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摘 要：随着计算机技术的快速发展，借助于转向架装配生产线自动化、信息化、智能化生产模式升级，将设计、工艺、物流、质量、生产、设备等各环节纵向集成、横向交互贯通，实现转向架制造技术能力的质变。本文以动车组转向架装配为研究对象，通过计算机辅助装配系统的应用、作业质量管控、关键信息采集三个方面对动车组转向架计算机辅助装配系统进行研究总结，为动车组转向架信息化装配系统的研究推广提供参考与支持。对转向架生產模式升级具有积极意义。
关键词：计算机辅助装配 转向架组装 质量管控 信息采集
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0113-03
1 引言
我国高速铁路正处于快速发展阶段，截至2018年中国高铁运营里程已超过2.9万km。在线运营的动车组越来越多，对动车组新造及检修需求也随之增大。转向架作为动车组的关键部件，承担动车组的牵引制动、悬挂导向、减振降噪等作用，直接决定了动车组行驶的安全性、可靠性与舒适性[1]。转向架组装以往采用重人力、机械式的生产方式，装配工艺及作业质量完全由作业人员决定，员工工作强度大、工作压力重，无法满足现代化生产要求。顺应“中国制造2025”的发展潮流，动车组转向架的装配作业由机械化的生产方式转变为自动化、信息化的生产方式，生产方式逐步升级，为动车组转向架的生产提供有力支持。
为提高转向架组装效率，改善作业环境，降低劳动强度，众多专家学者从不同领域进行研究。张菲从动车组转向架装配线层面，以多约束条件为前提对生产作业进行规划与仿真[2]。刘检华以提高复杂产品装配数据可视化及实时化为切入点，构建针对复杂产品的计算机辅助装配过程控制与管理系统[3]。
2 计算机辅助装配系统应用
据统计，在产品制造过程中30%的劳动力用于产品装配，而产品制造总成本的50%～70%消耗在装配作业中。由于产品装配作业比重的日益增大，产品制造成本日益增加，如何实现装配自动化、柔性化，已成为现代企业面临的迫切问题[4]。在动车组产量增加、生产能力受限、制造成本居高的情况下，为保证产品装配质量，提高生产效率和生产能力，提升市场竞争力。运用生产线技术，通过计算机辅助装配系统实现转向架信息化装配是一种有效的解决方案。
计算机辅助装配系统（Computer aided assembly system，简称CAA系统）是指在计算机辅助下指导、管控产品装配过程的计算机技术，是产品信息化装配过程中的执行、控制层系统。区别于传统的转向架装配方式，信息化生产过程通过信息流驱动转向架在产线中流转，实现转向架组装“人、机、料、法、环、测”多方面的协同关联。CAA系统由上层车间控制系统接收生产工单，调用装配程序驱动转向架装配作业，自动判断作业质量是否满足要求，最终提报上层车间控制系统及质量管理系统。多系统信息交互形成完整的转向架装配闭环管理，实现转向架装配过程实时监控，作业质量自动管控，关键信息采集、统计。图1所示为转向架组装CAA系统界面。
3 作业质量管控
转向架组装的质量直接关系到动车组运行安全与否，对组装作业质量管控是计算机辅助装配系统主要功能之一。作业质量管控包括装配过程的管控与装配质量记录的自动生成。组装线中零部件装配扭矩刻打自动采集，关键尺寸测量数据自动采集，系统自动生成质量记录表并直接与转向架绑定，为产品全寿命周期质量管控提供数据支持。
3.1 扭力紧固管控
为实现扭力紧固的信息化管控，智能扭力扳手替代原机械扳手成为生产线的拧紧工具。智能扭力扳手的使用需预置紧固程序，提前将各个紧固数据及评定标准添加至扭力扳手作业程序中。在螺栓拧紧时，扭力扳手从扭矩、紧固角度、转速及扭矩与角度相关曲线等多个维度对紧固作业进行信息采集，自动对紧固作业进行在线判断。通过装配程序的设置可对扭矩不到位、拧紧过快，紧固件漏装等多种异常操作报警，降低了人工质检作业量，转向架组装线已逐步取消原有的三检（自检、互检、专检）模式。
信息化生产模式下扭力扳手与计算机辅助装配系统结合，实现紧固作业智能化管控，CAA系统与扭力扳手相互关系见图2。考虑到现场作业工具较多，扭力扳手由CAA系统驱动，动作指令传递给专用智能扳手后方可解锁，避免了作业人员误用扭力工具作业，同时对拧紧作业计数也规避了紧固件漏装的风险，保证装配质量。CAA系统记录扭力扳手的使用及校准，提醒扭力扳手的计量时间，超过计量期的扳手自动锁定不得使用，确保现场作业工具的有效性。通过对各扭力扳手扭矩的数据分析、评价，可实时预警扳手失效趋势，对扭矩值不稳定或超过上限的扳手自动预警。作业完成后，CAA系统自动采集扭力紧固信息，上传至公司信息化系统中作为转向架装配履历的一部分。
3.2 尺寸测量管控
转向架管路高度等尺寸通过便携式无线测量工具进行测量采集，测量工具与CAA系统连接，利用无线传输技术实现转向架装配过程中部分测量尺寸的采集、上传和统计分析。如图3所示，转向架组装线尺寸调整工序采用自动检测、测量控制及线结构光实时检测技术，自动检测转向架构架与轮对的尺寸，实时检测反馈转向架尺寸测量结果，并将测量数据上传到测量控制系统，通过运算及测量控制系统预先设定的参数对比，判断转向架尺寸是否合格。
3.3 质量记录自动生成
组装线中CAA系统自动采集记录转向架装配过程信息（包含定量、定性等技术指标）。装配完成后，系统将装配结果与质量要素标准进行匹配比较，通过质量管理系统对作业过程数据和质量策划项点进行检查、审核。转向架装配过程实现质量履历无纸化，保证填写唯一性，消除人为因素影响。由于质量在线控制，数字化生产线上设备自动生成的质量数据不再进行互检及专检，通过定期对设备校核、抽检来保证设备稳定性与数据准确性。
4 关键信息采集
除实现对产品作业质量管控外，计算机辅助装配系统另一主要功能是作业过程中关键信息采集，实现组装线生产状态的实时显示与作业信息的统计分析。转向架组装线信息采集可分为人员信息采集、设备信息采集、物料信息采集与生产信息采集四个方面。
4.1 人员信息采集
CAA系统自动采集装配作业过程中员工的相关信息并進行汇总、整理，自动计算作业人员的平均工步作业时间，规定时间段内作业返工率。从不同的维度评价班组人员的作业时间、作业质量及作业效率等，作为员工KPI的参考指标。对产线中各工位作业人员进行固化，实现定人定岗管理。开工前系统进行人员校核，满足岗位资质并培训合格后的人员方可开工作业。工艺人员或生产管理人员在系统中设置不同人员的操作权限，加强人员作业内容的监管。
4.2 设备信息采集
CAA系统对生产线设备状态进行实时采集并显示。获取各设备状态信息，辅助评估产线生产能力，出现异常及时报警处理解决，对生产线上单台设备的故障信息进行详细显示。通过对关键设备的运行状况及设备的关键参数自动采集（电流、电压、温升、振动等），分析设备关键参数的变化趋势，对设备的稳定性进行预警。将设备保养点检周期预先设置在设备CAA系统中，实现设备到期预警。
4.3 物料信息采集
转向架生产线中通过二维码、RFID标签的方式实现关键零部件信息的采集，包括零部件名称、物料编码、生产编号/批次号、生产商信息等。组装线中转向架作业工位固定，当转向架流转至作业工位时，如图4所示RFID读取器将自动对转向架上的RFID电子标签进行读取，无需人员操作，本工位的后续作业内容自动与转向架绑定。对于需要采集信息的关键零部件，采用人工扫描二维码的方式读取物料信息。CAA系统将采集到的信息与上层控制系统下传的物料信息进行比对，保证物料来料的准确性，最终实现质量履历自动归集及自动查询。
如图5所示，组装线立体料库、仓库控制系统（WCS）、AGV物料转运小车、自动定位系统等应用实现了关键零部件自动入库、出库、托盘回收及库存信息的管理。系统自动对产线料库剩余物料实时监控，将剩余物料信息反馈物流系统，为后续生产计划安排及补料提供支持。
4.4 生产过程信息采集
CAA系统对生产进度进行实时监控，根据采集工单完成情况、各工位作业信息，统计当日产线的生产进度、各工位的实时进度和各工位生产过程信息。生产管理者可以通过进度信息，实时掌握现场生产的最新情况并进行相应的调度和调整。
CAA系统通过信息采集对生产异常进行管理，通过对工序（或工位）作业返工异常（时间、次数）的自动统计、分析，有助于生产管理者提高异常处理效率，合理优化生产管理，客观评价员工工序作业能力。辅助装配系统通过内控标准对设备失效趋势进行预判，设备管理人员可以提前发现问题设备，采取相关措施保证设备的稳定运行。CAA系统对作业时间、扭矩返工次数、操作返工次数等进行统计;系统实时显示产线主要设备状态、信号传递状态并进行历史报警信息统计;控制中心集中显示各设备状态信息、视频监控画面等，并引入远程控制装置，及时将出现异常状况设备做暂停处理。
由于转向架组装线为串行生产线，作业时间最长的工序为瓶颈工序，直接影响整线生产效率。通过组装线采集的转向架装配作业时间信息为素材，以标准作业时间或工艺设计时间为基准进行对比分析，对各个工序的生产节拍达成率进行统计分析，为优化各工位作业内容与生产均衡性提供数据支持。
5 结语
随着转向架装配作业向信息化生产的转型，计算机辅助装配系统作为转向架生产系统中的执行、控制层，起到承上启下的关键作用。CAA系统通过对作业质量的管控，关键信息的采集与多系统信息化交互完成转向架生产各环节纵向集成、横向交互贯通，实现了转向架装配信息实时、自动、闭环管理，提升了生产效率，保证了生产质量，降低了人员作业强度。提升人机关系友好性，信息采集针对性，信息交互全局性将是转向架组装CAA系统发展的方向。本文的研究成果可以推广至转向架及其它复杂产品生产线系统设计，实现产品的生产全过程管控，对生产线的信息化系统设计具有参考价值。
参考文献
[1] 李芾，安琪，付茂海，等.高速动车组转向架的发展及其动力学特性综述[J].铁道车辆，2008（4）：5-9，47.
[2] 张菲. 多约束环境下转向架装配线规划与仿真[D].北京交通大学，2018.
[3] 刘检华，丁向峰，袁丁，等.复杂产品计算机辅助装配过程控制与管理系统[J].计算机集成制造系统，2010，16（8）：1622-1633.
[4] 倪俭.柔性生产线工艺设计[J].现代制造工程，2002（3）：33-34.
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