曹 鳳，張英華，朱成華

（成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730）

0 前言

精益生產(chǎn)方式（Lean Production）源于日本豐田生產(chǎn)方式，被認(rèn)為是當(dāng)今工業(yè)界最佳的一種生產(chǎn)組織體系和方式。精益生產(chǎn)的兩大支柱是準(zhǔn)時(shí)化（JIT）和自動(dòng)化（JIDOKA）。準(zhǔn)時(shí)化是在正確的時(shí)間制造所需的正確數(shù)量的合格產(chǎn)品，其理想狀態(tài)是“一個(gè)流”的流程化生產(chǎn)，需要采取基于“看板”的“拉式”生產(chǎn)體系等精益生產(chǎn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里的自動(dòng)化是智能型的自動(dòng)化，就是凡發(fā)生廣義的經(jīng)營(yíng)異常，或是制造部門的質(zhì)量、數(shù)量、作業(yè)、設(shè)備、成本、物流、信息等有異常情況時(shí)，企業(yè)的人員、工具、設(shè)備、工程、生產(chǎn)線等能自動(dòng)檢測(cè)到，且自動(dòng)停止運(yùn)行，需要采取智能化的監(jiān)控系統(tǒng)和一系列的精益防錯(cuò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

憑借精益生產(chǎn)方式，日本制造業(yè)在20世紀(jì)70、80年代迅速崛起，經(jīng)濟(jì)也取得了空前的繁榮。美國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究精益生產(chǎn)，20世紀(jì)90年代開(kāi)始采用精益生產(chǎn)，至今在汽車、航空等行業(yè)已經(jīng)大有成效。美國(guó)著名學(xué)者施恩伯教授考察了近500個(gè)世界著名企業(yè)，其中大約有2/3的企業(yè)應(yīng)用了精益生產(chǎn)方式。目前精益生產(chǎn)方式已在發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)械、電子、航空航天、消費(fèi)品等制造業(yè)得到了有效地應(yīng)用。

焊接機(jī)器人在國(guó)內(nèi)制造業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在汽車制造及其零配件生產(chǎn)企業(yè)，已普遍采用焊接機(jī)器人進(jìn)行車身等零部件的焊接作業(yè)。這些企業(yè)中已有一部分采用了精益生產(chǎn)方式，但實(shí)施的效果并不理想，主要原因之一是對(duì)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行的監(jiān)控和管理局限在車間控制級(jí)，且多為單機(jī)控制，影響了精益生產(chǎn)中準(zhǔn)時(shí)化和自動(dòng)化的實(shí)施效果。因此開(kāi)發(fā)和應(yīng)用基于精益生產(chǎn)方式的焊接機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)非常必要。

1 企業(yè)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線基本情況

以聯(lián)偉汽車零部件（重慶）有限公司為例，公司機(jī)器人焊接生產(chǎn)線主要有兩條，一條生產(chǎn)線由美國(guó)A-B公司和日本FANUC公司生產(chǎn)的20余臺(tái)機(jī)器人組成，一條生產(chǎn)線由33臺(tái)德國(guó)KUKA機(jī)器人組成。目前，兩條焊接機(jī)器人生產(chǎn)線都是單機(jī)控制和管理，機(jī)器人焊接狀態(tài)、報(bào)警等信息都必須在現(xiàn)場(chǎng)才能得到，技術(shù)管理級(jí)的調(diào)度與管理還處在電話傳遞信息和手工處理報(bào)表的初級(jí)階段，這降低了企業(yè)的生產(chǎn)效率、管理的實(shí)時(shí)性和可靠性。針對(duì)這種狀況，先期研究對(duì)KUKA焊接機(jī)器人組成的生產(chǎn)線開(kāi)發(fā)了基于精益生產(chǎn)方式的焊接機(jī)器人生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于精益生產(chǎn)方式的焊接機(jī)器人生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠通過(guò)互連網(wǎng)絡(luò)對(duì)分散在不同地點(diǎn)的焊接機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)和各類故障信號(hào)報(bào)警等，具體應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：a.精益生產(chǎn)方式的“連續(xù)流動(dòng)生產(chǎn)”，在該模式下，機(jī)器人以一定的速度不間斷地對(duì)物料流進(jìn)行操作；b.遠(yuǎn)程的機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控；c.機(jī)器人故障狀態(tài)的遠(yuǎn)程恢復(fù)和新?tīng)顟B(tài)設(shè)置；d.生產(chǎn)線上的機(jī)器人可由監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)配置，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行；e.生產(chǎn)信息的統(tǒng)計(jì)和機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)報(bào)表；f.在生產(chǎn)線設(shè)置若干看板并實(shí)現(xiàn)看板信號(hào)傳遞流程的自動(dòng)化。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)控制系統(tǒng)采用西門子現(xiàn)場(chǎng)總線連接，包括所有焊接機(jī)器人控制器、中央控制系統(tǒng)、西門子PLC以及相應(yīng)的周邊設(shè)備連接與信號(hào)交換。

圖1 焊接機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

機(jī)器人可以直接通過(guò)其帶PCI插槽的現(xiàn)場(chǎng)總線卡與周邊設(shè)備進(jìn)行通訊、信號(hào)傳遞和I/O處理。對(duì)于每臺(tái)機(jī)器人，系統(tǒng)采用了兩級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。在Master回路中，以每臺(tái)機(jī)器人控制器為中心，包括與操作站的通訊以及周邊設(shè)備的通訊，構(gòu)成了一個(gè)總線回路。在Slave回路中，以其中一臺(tái)機(jī)器人作為整個(gè)回路的Master，其余的機(jī)器人作為Slave。這樣所有機(jī)器人即形成了一個(gè)總線回路，機(jī)器人與機(jī)器人之間信號(hào)的通信、互鎖以及工件工序的記憶可以在這個(gè)回路中完成。中央控制系統(tǒng)與所有機(jī)器人的通訊是通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)機(jī)器人通過(guò)其以太網(wǎng)接口、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與中央控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。由于KUKA機(jī)器人操作系統(tǒng)是基于PC的Windows操作系統(tǒng)，所以以太網(wǎng)的連接非常方便，能夠更好地進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)控制。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要功能和作用如下。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)示意

（1）過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)是焊接機(jī)器人監(jiān)控軟件其他各個(gè)部分的基礎(chǔ)，又分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)以記錄存放與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中功能模塊的輸入/輸出及可配置點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)庫(kù)則以定時(shí)記錄指定數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)際值/狀態(tài)變化及發(fā)生變化的時(shí)刻。這里選用了SQL Sever作為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。

（2）人機(jī)界面。是監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程的窗口，為用戶提供生產(chǎn)過(guò)程的模擬流程顯示畫面，可對(duì)一個(gè)或者多個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

（3）報(bào)警管理。在焊接機(jī)器人生產(chǎn)線出現(xiàn)異常時(shí)可以采用畫面閃爍、音響提示、狀態(tài)字顏色發(fā)生變化、打印輸出等方式提醒操作人員及時(shí)處理故障。同時(shí)可以隨機(jī)查詢當(dāng)前的報(bào)警列表，從而掌握生產(chǎn)動(dòng)態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)處理。

（4）歷史趨勢(shì)?？梢愿鶕?jù)用戶的需要自動(dòng)保留歷史數(shù)據(jù)，用戶可以按靈活的組合顯示，以便進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量分析等。

（5）報(bào)表處理。為企業(yè)提供焊接機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表、事件記錄報(bào)表、報(bào)警輸出報(bào)表以及綜合數(shù)據(jù)處理報(bào)表等各類文檔報(bào)表，是看板中數(shù)據(jù)的重要來(lái)源。

（6）系統(tǒng)及應(yīng)用擴(kuò)展。是在完成焊接機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展。它為用戶提供集成數(shù)據(jù)庫(kù)的API標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)接口，從而可以用VB、VC、Delphi等通用語(yǔ)言對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；提供 DDE、OLE、ODBC等開(kāi)放式接口便于用戶的快速訪問(wèn)，所有這些都是以分布式網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。

3.3 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主要功能模塊劃分

（1）監(jiān)控界面。

監(jiān)控界面是為了使用戶能夠更直觀地了解被監(jiān)視對(duì)象的狀態(tài)和狀態(tài)的變化情況，監(jiān)視界面一般由主界面和若干輔助界面組成，界面的數(shù)量一般與系統(tǒng)中的操作站的數(shù)量有關(guān)。主界面是進(jìn)入本系統(tǒng)的缺省界面，應(yīng)體現(xiàn)操作人員最關(guān)心的內(nèi)容，或者有比較高的信息綜合度。輔助界面是主界面的細(xì)化，可以通過(guò)主界面上相應(yīng)設(shè)備的帶連接的圖標(biāo)或主界面上的菜單激活。設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面如圖4所示，需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象有：PLC及其連接的各種設(shè)備、機(jī)器人、焊接控制器、工裝夾具等。機(jī)器人的信息包括：機(jī)器人的狀態(tài)、輸入/輸出信號(hào)、內(nèi)部信息等。工裝夾具的有關(guān)信息有：工況、工件類型、各行程開(kāi)關(guān)、定位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)等。

圖4 焊接機(jī)器人系統(tǒng)監(jiān)控界面

（2）參數(shù)配置。

針對(duì)33臺(tái)焊接機(jī)器人所監(jiān)測(cè)到的參數(shù)和目錄，技術(shù)人員可根據(jù)焊接不同的產(chǎn)品及其工藝要求進(jìn)行各種參數(shù)的更改、添加、刪除等操作。

（3）歷史數(shù)據(jù)查詢。

歷史數(shù)據(jù)是了解該焊接機(jī)器人生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況及其故障分析的依據(jù)，界面設(shè)計(jì)如圖5所示。對(duì)于故障診斷可按焊接時(shí)間、焊接故障類型等分類排序。

圖5 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

（4）報(bào)表看板。

采用可視化通信工具，為用戶提供焊接機(jī)器人生產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)報(bào)表、報(bào)警輸出報(bào)表以及綜合數(shù)據(jù)處理報(bào)表等各類文檔報(bào)表，便于企業(yè)各類人員對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，以便統(tǒng)籌安排生產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)存貨在工作單元之間的順利流動(dòng)。圖6為設(shè)計(jì)的看板的一個(gè)界面。

圖6 報(bào)表看板

（5）管理功能。

鑒于安全性考慮對(duì)登陸人員進(jìn)行權(quán)限分配，管理員可以分配用戶及用戶權(quán)限。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了焊接機(jī)器人生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，便于技術(shù)管理人員在上位機(jī)管理平臺(tái)完成狀態(tài)監(jiān)控、故障恢復(fù)、系統(tǒng)更新和升級(jí)、電子報(bào)表等技術(shù)和管理工作，并配合整個(gè)企業(yè)的精益生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行流程的安排和管理，實(shí)現(xiàn)了焊接件在工作單元之間的合理流動(dòng)，保證了生產(chǎn)過(guò)程的準(zhǔn)時(shí)化和自動(dòng)化，極大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理效率?；诰嫔a(chǎn)方式的焊接機(jī)器人生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，將對(duì)焊接機(jī)器人生產(chǎn)線的智能化以及整個(gè)企業(yè)的制造系統(tǒng)現(xiàn)代化、智能化和信息化提供強(qiáng)有力的支撐。

[1]約翰·德魯，布萊爾·麥卡勒姆，斯蒂芬·羅根霍夫.精益之道[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]常萍英,姜昌金.機(jī)器人焊接生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2003（11）：37-40.