徐駿升，關(guān) 欣，張新震

（山東中車同力達(dá)智能機械有限公司，濟南 250022）

0 引言

螺紋聯(lián)接裝配的精度、可靠性和質(zhì)量與車輛的安全性息息相關(guān)，將直接影響到車輛高速行駛的可靠性，甚至?xí)绊懗丝偷纳踩?。螺紋聯(lián)接的擰緊工藝是總裝生產(chǎn)線里最常見，工位分布最廣的一個工藝，擰緊結(jié)果將直接影響車輛的質(zhì)量。目前，MES等管理系統(tǒng)正在不斷的發(fā)展并應(yīng)用在實際的制造生產(chǎn)過程中，特別是汽車制造行業(yè)，然而工位級的管理系統(tǒng)目前的應(yīng)用是很少見的，高鐵制造行業(yè)更是幾乎沒有。由于裝配的數(shù)據(jù)沒有與人員信息、物料信息等相互關(guān)聯(lián)，出現(xiàn)問題后不能有效追溯質(zhì)量記錄及分析原因，現(xiàn)有技術(shù)仍采用人工操作的方式，無法實現(xiàn)物理防錯和糾錯等功能，以及裝配數(shù)據(jù)的分析，這對整車裝配質(zhì)量來說是存在隱患的。

我國智能制造的發(fā)展對螺紋裝配數(shù)據(jù)的采集管理提出了更高的要求，目前，車輛制造商普遍對擰緊設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用需求，本文提出了針對于工位級螺紋裝配數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研發(fā)，重點打造的集合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、SPC分析、無線通信技術(shù)于一體基于工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)的MES標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

目前，在工業(yè)擰緊數(shù)據(jù)的采集與分析領(lǐng)域，主要以Atlas旗下的Synatec為代表，Synatec提供用于改善制造型企業(yè)的車間運營靈活性和生產(chǎn)質(zhì)量的產(chǎn)品和解決方案、操作指導(dǎo)以及數(shù)據(jù)收集與分析[1]，該系統(tǒng)與Atlas系列產(chǎn)品結(jié)合，使用成本非常高，在國內(nèi)只有北京現(xiàn)代進(jìn)行了試點應(yīng)用。國內(nèi)目前尚無專業(yè)從事擰緊裝配數(shù)據(jù)的相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的企業(yè)，隨著國家智能制造戰(zhàn)略的提出，近兩年逐漸有企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域，但尚未發(fā)現(xiàn)市場應(yīng)用。

本文結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)及軟件開發(fā)技術(shù)，開發(fā)支持Open protocol開放協(xié)議，開發(fā)以太網(wǎng)下軟件接口；通過多線程、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的應(yīng)用，解決多點同步數(shù)據(jù)采集與訪問問題；通過SPC分析，設(shè)計強大的標(biāo)準(zhǔn)化分析系統(tǒng)；通過無線通訊技術(shù)的應(yīng)用，解決無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性問題。

1 設(shè)計任務(wù)及目標(biāo)

1.1 功能特性

本系統(tǒng)是針總裝生產(chǎn)線作業(yè)過程中的螺紋擰緊而設(shè)計開發(fā)的裝配安全控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)組裝工藝流程的管理，裝配數(shù)據(jù)、扭力值、零部件信息、人員信息的自動采集、裝配質(zhì)量的記錄和可追溯，實現(xiàn)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、工藝目視化，實現(xiàn)物理防錯和糾錯等功能，以及裝配數(shù)據(jù)的分析。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)點

1）模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)靈活軟硬件配置 功能；

2）實現(xiàn)模塊化系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析、無線傳輸、數(shù)據(jù)追溯、操作終端、作業(yè)指導(dǎo)、預(yù)警顯示等功能為一體；

3）實現(xiàn)多種接口，可以無縫連接控制外接設(shè)備，包括高精度擰緊槍、二維碼識別、打卡器、報警燈等；

4）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化作業(yè)指導(dǎo)；

5）集成uwb技術(shù)實現(xiàn)工具定位；

6）與上游信息系統(tǒng)PDM、MES等通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)兼容多種接口。

2 總體設(shè)計方案

工位級螺紋裝配數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基于工業(yè)4.0概念，系統(tǒng)功能框架借鑒工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[2]，結(jié)合成熟軟件開發(fā)技術(shù)而設(shè)計的集數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)分析、無線傳輸、數(shù)據(jù)追溯、MES終端、作業(yè)指導(dǎo)、預(yù)警顯示等功能為一體的數(shù)據(jù)采集智能管理平臺。

系統(tǒng)兼顧各種工作條件，具備實時采集生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、本地自動存儲、數(shù)據(jù)無線傳輸、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、即時顯示、不合格確認(rèn)處理、系統(tǒng)報警等功能的網(wǎng)絡(luò)智能數(shù)據(jù)管理設(shè)備。設(shè)計專用的數(shù)據(jù)采集終端，集成工控機、掃描槍、報警燈等功能，以標(biāo)準(zhǔn)吊掛安裝方式，形成標(biāo)準(zhǔn)的工位設(shè)備。

設(shè)計可滿足裝配線現(xiàn)場應(yīng)用的無線系統(tǒng)方案，遠(yuǎn)端設(shè)計服務(wù)器，以Visual Studio軟件框架為基礎(chǔ)，開發(fā)系列軟件。系統(tǒng)針對人工智能裝配站設(shè)計開發(fā)，通過工藝指導(dǎo)，數(shù)據(jù)錄入等人機交互方式實現(xiàn)對裝配過程的管理指導(dǎo)。

2.1 機械結(jié)構(gòu)詳細(xì)方案

工作站整體布局如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)化支架采用鋁型材加工制作，將擰緊工具、掃描槍、觸摸屏、報警燈等部件集成為一體，懸掛安裝于現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)上；結(jié)構(gòu)緊湊，方便使用。

2.2 電氣控制系統(tǒng)詳細(xì)方案

電氣控制系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)以無線或有線以太網(wǎng)方式組成車間級的局域網(wǎng)絡(luò)，通過服務(wù)器集中進(jìn)行管理。在各操作端設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的工作站，工作站以型材作為安裝框架，將工控機、掃描槍、工具等集成到工作站中。

系統(tǒng)設(shè)計形成標(biāo)準(zhǔn)化的裝配工作站，該工作站包含標(biāo)準(zhǔn)化支架、工控機、掃描槍、報警燈、打卡器，采用人臉和IC卡識別技術(shù)，具備身份識別功能，報警燈為操作者在裝配過程中提供視覺和聽覺反饋，避免漏打、錯打和重打的發(fā)生，具備wifi功能可以實現(xiàn)工具數(shù)據(jù)實時采集，并設(shè)計具有MES接口可實現(xiàn)與MES等上游信息系統(tǒng)無縫對接。

2.3 軟件系統(tǒng)詳細(xì)方案

軟件分為工位端軟件與服務(wù)器端軟件兩部分：工位端主要實現(xiàn)操作指導(dǎo)、人機交互、硬件控制等功能；服務(wù)器端實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、分析、工藝管理等功能。軟件具有功能模塊如下：

2.3.1 用戶管理控制

系統(tǒng)對用戶實行多級權(quán)限管理，按功能劃分為：系統(tǒng)管理員-用戶管理及權(quán)限劃分；系統(tǒng)工藝員-工藝修改及錯誤確認(rèn)；系統(tǒng)操作員-組裝操作。系統(tǒng)同時支持兩個操作員并行操作，操作員使用系統(tǒng)過程如圖3所示。

圖3 安裝作業(yè)指導(dǎo)

2.3.2 作業(yè)流程管理

作業(yè)任務(wù)通過服務(wù)器或mes下發(fā)進(jìn)行排產(chǎn)，通過條碼槍描零部件二維碼，系統(tǒng)操作程序自動比對，系統(tǒng)檢測通過后可繼續(xù)操作，否則不能繼續(xù)進(jìn)行，并報警提示，比對成功后進(jìn)入可視化作業(yè)指導(dǎo)界面，實時采集作業(yè)結(jié)果與uwb基站返回的定位數(shù)據(jù)，位置與擰緊結(jié)果合格后當(dāng)前位置標(biāo)記綠色已完成，指針指向下一作業(yè)部位。

表1 軟件功能模塊

作業(yè)流程可分為多級架構(gòu)，系統(tǒng)可由具有權(quán)限的工藝人員進(jìn)行配置，配置多個項目，項目下配置多個工序，每個工序可配置多個工步，具體工步如螺栓擰緊按照工藝要求編輯每個擰緊螺栓步驟的扭矩等信息及位置信息。

圖4 系統(tǒng)操作流程圖

圖5 工藝編輯流程

系統(tǒng)對操作員組裝過程提示通過液晶屏完成。具體功能如下：提示所需工具類型及編號；顯示當(dāng)前組裝工位信息，組裝已完成部分與未完成部分通過狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分；顯示當(dāng)前狀態(tài)：扭矩、操作者、物料號等信息；提示當(dāng)前作業(yè)任務(wù)，按設(shè)定順序進(jìn)行提示；支持多用戶同時操作。

系統(tǒng)具有分步擰緊功能，可根據(jù)具體作業(yè)需求，實現(xiàn)某設(shè)備的緊固螺栓進(jìn)行分步擰緊。

2.3.3 工具工藝管理

工藝人員可以對系統(tǒng)使用的工具進(jìn)行管理，對工藝進(jìn)行編輯界面，采用人機交互式提示界面，操作簡易方便，此功能可設(shè)置具體部件的實際裝配工藝，設(shè)定每一個步驟的扭矩范圍、螺栓規(guī)格、螺栓總數(shù)、工具、套筒等信息。

2.3.4 異常流程管理

當(dāng)遇到特殊情況時，系統(tǒng)具有多種異常處理方式，可辦理特殊放行、異常下線、例外轉(zhuǎn)序、返工返修、加改工步等，如圖6所示。

圖6 異常處理流程

2.3.5 數(shù)據(jù)采集追溯

系統(tǒng)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時寫入到數(shù)據(jù)庫中，并提供按時間（年、月、周、日）、工作站、工具、操作者、合格狀態(tài)、工件等條件的組合查詢功能，查詢到的結(jié)果可導(dǎo)出為PDF格式和直接打印，對于未完工的產(chǎn)品不允許生成與打印報告，報告中包含二維碼。系統(tǒng)通過調(diào)用比對扳手?jǐn)?shù)據(jù)緩存，保證數(shù)據(jù)可靠性。對數(shù)據(jù)庫加密，任何用戶無法進(jìn)行數(shù)據(jù)刪除操作。

2.3.6 服務(wù)器平臺

系統(tǒng)通過服務(wù)器可實現(xiàn)工位級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及設(shè)備統(tǒng)一管理，服務(wù)器選擇企業(yè)級系統(tǒng)架構(gòu)JAVAEE，通過Tomcat發(fā)布，采用高效的SSM框架，由MAVEN管理項目所需的jar包。瀏覽器客戶端采用Bootstrap框架開發(fā)[4]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫選擇SQLSERVER2015，結(jié)合SQL語言，軟件設(shè)計B/S結(jié)構(gòu)通過ie瀏覽器和其他主流游覽器，實現(xiàn)對車間設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并對擰緊數(shù)據(jù)進(jìn)行SPC統(tǒng)計分析。

圖7 曲線分析

3 結(jié)語

系統(tǒng)設(shè)計完成后形成模塊化軟件系統(tǒng)，主要針對當(dāng)前在汽車、鐵路行業(yè)，對新上線設(shè)備對數(shù)據(jù)的采集管理功能需求而開發(fā)設(shè)計，形成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)組裝工藝流程的管理，裝配數(shù)據(jù)、扭力值、零部件信息、人員信息的自動采集、裝配質(zhì)量的記錄和可追溯，實現(xiàn)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、工藝目視化，實現(xiàn)物理防錯和糾錯等功能，以及裝配數(shù)據(jù)的分析，形成集數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)追溯、操作終端、作業(yè)指導(dǎo)、預(yù)警顯示等功能為一體的智能管理平臺。

圖8 實際效果圖