陳立剛　中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上鐵機(jī)務(wù)綜合開發(fā)有限公司

1 問題的提出

當(dāng)前機(jī)務(wù)系統(tǒng)檢修工作中對(duì)于螺栓鎖緊及扭矩控制的方式普遍采用人工使用普通扭矩扳手鎖緊，質(zhì)檢員抽檢，人工臺(tái)帳記錄的模式。該模式存在以下問題：

（1）數(shù)據(jù)為人工采集，可能存在誤報(bào)、瞞報(bào)等現(xiàn)象，人為因素影響較大。

（2）普通扭矩扳手無法識(shí)別螺紋錯(cuò)牙等問題，存在假擰緊的可能，有事故隱患。

（3）質(zhì)檢員檢測(cè)手段原始，無法直接對(duì)螺栓最終鎖緊情況進(jìn)行檢測(cè)，存在誤判的可能；同時(shí)，質(zhì)檢員無法對(duì)每一顆螺栓進(jìn)行抽檢，也有漏檢不合格螺栓的可能。

（4）鎖緊及抽檢均為人工完成，效率低，同時(shí)管理人員對(duì)于當(dāng)前具體工作狀態(tài)無法了解，無法進(jìn)行精益管理。

（5）整個(gè)螺栓鎖緊過程中無法為檢修大數(shù)據(jù)提供可信的數(shù)據(jù)。

在機(jī)車檢修作業(yè)過程中，大量的螺栓拆解、組裝工作是要點(diǎn)，根據(jù)機(jī)車檢修工藝要求，螺栓鎖緊過程中操作者施加的扭矩均有明確要求?！吨袊?guó)鐵路總公司關(guān)于和諧型機(jī)車C4及以下修程工裝設(shè)備配置的指導(dǎo)意見》（鐵總運(yùn)[2015]211號(hào)）文件中，明確指明工裝設(shè)備配置的原則，其中要求工裝設(shè)備需要有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，以形成部件數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理；同時(shí)要求數(shù)據(jù)檢修，量值修車，要求完善量值化智能工裝設(shè)備及配套的機(jī)具，深化量值修車?yán)砟睿瑢?shí)現(xiàn)和諧型機(jī)車部件精準(zhǔn)檢修。在《和諧型機(jī)車C4及以下修程工裝設(shè)備明細(xì)表》中明確了扭矩控制管理系統(tǒng)是C4及以下修程均需配置的工裝設(shè)備。

為解決機(jī)務(wù)檢修工作更高的需求和管理人員對(duì)職工管理的受控需要，提高檢修工作效率，保障機(jī)車安全，我們將研究通過信息化手段實(shí)時(shí)記錄檢修人員螺栓鎖緊工作情況，管理人員在后端平臺(tái)能隨時(shí)查閱檢修記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修過程進(jìn)行有效監(jiān)督和有序可控，提高檢修職工標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)水平，提高機(jī)車檢修質(zhì)量，為行車安全起到良好的保障作用。

2 研究設(shè)想

2.1 研究目標(biāo)

機(jī)車檢修扭矩控制智能管理系統(tǒng)研究將采用現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)及工業(yè)控制技術(shù)，根據(jù)機(jī)務(wù)系統(tǒng)檢修工作的特點(diǎn)進(jìn)行軟件開發(fā)，由智能工具在鎖緊螺栓的同時(shí)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，通過通訊網(wǎng)絡(luò)上傳到系統(tǒng)服務(wù)器并保存在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，管理人員可以隨時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)查詢數(shù)據(jù)。將檢修的各種工藝預(yù)設(shè)定到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)工作內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化，智能工具可從系統(tǒng)接收標(biāo)準(zhǔn)工序的指令，無需操作者對(duì)工具進(jìn)行設(shè)置，以最大量減少鎖緊過程中的人為影響。

2.2 研究思路

選用智能工具，內(nèi)置傳感器及網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，并根據(jù)機(jī)務(wù)檢修工作要求進(jìn)行編程、改造，使能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用先進(jìn)技術(shù)，如SOA構(gòu)架/構(gòu)件技術(shù)、PLC控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)管理、WebService技術(shù)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范化技術(shù)、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)技術(shù)、軟件開發(fā)和集成平臺(tái)技術(shù)，選擇先進(jìn)的開發(fā)工具和環(huán)境等。

系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠，用戶界面友好、方便使用。

2.3 研究?jī)?nèi)容

（1）人員及權(quán)限的管理，包括權(quán)限的分級(jí)管理、人員與對(duì)應(yīng)權(quán)限設(shè)置功能。

（2）工作內(nèi)容的記錄，包括操作者名字、作業(yè)時(shí)間、使用工作站點(diǎn)名、使用的工具、螺栓名稱、部件號(hào)、車號(hào)、車型、修程、工藝要求、最終鎖緊結(jié)果等。

（3）數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳、保存，所有工作站采集的數(shù)據(jù)按照一定格式上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，同時(shí)在本機(jī)保存。

（4）數(shù)據(jù)查詢功能，根據(jù)管理要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的查詢功能。

（5）系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，便于增加系統(tǒng)工作站點(diǎn)。

（6）數(shù)據(jù)可供其他系統(tǒng)調(diào)用。

3 研究方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖1）

智能工具在鎖緊的同時(shí)，將鎖緊數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到控制器并保存在工位主機(jī)上，工位主機(jī)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。管理人員可隨時(shí)通過計(jì)算機(jī)訪問服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)采用的主要技術(shù)

本系統(tǒng)內(nèi)的智能工具主要采用了伺服電機(jī)加傳感器控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向控制及數(shù)字自動(dòng)采集。

（1）伺服電機(jī)技術(shù)。

（2）傳感器控制技術(shù)。系統(tǒng)采用的智能工具加裝了高精度扭矩傳感器及高精度的數(shù)字化陀螺儀，扭矩傳感器可達(dá)到±1%精度，數(shù)字化陀螺儀可達(dá)到±1%的角度精度。扭矩傳感器監(jiān)控輸出扭矩，而陀螺儀用于檢測(cè)鎖緊過程中螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)角度，這兩者結(jié)合起來不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于扭矩的精確控制（系統(tǒng)精度可達(dá)到±3%），還可以識(shí)別錯(cuò)牙、脫扣、重復(fù)鎖緊等裝配錯(cuò)誤。當(dāng)工作時(shí)，工具不光監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)輸出扭矩，同時(shí)也在監(jiān)測(cè)螺栓旋轉(zhuǎn)角度。如果在達(dá)到目標(biāo)扭矩時(shí)，螺栓旋轉(zhuǎn)角度也在合理范圍內(nèi)，則工具判定當(dāng)前螺栓鎖緊合格，傳回合格數(shù)據(jù)并準(zhǔn)備進(jìn)行下一顆螺栓鎖緊；如果在工具輸出扭矩達(dá)到目標(biāo)扭矩范圍時(shí)，螺栓旋轉(zhuǎn)角度不處于正常范圍，則扳手也會(huì)判定當(dāng)前鎖緊不合格，并根據(jù)具體角度數(shù)值來判定錯(cuò)誤類型，給出相應(yīng)的提示信息。同樣，對(duì)于已編制好的工序（工序指系統(tǒng)中設(shè)定好的一組連續(xù)鎖緊的螺栓，可以是同規(guī)格螺栓，也可以是不同規(guī)格螺栓），工具會(huì)監(jiān)測(cè)記錄完成鎖緊的數(shù)目，監(jiān)測(cè)到重復(fù)鎖緊情況也會(huì)發(fā)出警報(bào)，直到工序中所有螺栓均被合格鎖緊，工具才會(huì)向系統(tǒng)發(fā)出工序完成的信號(hào)。

3.3 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由工作站、系統(tǒng)服務(wù)器組成。

3.3.1 工作站

工作站作為智能工具的承載平臺(tái)，為智能工具提供數(shù)據(jù)連接、控制系統(tǒng)及扭矩控制系統(tǒng)客戶端軟件，接收并保存工具傳回的工作數(shù)據(jù)，同時(shí)將工作數(shù)據(jù)向系統(tǒng)服務(wù)器上傳。

3.3.2 系統(tǒng)服務(wù)器

系統(tǒng)服務(wù)器作為系統(tǒng)的核心，接收各工作站發(fā)回的工作數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。提供查詢端口供管理人員遠(yuǎn)程訪問，查詢數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)接口供外部系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)。

3.4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.4.1 人員權(quán)限管理

針對(duì)不同的使用者，設(shè)定不同級(jí)別的權(quán)限。操作者僅可調(diào)用系統(tǒng)預(yù)支的螺栓工藝下發(fā)到工具，輸入車號(hào)、部件號(hào)等內(nèi)容，無法改變工藝設(shè)置以及結(jié)果數(shù)據(jù)；管理者可以查詢數(shù)據(jù)；系統(tǒng)管理員可以對(duì)工藝及系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行修改。

3.4.2 鎖緊工藝設(shè)置及調(diào)用

根據(jù)機(jī)車檢修工藝要求，可預(yù)先設(shè)置不同的工藝到系統(tǒng)中以備操作者調(diào)用。設(shè)置好的工藝可以被直接下發(fā)到指定的工具中，而無需人工對(duì)工具進(jìn)行設(shè)置。工藝調(diào)用可以由操作者在工作站主機(jī)屏幕上選擇，可以通過掃碼槍掃描工序條碼調(diào)用。

3.4.3 操作提示功能

鎖緊工藝指令下發(fā)到工具后，工作站主機(jī)屏幕會(huì)顯示當(dāng)前在進(jìn)行的工作內(nèi)容、鎖緊要求及部件圖片作為給操作者的工藝指導(dǎo)書及提示，部件圖片上會(huì)明確標(biāo)出需鎖緊的螺栓及順序。3.4.4故障檢測(cè)及提示功能

系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)鎖緊過程中的錯(cuò)誤，如螺紋錯(cuò)牙、螺栓打滑、漏擰、重復(fù)鎖緊等，并在工具及工作站主機(jī)上發(fā)出警報(bào)，提示操作者。

3.4.5 數(shù)據(jù)上傳、儲(chǔ)存功能

工作數(shù)據(jù)由工具自動(dòng)采集、自動(dòng)上傳至工作站主機(jī)，在工作站主機(jī)保存，同時(shí)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。

3.4.6 查詢功能

操作者可在本地查詢?cè)摴ぷ髡就瓿傻逆i緊數(shù)據(jù)，管理者可通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，查詢所有工作站上傳的數(shù)據(jù)。

3.4.7 支持外部數(shù)據(jù)調(diào)用

系統(tǒng)可以提供接口，供其他系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)。

3.3.8 報(bào)表打印功能

可按照管理要求，輸出報(bào)表，報(bào)表格式可調(diào)。

3.4.9 擴(kuò)展功能

可以增加工作站而無需對(duì)服務(wù)器端做大的變更。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)核心是鎖緊數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、保存、查詢以及鎖緊工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）智能工具通過內(nèi)置傳感器，自動(dòng)采集鎖緊數(shù)據(jù)并上傳，整個(gè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生至保存過程中均無人為因素影響，保證了數(shù)據(jù)的可信性，為量值修車及精益管理提供了可靠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）工藝設(shè)置自動(dòng)下發(fā)到工具，減去了操作者按照工藝要求對(duì)工具進(jìn)行調(diào)整的步驟，提高了效率及準(zhǔn)確性。同時(shí)，無需質(zhì)檢員對(duì)部件進(jìn)行抽檢，減少了環(huán)節(jié)，提高效率。采用電動(dòng)智能裝配工具，提高工作效率，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）采用機(jī)架式服務(wù)器，保證全天候穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）支持多種網(wǎng)絡(luò)接入，提供靈活的無線傳輸方案。

（6）提供二次開發(fā)接口，可擴(kuò)展USB、串口、網(wǎng)口等，方便接入專業(yè)業(yè)務(wù)模塊以適應(yīng)工作需要。

（7）工業(yè)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)工作站電腦及工具均可適應(yīng)工業(yè)環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間使用。

5 系統(tǒng)試用情況

機(jī)車檢修扭矩控制智能管理系統(tǒng)從2016年4月起先后在集團(tuán)公司南京東、合肥機(jī)務(wù)段檢修車間投入試用，分別用于機(jī)車輪對(duì)軸端螺栓和端蓋螺栓的擰緊。該系統(tǒng)在南京東、合肥機(jī)務(wù)段歷時(shí)一年多的試用情況：

（1）通過使用扭矩控制智能管理系統(tǒng)檢修作業(yè)機(jī)車的輪對(duì)的組裝，管理人員能實(shí)時(shí)掌握檢修人員的作業(yè)情況，作業(yè)數(shù)據(jù)自動(dòng)形成EXCEL表格，便于第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題，提高管理時(shí)效性。

（2）保證輪對(duì)檢修工作的客觀、準(zhǔn)確、及時(shí)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)前后有效監(jiān)管，做到有據(jù)可查。

（3）減少檢修人員作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)帳記錄，攝像監(jiān)控，消除部分安全隱患，提高單人工作效率，為規(guī)范檢修作業(yè)提供依據(jù)。

（4）各項(xiàng)性能均已達(dá)到機(jī)車檢修數(shù)字化作業(yè)的要求，符合量值修車標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則，解決了原先機(jī)車檢修中螺紋裝配存在安全隱患、記錄繁瑣、管理復(fù)雜等問題，規(guī)范監(jiān)督作業(yè)流程，節(jié)省人力、物力和時(shí)間，大大提高工作效率。

（5）系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠，用戶界面友好，操控方便，實(shí)現(xiàn)課題組確定的研究目標(biāo)和相關(guān)功能。矩扳手、液壓數(shù)字扭矩扳手及電動(dòng)伺服數(shù)字扭矩扳手采用工業(yè)化設(shè)計(jì)，加裝扭矩傳感器、角度傳感器及無線發(fā)射裝置，高防護(hù)級(jí)別保證在機(jī)車檢修作業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定可靠運(yùn)行，安裝精度高，使用壽命長(zhǎng)。該系統(tǒng)不僅適用于鐵路機(jī)務(wù)檢修，而且能拓展到鐵路車輛、動(dòng)車、供電、工務(wù)和軌道交通等裝備檢修中的螺栓緊固作業(yè)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)車檢修扭矩控制智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)工作數(shù)據(jù)由工具自動(dòng)采集、自動(dòng)上傳至工作站主機(jī)，在工作站主機(jī)保存，同時(shí)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。自動(dòng)統(tǒng)計(jì)作業(yè)情況生成作業(yè)表格，便于管理人員掌握檢修作業(yè)情況。手動(dòng)數(shù)字扭矩扳手、氣動(dòng)數(shù)字扭

[1]蔡春麗，柴壽臣，李寶生.基于WSNs與Lab－VIEW的扭矩測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì).《傳感器與微系統(tǒng)》2015年第4期.

[2]牛 可.動(dòng)車組三板拆裝作業(yè)扭矩控制的改進(jìn).《鐵道技術(shù)監(jiān)督》2016年06期.

[3]楊坤怡.智能螺栓擰緊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).《機(jī)床與液壓》2008年04期.