and pattern of bogie assembly workshop, a kind of intelligent material vehicle and its management system are studied. Firstly, the function demand of intelligent material vehicle is analyzed, then its hardware configuration, function, process and management system are designed respectively. The intelligent material vehicle can not only simplify the workload and improve work efficiency, but also have high data processing and fault tolerance, it will meet the actual demand of bogie assembly workshop and provide a solution for mistake proofing and material control problem of bogie assembly process.

high-speed rail bogie production; internet of things; intelligent material vehicle

2095-3852(2017)06-0754-05

A

2017-07-05.

鄂明成(1968-)，男，遼寧大連人，北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)橹圃靾?zhí)行系統(tǒng)、制造系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化理論與技術(shù)研究等.

國家科技支撐計(jì)劃基金項(xiàng)目(2015BAF08B02)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)基金項(xiàng)目(2015JBM078).

TP29

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.06.021

EMingcheng:Assoc. Prof.; School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China.