機車檢修扭矩控制智能管理系統的研究

陳立剛　中國鐵路上海局集團有限公司上鐵機務綜合開發有限公司

1 問題的提出

當前機務系統檢修工作中對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，質檢員抽檢，人工臺帳記錄的模式。該模式存在以下問題：

（1）數據為人工采集，可能存在誤報、瞞報等現象，人為因素影響較大。

（2）普通扭矩扳手無法識別螺紋錯牙等問題，存在假擰緊的可能，有事故隱患。

（3）質檢員檢測手段原始，無法直接對螺栓最終鎖緊情況進行檢測，存在誤判的可能；同時，質檢員無法對每一顆螺栓進行抽檢，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，同時管理人員對于當前具體工作狀態無法了解，無法進行精益管理。

（5）整個螺栓鎖緊過程中無法為檢修大數據提供可信的數據。

在機車檢修作業過程中，大量的螺栓拆解、組裝工作是要點，根據機車檢修工藝要求，螺栓鎖緊過程中操作者施加的扭矩均有明確要求。《中國鐵路總公司關于和諧型機車C4及以下修程工裝設備配置的指導意見》（鐵總運[2015]211號）文件中，明確指明工裝設備配置的原則，其中要求工裝設備需要有數據自動采集、網絡傳輸功能，以形成部件數據庫，實現對數據的管理；同時要求數據檢修，量值修車，要求完善量值化智能工裝設備及配套的機具，深化量值修車理念，實現和諧型機車部件精準檢修。在《和諧型機車C4及以下修程工裝設備明細表》中明確了扭矩控制管理系統是C4及以下修程均需配置的工裝設備。

為解決機務檢修工作更高的需求和管理人員對職工管理的受控需要，提高檢修工作效率，保障機車安全，我們將研究通過信息化手段實時記錄檢修人員螺栓鎖緊工作情況，管理人員在后端平臺能隨時查閱檢修記錄，實現對檢修過程進行有效監督和有序可控，提高檢修職工標準化作業水平，提高機車檢修質量，為行車安全起到良好的保障作用。

2 研究設想

2.1 研究目標

機車檢修扭矩控制智能管理系統研究將采用現代通信、計算機技術及工業控制技術，根據機務系統檢修工作的特點進行軟件開發，由智能工具在鎖緊螺栓的同時自動采集數據，通過通訊網絡上傳到系統服務器并保存在SQL數據庫中，管理人員可以隨時訪問數據庫查詢數據。將檢修的各種工藝預設定到系統中，實現工作內容的標準化，智能工具可從系統接收標準工序的指令，無需操作者對工具進行設置，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，內置傳感器及網絡傳輸功能，并根據機務檢修工作要求進行編程、改造，使能實現系統要求。

軟件系統設計采用先進技術，如SOA構架/構件技術、PLC控制、數據存儲及數據管理、WebService技術、數據標準及規范化技術、面向對象的數據庫設計技術、軟件開發和集成平臺技術，選擇先進的開發工具和環境等。

系統穩定、安全、可靠，用戶界面友好、方便使用。

2.3 研究內容

（1）人員及權限的管理，包括權限的分級管理、人員與對應權限設置功能。

（2）工作內容的記錄，包括操作者名字、作業時間、使用工作站點名、使用的工具、螺栓名稱、部件號、車號、車型、修程、工藝要求、最終鎖緊結果等。

（3）數據自動上傳、保存，所有工作站采集的數據按照一定格式上傳至系統服務器，同時在本機保存。

（4）數據查詢功能，根據管理要求，實現對數據的查詢功能。

（5）系統采用C/S結構，便于增加系統工作站點。

（6）數據可供其他系統調用。

3 研究方案

3.1 系統結構（圖1）

智能工具在鎖緊的同時，將鎖緊數據自動發送到控制器并保存在工位主機上，工位主機實時將數據上傳至系統服務器。管理人員可隨時通過計算機訪問服務器查詢數據。

3.2 系統采用的主要技術

本系統內的智能工具主要采用了伺服電機加傳感器控制技術實現雙向控制及數字自動采集。

（1）伺服電機技術。

（2）傳感器控制技術。系統采用的智能工具加裝了高精度扭矩傳感器及高精度的數字化陀螺儀，扭矩傳感器可達到±1%精度，數字化陀螺儀可達到±1%的角度精度。扭矩傳感器監控輸出扭矩，而陀螺儀用于檢測鎖緊過程中螺栓轉動角度，這兩者結合起來不僅可以實現對于扭矩的精確控制（系統精度可達到±3%），還可以識別錯牙、脫扣、重復鎖緊等裝配錯誤。當工作時，工具不光監測實時輸出扭矩，同時也在監測螺栓旋轉角度。如果在達到目標扭矩時，螺栓旋轉角度也在合理范圍內，則工具判定當前螺栓鎖緊合格，傳回合格數據并準備進行下一顆螺栓鎖緊；如果在工具輸出扭矩達到目標扭矩范圍時，螺栓旋轉角度不處于正常范圍，則扳手也會判定當前鎖緊不合格，并根據具體角度數值來判定錯誤類型，給出相應的提示信息。同樣，對于已編制好的工序（工序指系統中設定好的一組連續鎖緊的螺栓，可以是同規格螺栓，也可以是不同規格螺栓），工具會監測記錄完成鎖緊的數目，監測到重復鎖緊情況也會發出警報，直到工序中所有螺栓均被合格鎖緊，工具才會向系統發出工序完成的信號。

3.3 系統組成

該系統主要由工作站、系統服務器組成。

3.3.1 工作站

工作站作為智能工具的承載平臺，為智能工具提供數據連接、控制系統及扭矩控制系統客戶端軟件，接收并保存工具傳回的工作數據，同時將工作數據向系統服務器上傳。

3.3.2 系統服務器

系統服務器作為系統的核心，接收各工作站發回的工作數據并儲存在SQL數據庫中。提供查詢端口供管理人員遠程訪問，查詢數據。提供數據接口供外部系統調用數據。

3.4 系統功能設計

3.4.1 人員權限管理

針對不同的使用者，設定不同級別的權限。操作者僅可調用系統預支的螺栓工藝下發到工具，輸入車號、部件號等內容，無法改變工藝設置以及結果數據；管理者可以查詢數據；系統管理員可以對工藝及系統設置進行修改。

3.4.2 鎖緊工藝設置及調用

根據機車檢修工藝要求，可預先設置不同的工藝到系統中以備操作者調用。設置好的工藝可以被直接下發到指定的工具中，而無需人工對工具進行設置。工藝調用可以由操作者在工作站主機屏幕上選擇，可以通過掃碼槍掃描工序條碼調用。

3.4.3 操作提示功能

鎖緊工藝指令下發到工具后，工作站主機屏幕會顯示當前在進行的工作內容、鎖緊要求及部件圖片作為給操作者的工藝指導書及提示，部件圖片上會明確標出需鎖緊的螺栓及順序。3.4.4故障檢測及提示功能

系統會自動監測鎖緊過程中的錯誤，如螺紋錯牙、螺栓打滑、漏擰、重復鎖緊等，并在工具及工作站主機上發出警報，提示操作者。

3.4.5 數據上傳、儲存功能

工作數據由工具自動采集、自動上傳至工作站主機，在工作站主機保存，同時上傳至系統服務器。

3.4.6 查詢功能

操作者可在本地查詢該工作站完成的鎖緊數據，管理者可通過計算機遠程訪問服務器，查詢所有工作站上傳的數據。

3.4.7 支持外部數據調用

系統可以提供接口，供其他系統調用數據。

3.3.8 報表打印功能

可按照管理要求，輸出報表，報表格式可調。

3.4.9 擴展功能

可以增加工作站而無需對服務器端做大的變更。

4 系統特點

（1）系統核心是鎖緊數據自動采集、保存、查詢以及鎖緊工藝的標準化。

（2）智能工具通過內置傳感器，自動采集鎖緊數據并上傳，整個數據產生至保存過程中均無人為因素影響，保證了數據的可信性，為量值修車及精益管理提供了可靠數據基礎。

（3）工藝設置自動下發到工具，減去了操作者按照工藝要求對工具進行調整的步驟，提高了效率及準確性。同時，無需質檢員對部件進行抽檢，減少了環節，提高效率。采用電動智能裝配工具，提高工作效率，減輕了工人勞動強度。

（4）采用機架式服務器，保證全天候穩定運行。

（5）支持多種網絡接入，提供靈活的無線傳輸方案。

（6）提供二次開發接口，可擴展USB、串口、網口等，方便接入專業業務模塊以適應工作需要。

（7）工業化設計，現場工作站電腦及工具均可適應工業環境長時間使用。

5 系統試用情況

機車檢修扭矩控制智能管理系統從2016年4月起先后在集團公司南京東、合肥機務段檢修車間投入試用，分別用于機車輪對軸端螺栓和端蓋螺栓的擰緊。該系統在南京東、合肥機務段歷時一年多的試用情況：

（1）通過使用扭矩控制智能管理系統檢修作業機車的輪對的組裝，管理人員能實時掌握檢修人員的作業情況，作業數據自動形成EXCEL表格，便于第一時間發現問題，提高管理時效性。

（2）保證輪對檢修工作的客觀、準確、及時，實現作業前后有效監管，做到有據可查。

（3）減少檢修人員作業現場臺帳記錄，攝像監控，消除部分安全隱患，提高單人工作效率，為規范檢修作業提供依據。

（4）各項性能均已達到機車檢修數字化作業的要求，符合量值修車標準化規則，解決了原先機車檢修中螺紋裝配存在安全隱患、記錄繁瑣、管理復雜等問題，規范監督作業流程，節省人力、物力和時間，大大提高工作效率。

（5）系統穩定、安全、可靠，用戶界面友好，操控方便，實現課題組確定的研究目標和相關功能。矩扳手、液壓數字扭矩扳手及電動伺服數字扭矩扳手采用工業化設計，加裝扭矩傳感器、角度傳感器及無線發射裝置，高防護級別保證在機車檢修作業環境下穩定可靠運行，安裝精度高，使用壽命長。該系統不僅適用于鐵路機務檢修，而且能拓展到鐵路車輛、動車、供電、工務和軌道交通等裝備檢修中的螺栓緊固作業，具有良好的推廣應用前景。

6 結束語

機車檢修扭矩控制智能管理系統實現了現場檢修作業工作數據由工具自動采集、自動上傳至工作站主機，在工作站主機保存，同時上傳至系統服務器。自動統計作業情況生成作業表格，便于管理人員掌握檢修作業情況。手動數字扭矩扳手、氣動數字扭

[1]蔡春麗，柴壽臣，李寶生.基于WSNs與Lab－VIEW的扭矩測試系統設計.《傳感器與微系統》2015年第4期.

[2]牛 可.動車組三板拆裝作業扭矩控制的改進.《鐵道技術監督》2016年06期.

[3]楊坤怡.智能螺栓擰緊機自動控制系統設計.《機床與液壓》2008年04期.