賈方慶，董文寧，張傳根，曹 強

（徐州華恒機器人系統(tǒng)有限公司，江蘇 徐州 221000）

智能焊接生產(chǎn)線在裝載機鏟斗生產(chǎn)上的應(yīng)用

賈方慶，董文寧，張傳根，曹 強

（徐州華恒機器人系統(tǒng)有限公司，江蘇 徐州 221000）

采用可直角換軌式RGV，將多個機器人焊接工作站與前后工序連接起來，在LCS和DCS調(diào)度系統(tǒng)控制下，實現(xiàn)裝載機鏟斗生產(chǎn)的自動上下料、自動裝夾、焊接程序自動調(diào)用、自動焊接、自動報工。構(gòu)成了智能制造車間，減少人工干預、降低勞動強度、提升生產(chǎn)效率、提高焊接質(zhì)量、滿足節(jié)拍生產(chǎn)要求，實現(xiàn)了車間整體運營的效益最大化。

RGV；機器人焊接工作站；DCS控制系統(tǒng)；自動裝夾；調(diào)度

0 前言

在工程機械行業(yè)已廣泛使用機器人焊接代替人工焊接，目前應(yīng)用較多的是采用單個機器人焊接工作站完成特定工件的焊接。大量使用焊接機器人可以提升生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和減輕工人勞動強度。

單個機器人焊接系統(tǒng)雖然能夠在單一焊接工序中達到以上目的，但是對整個生產(chǎn)過程效率的提升作用較小。因為單個機器人焊接系統(tǒng)在整個生產(chǎn)過程中一般都有物流不暢、人工干預過多、存在安全隱患、效率低等問題。

通過實地考察，擁有20～100套機器人焊接系統(tǒng)的制造工廠，主要存在以下問題：

（1）由于物流單一依賴行車，往往出現(xiàn)機器人焊接完成后無人下料，或者機器人工位空閑無人上料的情況，生產(chǎn)出現(xiàn)停頓，設(shè)備利用率不高。

（2）由于上下料使用人工方式，機器人程序選擇受到人工干預，偶爾出現(xiàn)程序選擇錯誤導致碰撞等生產(chǎn)事故。

（3）由于生產(chǎn)停頓和人工干預導致的誤操作，生產(chǎn)節(jié)拍不能固定，很難保證生產(chǎn)計劃有效實施。

（4）由于完成的工件不能實現(xiàn)有效轉(zhuǎn)運，車間在制品數(shù)量上得不到有效控制。

（5）機器人布局或者靠墻或者靠立柱，而車間中部黃金地帶用于行車轉(zhuǎn)運工件，車間面積不能有效利用。

（6）使用行車、KBK、人工吊運、轉(zhuǎn)運大型工件始終存在安全隱患。

因此，使用智能制造技術(shù)將機器人系統(tǒng)和上下游工序有機并緊密地聯(lián)系在一起，構(gòu)成無人化或少人化的智能制造車間已成為應(yīng)用趨勢。

1 方案介紹

智能焊接生產(chǎn)線主要包括直角換軌式RGV（Rail Guide Vehicle）搬運小車、步進式板鏈緩存臺、機器人焊接工作站系統(tǒng)、DCS（Distributed Control System）調(diào)度系統(tǒng)、LCS上位機管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)六個部分。在DCS控制系統(tǒng)的調(diào)度下，RGV小車可以自動上下料、自動裝夾、焊接程序自動調(diào)用、自動焊接、自動報工，無需人工干預。同時LCS上位機管理系統(tǒng)將工件信息、完工情況等信息與MES系統(tǒng)對接，完成了生產(chǎn)制造過程中的信息流轉(zhuǎn)。

2 工藝流程

在鏟斗的生產(chǎn)過程中，首先是應(yīng)用鏟斗拼點工裝將各組件拼裝、點焊，將成型待焊的鏟斗放置到料臺上，利用料臺上限位塊、卡槽對鏟斗進行定位，組對區(qū)DCS召喚該區(qū)域RGV，自動將工件轉(zhuǎn)運至步進式上料緩存臺存放。在RGV主軌道兩側(cè)分布多臺機器人焊接工作站，機器人焊接工作站區(qū)DCS調(diào)度系統(tǒng)采集各工作站的信息、上下料RGV信息、步進式上下料緩存臺信息等，對所有工作站的上下料請求進行排序、穿插、優(yōu)化，控制上料RGV將工件轉(zhuǎn)運至相應(yīng)的機器人焊接工作站。工作站工裝對工件自動裝夾，根據(jù)工件型號調(diào)用焊接程序，啟動焊接。焊接結(jié)束后，自動向DCS調(diào)度系統(tǒng)請求下料，DCS響應(yīng)請求，控制下料RGV將焊接完的工件轉(zhuǎn)運至步進式下料緩存臺。人工補焊區(qū)、鏜加工區(qū)DCS調(diào)度本區(qū)RGV完成物料在后續(xù)加工區(qū)域的流轉(zhuǎn)。一個完整的上料、下料過程如圖1所示。

3 系統(tǒng)構(gòu)成和功能

3.1 直角換軌式RGV

作為智能物流生產(chǎn)線的主要搬運工具，直角換軌式RGV小車不僅可以在主軌上行駛，還可以直角換軌后在垂直于主軌的輔軌上行駛，這樣就可以將工件分別送往主軌道兩側(cè)多個機器人焊接工作站。采用CX系列控制器為控制核心，TwinCAT NC PTP控制系統(tǒng)、AX5000伺服驅(qū)動器和AM3000伺服電機構(gòu)成驅(qū)動方案；采用Profibus DP接口的條碼掃描器加防塵、耐油污的條碼帶作位置檢測；采用WLAN控制器作無線接入點，通過TwinCAT ADS協(xié)議實現(xiàn)RGV與DCS的無線數(shù)據(jù)交換。該RGV結(jié)構(gòu)緊湊、運送速度快（達到27 m/min）、行走平穩(wěn)、定位精度高（＜1 mm），保證RGV在各主輔軌交叉點精確換軌、快速的將待焊工件送往工作站焊接或?qū)⒐ぷ髡緝?nèi)焊接完的工件轉(zhuǎn)運至下一個工序。

該RGV可在主副軌任意位置設(shè)置站點，其站點坐標可在RGV中靈活設(shè)置，無需更改程序，配置靈活，使用方便。

3.2 DCS（Distributed Control System）調(diào)度系統(tǒng)

在該智能物流生產(chǎn)線上，DCS調(diào)度系統(tǒng)起著中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用。它既要通過分布式I/O獲取各個機器人焊接工作站的請求信號、液壓夾具的裝夾完成信號和料臺的工件到位信號等，還要控制和調(diào)度小車進行上、下料。在DCS控制下，自動將待焊工件轉(zhuǎn)運至機器人焊接工作站，RGV與工作站工裝緊密配合完成工件的自動裝夾。焊接完成后，自動將焊接完成的工件轉(zhuǎn)運至步進式下料緩存臺。

3.2.1 DCS調(diào)度系統(tǒng)組成

DCS調(diào)度系統(tǒng)由CX系列控制器、EtherCAT總線擴展模塊、耦合器模塊、I/O模塊、無線路由器、交換機、HMI組成。

CX系列控制器作主站，總線擴展模塊用于擴展EtherCAT總線。每一個耦合器模塊下掛I/O模塊作從站，構(gòu)成一個環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了EtherCAT網(wǎng)絡(luò)冗余功能。每一個從站通過I/O模塊與機器人焊接工作站、步進式上下料緩存臺交互信號，為了防止電源干擾，這些輸入輸出信號均采取繼電隔離。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

主站將收集到的各機器人焊接工作站的信息進行處理，根據(jù)處理結(jié)果將信息以無線方式通過交換機、無線路由器發(fā)送給RGV，指揮RGV完成上下料任務(wù)，并實現(xiàn)避讓避碰、任務(wù)排列、任務(wù)穿插、任務(wù)等待等功能。同時將RGV的各種信息通過無線通訊傳遞給主站控制器，主站控制器通過基于Modbus TCP協(xié)議的以太網(wǎng)通訊將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在HMI上，并讀取HMI上的輸入信息。

3.2.2 DCS調(diào)度系統(tǒng)特點

（1）安全。

RGV附帶障礙物檢測傳感器用于檢測運行前方的障礙物，防止碰撞、傷人事件發(fā)生。該傳感器可根據(jù)外來信號選擇檢測區(qū)域，對不同的路線路況設(shè)置不同的檢測區(qū)域，同時可以借助輔助傳感器拓展檢測區(qū)域。每個區(qū)域的靈敏度均可以靈活設(shè)置。

限制RGV在某些位置的動作，防止碰撞事件發(fā)生。

設(shè)置兩RGV安全距離，當兩RGV距離小于安全距離時，調(diào)用暫停功能暫停RGV，防止兩車碰撞和同向追尾[1]；當兩車距離大于安全距離時，被暫停的RGV會繼續(xù)自動運行。

（2）高效。

生產(chǎn)線上的兩個RGV分別執(zhí)行上、下料任務(wù)，系統(tǒng)根據(jù)FCFS（First Come，F(xiàn)irst Served）對上料任務(wù)、下料任務(wù)進行排列，對排列完的任務(wù)自動判斷是否路徑?jīng)_突，若不沖突，則同時執(zhí)行上下料任務(wù)；若沖突，則會在任務(wù)中往后搜索，挑揀出路徑不沖突的任務(wù)與另一任務(wù)同時執(zhí)行；若搜索不到，則等待先執(zhí)行任務(wù)的RGV運行至路徑不沖突的位置，響應(yīng)此RGV的任務(wù)，同時執(zhí)行上下料任務(wù)。這樣避免了單軌單RGV系統(tǒng)[2]執(zhí)行上（下）料任務(wù)時，眾多的下（上）料任務(wù)必須等待的情況，特別是機器人焊接工作站較多時，RGV在給一個工作站上料或者下料的過程中，其他有上、下料請求的工作站只能等待，設(shè)備利用率不高，生產(chǎn)效率低下，無法滿足物料連續(xù)流轉(zhuǎn)的要求。

在兩RGV運行路徑規(guī)劃上做到了動作流暢、精簡，保證了流水線高效運行，嚴格控制各個工序用時，滿足節(jié)拍生產(chǎn)要求。

（3）故障自恢復能力強。

主站控制器帶有兩個具有獨立網(wǎng)卡的以太網(wǎng)口，與各從站采用EtherCAT總線通訊，物理上構(gòu)成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了雙環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)冗余功能[3]。對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的單點故障，能夠?qū)?shù)據(jù)自動環(huán)回，防止丟站故障的發(fā)生。

對可能出現(xiàn)的某個機器人焊接工作站故障，系統(tǒng)可以繞過該故障工作站降級運行。同時系統(tǒng)也有半自動運行模式，使用遙控器，通過幾個簡單的按鍵動作，即可輕松完成上下料任務(wù)。

對于RGV故障、上下料緩存臺故障等，通過簡單的人工干預，即可快速恢復。

（4）操作簡便。

人性化的人機界面設(shè)計，可實時監(jiān)控生產(chǎn)線的運行狀況。人機界面實時顯示各RGV的各軸位置信息、RGV的模式及狀態(tài)，料臺上工件信息、地插狀態(tài)及無線通訊狀態(tài)；實時監(jiān)視各機器人工作站信息交互情況；監(jiān)視正在執(zhí)行和即將執(zhí)行的各種任務(wù)；借助軟件VNC Viewer通過有線或者無線方式實現(xiàn)遠程PC或手持終端查看HMI數(shù)據(jù)，發(fā)送任務(wù)命令；還可以通過人機界面配置RGV小車的站點和路線，實現(xiàn)規(guī)劃與調(diào)度的簡單化。

3.3 LCS（Line control system）上位機管理系統(tǒng)

LCS（線體控制系統(tǒng)）是由多個DCS系統(tǒng)組成的一條完整的生產(chǎn)線系統(tǒng)，既可以實現(xiàn)DCS系統(tǒng)之間的通信，也可以將生產(chǎn)線上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、報警信息等集中傳遞至上位機中，并可與企業(yè)的MES系統(tǒng)無縫銜接；MES系統(tǒng)將生產(chǎn)計劃下達至上位機管理系統(tǒng)，上位機管理系統(tǒng)將計劃拆分并實施生產(chǎn)，每生產(chǎn)完一件，上位機管理系統(tǒng)自動將工件信息、報工信息傳遞給MES系統(tǒng)。LCS實現(xiàn)了整個生產(chǎn)線的信息流轉(zhuǎn)和管控。

3.4 機器人焊接工作站系統(tǒng)

機器人焊接工作站系統(tǒng)由機器人、焊接電源、焊槍焊纜、變位機、工裝夾具、除塵設(shè)備等組成。

3.4.1 機器人焊接系統(tǒng)

機器人焊接系統(tǒng)存儲了各種型號工件的焊接程序，在RGV將工件運送到位，離開到達安全位置后，工裝系統(tǒng)自動裝夾。裝夾到位后，自動根據(jù)工件型號的不同選擇焊接程序，啟動焊接。

機器人焊接工作站會將當前工作狀態(tài)、工作時長、啟停時間、故障信息、焊絲消耗量等信息傳輸?shù)紻CS調(diào)度系統(tǒng)中，供監(jiān)控人員參考，便于調(diào)度人員及時制定材料供給計劃、設(shè)備保養(yǎng)維修計劃等。

當機器人焊接工作站出現(xiàn)異常，如缺水、缺氣、起弧失敗、異常碰撞等會將故障信息傳遞至DCS調(diào)度系統(tǒng)，由系統(tǒng)記錄并報警。DCS調(diào)度系統(tǒng)繞過該工作站，降級運行。

在DCS調(diào)度系統(tǒng)控制下，可以實現(xiàn)所有機器人焊接工作站之間、機器人焊接工作站與DCS之間的程序備份、拷貝，實現(xiàn)多機器人的統(tǒng)一。

3.4.2 工件自動裝夾系統(tǒng)

由兩組液壓工裝分別安裝在變位機的兩個回轉(zhuǎn)盤上組成工件自動裝夾系統(tǒng)，上料時由RGV運送工件至工作站內(nèi)，將工件放置到工裝上，工裝檢測到工件到位并且RGV離開到達安全位置，自動裝夾工裝，工件裝夾牢靠緊固后，根據(jù)工件型號調(diào)用焊接程序，啟動焊接。焊接完成后，請求下料，下料RGV運行至工作站，工裝松開工件，等待RGV離開并到達安全位置，再次向DCS調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送上料請求。

在整個工件裝夾過程中，液壓系統(tǒng)的壓力始終保持在一個設(shè)定的范圍內(nèi)，防止因壓力過低，工件裝夾不緊位移、跌落等事件的發(fā)生；防止壓力過高，將點焊的工件擠壓變形。在裝夾過程中，RGV與工裝配合緊密，實現(xiàn)了自動裝夾、自動卸載、無需人工干預的自動化。

工裝夾具上有不同的卡槽、限位塊和接近傳感器用于識別不同型號的工件，將識別到的工件型號與DCS調(diào)度系統(tǒng)傳遞來的工件型號比較，防止出現(xiàn)型號錯誤導致的焊接程序調(diào)用錯誤。

3.5 步進式板鏈緩存臺

步進式板鏈緩存臺用于存放前一加工區(qū)域處理完的工件，它與前后區(qū)域的DCS調(diào)度系統(tǒng)采用繼電隔離的數(shù)字I/O信號交換允許RGV進入、送（取）料完成、工件型號等信息。在前一區(qū)域RGV將工件送至緩存臺，離開到達安全位置后，緩存臺往前旋轉(zhuǎn)，將工件往下一個區(qū)域輸送一步，步進設(shè)定的距離后停止；前一個區(qū)域又可以往緩存臺送料，直到緩存臺放滿三個工件為止。后一區(qū)域RGV從緩存臺取走工件，到達安全位置后，緩存臺步進一步，將后面的工件往前輸送。

緩存臺是前后工序的紐帶。每個板鏈緩存臺最多可以放置三個工件，對物料的流轉(zhuǎn)有一定的儲存和緩沖的作用。

3.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由低照度攝像機、自動光圈鏡頭、攝像機電源、液晶監(jiān)視器、網(wǎng)絡(luò)硬盤刻錄機、云存儲等部分組成。

每個機器人焊接工作站對應(yīng)一個攝像單元，監(jiān)視工作站的工作狀態(tài)。

采用600線分辨率的低照度攝像機保證監(jiān)控圖像的清晰度，配合自動光圈鏡頭保證光線不足情況下監(jiān)控圖像色彩穩(wěn)定、畫質(zhì)清晰。防弧光鏡片能有效降低焊接產(chǎn)生的弧光對攝像機的損害。攝像機擁有鏡頭自清潔功能，工況下環(huán)境比較惡劣，當鏡頭被灰塵污染后，可自動清掃鏡頭，保證監(jiān)控圖像的清晰。

大容量的云存儲設(shè)備可以保證長時間的錄像保存，對工作中出現(xiàn)的問題可以調(diào)取監(jiān)控錄像進行分析，也可以追溯生產(chǎn)事故，為工作的改進提高提供了硬件保障。

4 應(yīng)用情況

智能焊接物流線（見圖4）成功應(yīng)用于國內(nèi)某大型工程機械集團公司裝載機鏟斗的生產(chǎn)中。該項目包含兩條鏟斗智能焊接物流線，一條專用于5T鏟斗的生產(chǎn)，另一條用于3T/5T鏟斗的混線生產(chǎn)。

在項目實施前期，使用生產(chǎn)系統(tǒng)運作流程與配置優(yōu)化仿真技術(shù)，借助這個客觀的生產(chǎn)系統(tǒng)分析工具，使得用戶在生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計投產(chǎn)之前，就可預先得到智能焊接生產(chǎn)線和工藝流程的各項性能指標，識別流程中的動態(tài)影響因子與瓶頸[4]（Bottleneck），從而為生產(chǎn)系統(tǒng)的各種改善提供決策支持。為了使生產(chǎn)效率最高、生產(chǎn)成本最低、利潤最大化，需要合理設(shè)置生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃布局、工藝流程、設(shè)備配置、人員崗位安排、生產(chǎn)節(jié)拍（Cycle Time）等。經(jīng)過該平臺仿真驗證，物流線線由4個拼點工位、3個步進式緩存臺、15套機器人焊接工作站、5輛RGV、7個鏜加工工位、7個翻轉(zhuǎn)變位機、6個人工補焊工位、一個集控室組成，最佳生產(chǎn)節(jié)拍約19 min。其中RGV在主軌上運行速度達27 m/min，在輔軌上運行速度7.8 m/min，定位精度±1 mm。鏟斗智能焊接生產(chǎn)線性能指標如表1所示。

5 結(jié)論

智能焊接生產(chǎn)線在國內(nèi)某大型工程機械集團安裝調(diào)試投產(chǎn)后，克服了機器人焊接工作站單兵孤立作戰(zhàn)導致的物流不暢、效率低下，有效地將單個工作站連接起來，與上下游工序緊密結(jié)合，使得工藝流程清楚明了，物料流轉(zhuǎn)快速高效，改變了傳統(tǒng)工廠的運輸方式和生產(chǎn)方式，顯著提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了工廠的自動化和智能化。該智能焊接流線的成功實施，在行業(yè)內(nèi)起到示范效應(yīng)，具有較好的市場推廣前景。

[1] 郇 極，肖文磊，劉艷強，等.工業(yè)以太網(wǎng)

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粵pplication of intelligent robot welding line for the loader bucket production

JIA Fang-qing，DONG Wen-ning，ZHANG Chuan-gen，CAO Qing
（Xuzhou Huaheng Robot System Co.，Ltd.，Xuzhou 221000，China）

With the right angle for rail type RGV,a plurality of welding robot workstation before and after the working procedure is connected,in the control of LCS and DCS scheduling system,realize the loader bucket production of automatic feeding,automatic clamping,welding procedure calls automatically,automatic welding,automatic timesheet.This constitutes a smart little humanized manufacturing workshop,reduce the manual intervention,reduce labor intensity,improve production efficiency,improve the welding quality,to meet the requirements of production,the beat realizes maximum benefit overall workshop operation.

RGV；robot welding workstation；the control system of DCS；automatic clamping；discrete curvature；line drawing

TG409

：B

：1001-2303（2014）02-0043-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.09

2012-09-11

賈方慶（1980—），男，江蘇徐州人，工程師，學士，主要從事自動化設(shè)備的設(shè)計和研發(fā)工作。