軌道車(chē)輛全生命周期數(shù)字化焊接體系現(xiàn)狀及展望

侯振國(guó)， 鈕旭晶

中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，河北 唐山 063000

0 引言

焊接在風(fēng)電、核電、航空航天、尖端武器裝備等諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。隨著大批裝備制造企業(yè)不斷加快焊接生產(chǎn)信息化和數(shù)字化改造，我國(guó)制造業(yè)焊接生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化整體水平不斷提高［1］。數(shù)字化及智能化焊接已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)焊接發(fā)展的新趨勢(shì)［2-3］。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的推廣，使得設(shè)備物聯(lián)、供應(yīng)商協(xié)同管理，智能化焊接更加便捷、高效，全生命周期焊接管理及體系的建立逐步成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)中重要的一環(huán)。以核電領(lǐng)域?yàn)槔?，鄭州大學(xué)構(gòu)建了核電站全生命周期數(shù)據(jù)管理框架體系［4］，實(shí)現(xiàn)了在大型核電站全生命周期內(nèi)的主要階段，對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行定義、收集、評(píng)估、共享、協(xié)同應(yīng)用、維護(hù)、歸檔、銷(xiāo)毀等處理，并對(duì)數(shù)據(jù)資源的全生命周期進(jìn)行科學(xué)、全面管理［5］。由此可見(jiàn)，全生命周期數(shù)字化焊接體系的搭建和應(yīng)用是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)“智能制造2025”的必然途徑。

本文以軌道交通焊接技術(shù)體系為載體，深入研究其關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)全生命周期數(shù)字化焊接技術(shù)進(jìn)行探索和展望。

1 軌道交通焊接技術(shù)體系現(xiàn)狀

隨著我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，動(dòng)車(chē)組及城軌車(chē)輛得到了越來(lái)越廣泛的運(yùn)用［6-8］。軌道交通裝備制造業(yè)目前執(zhí)行ISO EN15085焊接體系。體系對(duì)人員資質(zhì)、設(shè)備管理、物料情況、設(shè)計(jì)工藝質(zhì)量、作業(yè)環(huán)境要求、焊接檢驗(yàn)、運(yùn)維修理等內(nèi)容做了具體要求［9-10］，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道交通車(chē)輛焊接產(chǎn)品全生命周期的控制。但是目前整個(gè)焊接質(zhì)量的管理主要是靠專(zhuān)業(yè)的技術(shù)管理人員進(jìn)行，輔助一些簡(jiǎn)單的軟件。在大數(shù)據(jù)處理、焊接質(zhì)量智能評(píng)價(jià)、資質(zhì)智能管理等數(shù)字化管理方面未形成完善的數(shù)字化焊接技術(shù)體系。在供應(yīng)商管理、焊接質(zhì)量綜合判定、焊接檢驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)存在人員需求量大，人為主觀(guān)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)管理不規(guī)范等問(wèn)題。急需采用數(shù)字化的方法，對(duì)整個(gè)軌道交通焊接體系進(jìn)行模塊化、系統(tǒng)化的管理。通過(guò)對(duì)焊接全過(guò)程的監(jiān)控及追溯，對(duì)全生命周期焊接要素進(jìn)行管控等智能方法，實(shí)現(xiàn)智慧焊接下的全生命周期數(shù)字化焊接體系建設(shè)。

2 全生命周期數(shù)字化焊接體系的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全生命周期數(shù)字化焊接資源

全生命周期的焊接資源管理包括結(jié)構(gòu)化的數(shù)字化焊接設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)、焊接專(zhuān)家系統(tǒng)等內(nèi)容以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)等信息［11］。

2.1.1 數(shù)字化焊接設(shè)備

數(shù)字化焊機(jī)采用單片機(jī)、DSP等數(shù)字芯片，用0/1 編碼的數(shù)字信號(hào)將傳統(tǒng)的模擬信號(hào)取而代之，最終獲得集焊接工藝控制智能化、焊接系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)化、焊接智能化和自動(dòng)化于一體的新型焊接設(shè)備。數(shù)字化焊機(jī)使冷卻裝置、電源、工裝、機(jī)器人、焊槍、送絲機(jī)的互動(dòng)更加方便。數(shù)字化焊接設(shè)備以其更高的控制精度、良好的接口兼容性、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度正在發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

2.1.2 焊接數(shù)據(jù)庫(kù)

焊接數(shù)據(jù)庫(kù)包括焊接材料、焊接工藝、焊接工藝評(píng)定管理、焊工技能評(píng)定、焊縫性能預(yù)測(cè)、模型仿真、焊接裝配順序等數(shù)據(jù)庫(kù)［12］。面對(duì)復(fù)雜的焊接生產(chǎn)，焊接數(shù)據(jù)庫(kù)有組織地存儲(chǔ)焊接領(lǐng)域各種數(shù)據(jù)。

2.1.3 焊接專(zhuān)家系統(tǒng)

由于焊接過(guò)程的復(fù)雜性難以量化，更多地需要專(zhuān)家知識(shí)做出判斷，因此焊接被認(rèn)為是應(yīng)用專(zhuān)家系統(tǒng)的理想領(lǐng)域。焊接專(zhuān)家系統(tǒng)基于焊接知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，在工藝設(shè)計(jì)或工藝選擇、焊接缺陷或設(shè)備故障診斷、焊接成本估算、實(shí)時(shí)監(jiān)控、疲勞設(shè)計(jì)、焊工考試等，幾乎包括焊接生產(chǎn)的所有主要階段及方面。

2.2 焊接工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)采用5G 信息通信技術(shù)，對(duì)人、機(jī)、物、系統(tǒng)等進(jìn)行全面連接，構(gòu)建起覆蓋全焊接要素的全新制造體系，為智慧焊接提供技術(shù)支撐。公司通過(guò)數(shù)字化改造、升級(jí)的方式，建成焊接數(shù)字化車(chē)間，實(shí)現(xiàn)焊接車(chē)間焊接設(shè)備物聯(lián)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，以及焊接過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供數(shù)據(jù)支持以?xún)?yōu)化工藝、焊材能耗等數(shù)字化統(tǒng)計(jì)、焊接工藝下達(dá)、柔性排產(chǎn)與派工及焊接質(zhì)量追溯等。以唐客公司的數(shù)字化產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)為例，詳細(xì)介紹公司在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)方面的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景。

搭建公司級(jí)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，劃分為設(shè)備層、邊緣層、平臺(tái)層和應(yīng)用層如圖1所示。在設(shè)備層實(shí)現(xiàn)軌道車(chē)輛制造過(guò)程關(guān)鍵工序資源裝備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)訂單執(zhí)行、工藝參數(shù)、裝備運(yùn)維、物料能耗等狀態(tài)信息在線(xiàn)監(jiān)控。在邊緣層搭建有MOM 系統(tǒng)、資源互聯(lián)平臺(tái)、數(shù)字化調(diào)試平臺(tái)、轉(zhuǎn)向架數(shù)據(jù)采集平臺(tái)等邊緣層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，向下接入現(xiàn)場(chǎng)裝備和系統(tǒng)，做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，向上傳到公司級(jí)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Industrial internet platform architecture

平臺(tái)層主要基于公司大數(shù)據(jù)平臺(tái)，用于制造數(shù)據(jù)的匯聚、共享和統(tǒng)一管理，為數(shù)據(jù)分析應(yīng)用、可視化監(jiān)控提供數(shù)據(jù)源，為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

在數(shù)據(jù)分析應(yīng)用方面，利用工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軌道車(chē)輛產(chǎn)品制造過(guò)程數(shù)據(jù)分析建模與質(zhì)量預(yù)測(cè)，監(jiān)控車(chē)輛制造過(guò)程重量變化，基于數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)落車(chē)高度預(yù)警。在制造數(shù)據(jù)資產(chǎn)方面，計(jì)劃后續(xù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行資產(chǎn)化管理，快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚、追溯、復(fù)用與維護(hù)等。

2.3 焊接過(guò)程AI智能管控技術(shù)

基于A(yíng)I視覺(jué)的深度學(xué)習(xí)算法，結(jié)合高精度圖像算法，將人員規(guī)范的大數(shù)據(jù)結(jié)合人工智能和圖像處理技術(shù)，通過(guò)圖像預(yù)處理，標(biāo)注，訓(xùn)練等方式，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以快速識(shí)別焊接過(guò)程中人員的行為規(guī)范，例如焊接順序、安全防護(hù)違規(guī)、作業(yè)場(chǎng)所違規(guī)操作等風(fēng)險(xiǎn)事件并報(bào)警，幫助管理人員及時(shí)做出反應(yīng)。

焊接過(guò)程智能巡技術(shù)。采用VR 眼鏡的方式，通過(guò)AI識(shí)別功能，高效準(zhǔn)確地識(shí)別出焊接過(guò)程的異常問(wèn)題，不再單純依賴(lài)人的判斷。可視化的IOT 分析和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄的調(diào)閱可輔助人員快速定位問(wèn)題。通過(guò)焊接管理人員可掌握現(xiàn)場(chǎng)信息及員工作業(yè)信息，精準(zhǔn)管理，同時(shí)減少人員誤操作、漏操作，提高作業(yè)規(guī)范和質(zhì)量。

同時(shí)基于3D 視覺(jué)和激光掃描系統(tǒng)，采用基于模糊推理的專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行缺陷識(shí)別，通過(guò)深度學(xué)習(xí)引擎，只需標(biāo)注，即可把人工經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成AI算法，將檢測(cè)分析得到的焊件信息數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)容器中，對(duì)焊接缺陷等進(jìn)行識(shí)別，可穩(wěn)定區(qū)分不同形狀、大小、類(lèi)型等多種焊接缺陷，快速提高產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化、智能化程度及檢測(cè)效率。

2.4 基于全要素的焊接質(zhì)量智能輔助技術(shù)

全要素的焊接質(zhì)量智能輔助技術(shù)是通過(guò)收集分析焊接過(guò)程參數(shù)、焊接材料、設(shè)備信息、環(huán)境要求、部件焊縫信息、焊前狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，利用數(shù)據(jù)分析、智能算法、統(tǒng)計(jì)學(xué)模型等技術(shù)，對(duì)焊接工藝過(guò)程進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)采集、處理和分析，挖掘影響焊接質(zhì)量的因素，建立焊接質(zhì)量的預(yù)測(cè)和評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)技術(shù)路徑如下：

（1）收集不同狀態(tài)、不同階段下的焊接過(guò)程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)化。

（2）針對(duì)不同焊接階段單獨(dú)分析影響焊接質(zhì)量的相關(guān)因素，并獲得定量的分析結(jié)果。

（3）針對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行焊接質(zhì)量影響因素的綜合分析，并獲得相應(yīng)量化結(jié)果。

（4）基于智能算法或者數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的數(shù)字化評(píng)價(jià)。

通過(guò)焊接質(zhì)量智能輔助系統(tǒng)，從多角度、多階段及多維度實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量有效管控，借助焊接質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)模型，輔助工程師進(jìn)行焊接質(zhì)量決策。

2.5 智能化焊接裝備的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

開(kāi)展智能化焊接裝備的研究是提高焊接質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化焊接體系高效運(yùn)轉(zhuǎn)的催化劑。本文以軌道車(chē)輛用移動(dòng)焊接小車(chē)為例，詳細(xì)介紹新一代智能化焊接裝備的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景。

2.5.1 裝備簡(jiǎn)介

智能移動(dòng)焊接工作站如圖2所示，由總控單元、協(xié)作機(jī)器人、焊接電源及附件、多功能移動(dòng)小車(chē)、視覺(jué)及激光傳感器組成。

圖2 智能焊接工作站Fig. 2 Intelligent welding workstation

2.5.2 功能介紹

該焊接小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)體大線(xiàn)的智能化焊接。車(chē)輛運(yùn)行會(huì)自動(dòng)捕捉坡口信息和位置，將焊前信息傳輸至控制終端。系統(tǒng)通過(guò)大數(shù)據(jù)及算法模型對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行初步擬定。在實(shí)際焊接過(guò)程中，根據(jù)實(shí)時(shí)焊接狀態(tài)及激光輔助修正，自動(dòng)匹配合適的焊接參數(shù)（主要是焊接速度），焊接完成后對(duì)焊縫外觀(guān)進(jìn)行檢測(cè)（通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)和大數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比開(kāi)發(fā)）。所有過(guò)程數(shù)據(jù)均回傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，控制終端會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，對(duì)焊接質(zhì)量做出在線(xiàn)評(píng)價(jià)，形成評(píng)估報(bào)告并展示界面。

通過(guò)上述過(guò)程，完成對(duì)整條焊縫的智能焊接。智能定位免示教技術(shù)，車(chē)輛運(yùn)行防抖動(dòng)技術(shù)，大數(shù)據(jù)處理及分析技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)在智能焊接裝備中得到了應(yīng)用。所有的數(shù)據(jù)在智能控制終端進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的控制及分析。該設(shè)備融合于整個(gè)焊接智能工廠(chǎng)，作為質(zhì)量數(shù)據(jù)的一環(huán)在車(chē)體制造平臺(tái)，可以隨時(shí)查詢(xún)，對(duì)于不合格焊縫會(huì)自動(dòng)警示和統(tǒng)計(jì)，不斷優(yōu)化焊接工藝。

2.6 企業(yè)互聯(lián)供應(yīng)商協(xié)同管理系統(tǒng)

基于數(shù)字化的焊接體系和供應(yīng)商協(xié)同管理平臺(tái)，依托唐車(chē)數(shù)字化產(chǎn)品模型的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、服務(wù)一體化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量信息追溯，提升產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)質(zhì)量數(shù)據(jù)共享與開(kāi)發(fā)利用，推進(jìn)數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品全生命周期、全產(chǎn)業(yè)鏈的質(zhì)量策劃、質(zhì)量控制和質(zhì)量改進(jìn)。

通過(guò)中車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈數(shù)字化平臺(tái)系統(tǒng)，可以將產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈上下游焊接產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝策劃以及質(zhì)量管理進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊接供應(yīng)商的延伸管理、協(xié)同設(shè)計(jì)以及資源共享，促進(jìn)多樣化、高附加值產(chǎn)品服務(wù)創(chuàng)新，推進(jìn)基于產(chǎn)品全生命周期的管理的服務(wù)質(zhì)量提升。

3 軌道交通全生命周期數(shù)字化焊接體系展望

3.1 全生命周期數(shù)字化焊接體系平臺(tái)搭建

全生命周期的數(shù)字化焊接體系平臺(tái)包括焊接資源庫(kù)、焊接工藝知識(shí)庫(kù)以及焊接執(zhí)行系統(tǒng)和過(guò)程參數(shù)監(jiān)控以及質(zhì)量判定，通過(guò)梳理焊接過(guò)程全要素，建立基于接頭的全生命周期的數(shù)據(jù)庫(kù)和管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)維以及檢修的全生命周期管理。本文以數(shù)字化焊接工藝設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹數(shù)字化焊接體系中的焊接工藝智能編制系統(tǒng)。

數(shù)字化焊接工藝智能編制系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)、文件編制以及審批工作流等功能模塊，如圖3所示。該系統(tǒng)通過(guò)焊接資源數(shù)據(jù)庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)化流程設(shè)計(jì)，基于鋁合金、碳鋼以及不銹鋼的多材料特點(diǎn)，完成28 個(gè)數(shù)據(jù)表和73 項(xiàng)邏輯規(guī)則的設(shè)計(jì)，將焊接經(jīng)驗(yàn)融入信息化系統(tǒng)，確保公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，依靠基于焊接專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)和基于規(guī)則推理（RBR）規(guī)則庫(kù)的推理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)焊接工藝文件的自動(dòng)生成，通過(guò)公司SAP 系統(tǒng)和MOM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化工藝文件的下發(fā)和執(zhí)行。

圖3 焊接工藝智能編制系統(tǒng)構(gòu)成Fig. 3 Structure of process intelligence system

通過(guò)以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，完成了智能化焊接工藝系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)焊接工藝規(guī)程WPS、焊接順序計(jì)劃、焊接檢測(cè)計(jì)劃、焊接計(jì)劃及焊接接頭清單等焊接工藝文件自動(dòng)生成，同時(shí)依托MOM 生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，采集結(jié)構(gòu)化焊接質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程中的過(guò)程參數(shù)和焊接質(zhì)量的追溯管理。

3.2 推廣應(yīng)用效果展望

全生命周期數(shù)字化焊接體系的建立與實(shí)施，可以保證焊接體系的有效運(yùn)行。同時(shí)，大幅降低人為因素的影響能夠提升焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，對(duì)焊接過(guò)程中有可能發(fā)生的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行預(yù)判。數(shù)字化分析及管控能夠從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)交付、運(yùn)維到報(bào)廢形成一個(gè)完整的閉環(huán)。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析及模型的建立，不斷優(yōu)化整個(gè)過(guò)程，大幅提升產(chǎn)品質(zhì)量及服役性能，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)有軌道交通焊接體系目前數(shù)字化水平較低、人為因素影響較大，通過(guò)智能方法實(shí)現(xiàn)全生命數(shù)字化焊接技術(shù)體系是未來(lái)發(fā)展的主要方向。

（2）基于5G 的設(shè)備物聯(lián)是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)治理、質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)以及供應(yīng)商協(xié)同管控等技術(shù)的必要手段。

（3）智能焊接裝備的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用是維持?jǐn)?shù)字化焊接體系有效運(yùn)轉(zhuǎn)的核動(dòng)力。

（4）軌道交通全生命周期數(shù)字化焊接體系同樣適用于其余裝備制造業(yè)，可以有效降低人工成本，提升焊接質(zhì)量及效率。具備廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。