基于物聯網的構架加工數字化生產線建設實踐

山榮成

摘要：本文介紹了大型加工數字化生產線建設的必要性，針對高速列車構架加工生產線數字化建設研究了RFID、機器視覺、負載監測等物聯網技術工程應用，闡述了生產線數字化解決方案。通過在青島四方的實踐證明，本文的研究對于在軌道交通裝備制造行業中推廣應用智能制造技術具有一定的借鑒意義。

Abstract： This paper introduces the necessity of the construction of large obejct digital processing production line， studies the application of Internet of things technology such as RFID， machine vision， load monitoring and so on for the construction of high-speed train frame digital processing production line， and expounds the digital solution of production line. Through the practice in Qingdao Sifang， the research of this paper has certain reference significance for the promotion and application of intelligent manufacturing technology in the rail transit equipment manufacturing industry.

關鍵詞：物聯網;RFID;機器視覺;負載監測

Key words： Internet of Things;RFID;machine vision;load monitoring

中圖分類號：TP391.44 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0261-03

0 ?引言

為推進中國制造2025[1]，工信部2016年組織實施了“智能制造綜合標準化與新模式應用”系列項目，中車青島四方股份公司承擔了“高速動車組關鍵零部件智能制造新模式應用項目”的實施。在中國制造2025的大環境下，數字化、網絡化、智能化日益成為未來軌道裝備制造業發展的主要趨勢[2]。構架是高鐵關鍵零部件，用于承載車體重量，向車輪、車體傳導牽引動力，對加工精度要求較高。依據國家戰略和自身需求，企業開展智能制造應用助力轉型升級。

1 ?生產線物聯網建設需求

大型構架加工設備具有自動加工、自動更換工作臺、自動更換主軸頭等功能，因工件尺寸大、重量大、加工周期長，設備采用雙工位配置，一直以來，構架加工生產線均采用單機控制，每臺設備每班配備2名操作人員，刀具壽命仍采用人工查看的原始方法，缺少刀具壽命的基礎數據積累和刀具壽命的技術研究，數控程序調用、異常監測、刀具更換、設備運行均靠人員控制對人依賴較大，關鍵設備利用率較低，導致大型加工中心自動化加工難以發揮優勢，設備操作人員需求量大。

隨著射頻識別RFID[3]、智能傳感、5G[4]、人工智能AI[5]、機器人、物聯網[6]（Internet of Things，IoT）、大數據等技術的不斷成熟，對既有生產線實施數字化改造成為企業轉型主要路徑。聚焦“質量、效率、效益”提質增效，發揮數字化效能，利用復雜的后臺技術支撐，實現前臺簡單操作，實現一人多機控制，降低人員對構架加工過程的影響，成為工程技術人員急需解決問題。

操作者僅上下料、更換刀片、異常處理，為實現一人多機控制，在應用層面需解決以下問題：

①構架加工完成后，可自動交互工作臺，自動加工。

②自動識別構架型號，調用相關數控程序，有保障措施，確保調用程序可靠。

③加工過程實時監測，在刀具磨損時，自動停機，并給操作者報警，刀具壽命由系統管理。在操作者離開后，設備穩定運行，由系統保障制造過程安全。

④設備異常或暫停后，可向操作者發送相關信息，異常處理完成后可恢復上線，實現智能人機交互。

⑤具有人機交互任務派發、執行、反饋、關閉功能，實現2～3人操作6臺以上設備能力。

2 ?生產線數字化建設方案

堅持問題導向，通過物聯網技術應用，將以操作者為主體保證加工質量變革為由系統管控，減少人員對制造過程參與，采用人機交互模式，實現異常快速處置。

通過機床聯網、RFID在線自動識別、設備自動控制技術研究應用，實現系統自動識別構架、自動調用數控程序、自動交換工作臺、自動加工、設備在線監控、人機實時交互、三坐標檢測數據自動讀取、加工過程數據實時采集、自動形成質量報表。通過加工過程設備狀態實時采集、設備扭矩的實時監測、視頻監控集成應用，建設集中控制中心，實時監控構架加工異常。通過移動終端應用，系統實時發布加工過程人員任務和系統異常，實現人機實時交互控制。（圖1）

3 ?數字化系統集成應用

3.1 設備聯網集成

利用以太網接口，現場數控設備通過接口協議進行連接，獲取設備狀態參數和加工過程中的工藝參數，從而實現對于車間生產狀態的掌控。實時采集生產設備程序運行的開始、結束信息、設備運行狀態信息（斷電、開機、運行、空閑、報警等）、系統狀態信息（編輯、手動、運行、MDI等），設備所有報警信息（設備錯誤、系統錯誤、操作提示等）、程序運行內容（程序號信息、程序段信息、各種坐標值數據）、刀具/設備參數表、設備的實時坐標信息、主軸功率等。通過構建基于以太網的車間專用網絡，全面實現機床的網絡管理與信息監控，機床由以前的獨立存在轉變為整個工廠的網絡節點，實現數控機床的完全信息化管理[7]。

3.2 RFID在構架加工集中控制中的應用

采用RFID自動識別構架型號的方式，在待加工工位、加工工位、裝卸工位分別設置RFID芯片讀寫裝置，實現構架自動識別，在構架交換至加工位時，自動下載數控程序，實現無人操作。

3.3 基于特征識別的構架防錯技術研究

在構架待加工工位設置光學識別裝置，當待加工的構架特征與構架上RFID信息不匹配時，防錯識別系統能夠自動識別，并報警提示，中斷自動下載數控程序，避免因RFID數據和構架不匹配造成設備事故。（圖3）

3.4 負載在線監測技術研究

在切削加工過程中，當刀具發生破損時，刀刃狀態的改變會引起切削力矩發生變化，從而導致機床主軸功率發生改變，因而通過監控加工過程中機床主軸功率就可以監控刀具的狀態[8]。

通過對構架加工設備，加裝傳感器、數據采集模塊，實時檢測設備主軸的負載、電流的變化情況，通過正常學習負載情況，在負載曲線上增加公差帶，在刀具磨損或崩刃后，負載超出預設公差，設備自動停機，避免無人操作，設備、刀具、工件風險。

3.5 基于任務調度的移動應用技術研究

開發了基于B/S架構的移動應用系統，在手持PAD上實時顯示設備運行、暫停、異常信息，實時提示人機交互作業任務，操作人員接收任務后，系統自動記錄人員信息，在設備啟動后系統自動關閉任務，實現人機交互模式下的任務自動調度，為實施一人多機提供技術保障。（圖5）

3.6 數據分析在構架加工中的應用研究

在DNC系統中利用采集到的設備加工過程數據、三坐標檢測數據，按不同維度統計分析，包括工序能力指數CPK[9]、設備利用率OEE[10]、加工時間、人員作業、加工過程異常統計、關鍵尺寸質量趨勢等，可根據質量趨勢分析實時預警和報警。（圖6）

3.7 系統集成技術研究

采用B/S架構，搭建了集中控制中心，集成設備數據采集與控制系統、基于特征識別的構架防錯系統、基于RFID的刀具壽命管理系統、刀具自適應監測控制系統、視頻監控系統。集中控制系統可以在同一頁面實時顯示設備當前運行狀態、NC程序段、加工工件、在線人員、視頻監控、刀具壽命等。（圖7）

4 ?結束語

本文基于企業實際需求，通過構架加工數字化生產線建設，采用系統控制加工質量，降低對人員技能依賴，采用程序自動下載技術、視覺自動防錯技術、刀具實時監測技術，通過在青島四方的實際應用，構架加工生產效率提升15%，人員降低40%，實現制造模式變革。實踐證明，在提升質量、減員增效方面取得良好效果，對大型設備離散加工生產線技術升級有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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[2]宋學毅，姜斌，李蕊，臧宗波，魏燦.轉向架數字化焊接生產線[J].電焊機，2018，48（3）.

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[9]陳黃鸝，蔡彬，劉航輝.SPC技術在高可靠性SCR生產中的應用[J].價值工程，2018（24）.

[10]黃鵬鵬，羅佳，蔡芷榕，黃尚仁.企業設備綜合效率分析與提升研究[J].制造技術與機床，2018（2）.