楊曉華，王傳存

（上海振華港機(jī)重工有限公司，上海 201913）

0 引言

我國(guó)是世界港口機(jī)械制造大國(guó)，但離制造強(qiáng)國(guó)還有較大距離。目前港機(jī)鋼結(jié)構(gòu)焊接仍主要沿用傳統(tǒng)手工方式，自動(dòng)化程度不高，智能流水化作業(yè)程度低，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量很難滿足市場(chǎng)需求。建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)智能焊接生產(chǎn)流水線[1]，對(duì)于推動(dòng)港口機(jī)械產(chǎn)業(yè)智能轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。

隨著焊接機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)化焊接系統(tǒng)在汽車[2]、船舶[3]、鋼鐵[4]等行業(yè)得到成功應(yīng)用。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外大量調(diào)研，建成岸邊集裝箱橋式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）平衡梁機(jī)器人焊接生產(chǎn)線，主要焊接行走機(jī)構(gòu)大中小異形平衡梁。該生產(chǎn)線兼容性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)大平衡梁≥3件或小平衡梁≥12件，適用長(zhǎng)度1.0～11.0米、重量3～15噸大中小異形平衡梁的焊接、柔性裝夾及翻轉(zhuǎn)等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。

焊接生產(chǎn)線制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡(jiǎn)稱MES）實(shí)現(xiàn)平衡梁生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)傳遞與監(jiān)控，是建設(shè)平衡梁機(jī)器人自動(dòng)化焊接的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文從MES系統(tǒng)功能、生產(chǎn)線布局、數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度、焊接質(zhì)量管控等方面介紹焊接生產(chǎn)線制造執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

1 MES控制目標(biāo)與范圍

平衡梁機(jī)器人焊接生產(chǎn)線由上下料架、自動(dòng)控制系統(tǒng)（Auto Control System，ACS）、ABB焊接機(jī)器人系統(tǒng)（ABB Robot System，ABB-Robs）和MES等組成。ACS物流系統(tǒng)采用RGV作為物流載體（RGV Logistics System，R-logistics），包括工裝夾具、變位機(jī)、儀器儀表、電控等設(shè)備組成。ABB-Robs由焊接機(jī)器人、焊機(jī)、焊槍等組成。

平衡梁機(jī)器人焊接生產(chǎn)線MES系統(tǒng)具備生產(chǎn)計(jì)劃管理、生產(chǎn)過(guò)程管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、工位看板和實(shí)時(shí)監(jiān)控看板，主要用于數(shù)字化監(jiān)控各工位焊接機(jī)器人的工作狀態(tài)信息和相關(guān)的信息化管理。并配備監(jiān)控室，可監(jiān)控各工位的數(shù)據(jù)信息及整個(gè)生產(chǎn)線的視頻監(jiān)控，并進(jìn)行相應(yīng)的記錄。

2 生產(chǎn)線布局及工序流程

平衡梁機(jī)器人焊接生產(chǎn)線的是由上料架、下料架、平衡梁機(jī)器人焊接系統(tǒng)、手工焊接變位機(jī)及物流子母小車等組成的平衡梁機(jī)器人焊接生產(chǎn)線，該機(jī)器人焊接生產(chǎn)線用于實(shí)現(xiàn)平衡梁的自動(dòng)焊接功能，各工位間由搬運(yùn)臺(tái)車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無(wú)人轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖1 生產(chǎn)線示意圖

MES從ACS和ABB-Robs中獲取生產(chǎn)線信息，并將生產(chǎn)計(jì)劃和用戶生產(chǎn)指令下發(fā)給ACS，ACS控制ABB-Robs和其他設(shè)備完成焊接任務(wù)。

平衡梁是密閉的箱體，內(nèi)外焊縫都需要機(jī)器人焊接，第一次上料焊接三面成型的內(nèi)外焊縫，再下線，進(jìn)行蓋面補(bǔ)焊，第二次上料焊接四面成型的外焊縫，成品下線。圖3為大平衡梁從第一次上料開始到第二次下料為止生產(chǎn)線各焊接工位。

圖2 生產(chǎn)工序流程圖

圖3 大平衡梁工序流程圖

工序流程主要包括以下4部分：

1）吊裝焊接：三面成型的平衡梁工件人工固定并吊運(yùn)至平衡梁上下料架上，子車將工件頂升并運(yùn)輸至母車上，母車將工件及子車運(yùn)輸至自動(dòng)焊接工位外側(cè)，子車將工件運(yùn)輸至自動(dòng)焊接工位，變位機(jī)自動(dòng)將工裝板固定，機(jī)器人進(jìn)行焊接；

2）人工補(bǔ)焊：機(jī)器人焊接完成后，子母車將工件運(yùn)輸至平衡梁上下料架上，人工將工件吊運(yùn)至人工補(bǔ)焊工位進(jìn)行人工補(bǔ)焊、上蓋板裝配及上蓋板內(nèi)部焊縫焊接；

3）上蓋板外焊縫焊接：人工將工件吊運(yùn)至上下料架上并給系統(tǒng)信號(hào)，子母車將工件及工裝板運(yùn)輸至自動(dòng)焊接工位，變位機(jī)自動(dòng)裝夾大平衡梁并進(jìn)行上蓋板外部焊縫焊接；

4）工件下架：子母車將工件運(yùn)輸至上下料架上，人工將工件從上下料架上將工件及工裝板吊運(yùn)至成品區(qū)并進(jìn)行工裝板與工件的脫開工作。

3 生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集及OPC接口

MES系統(tǒng)使用條碼追溯產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程，串接生產(chǎn)過(guò)程信息；記錄員工上崗離崗信息；采集到設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，及時(shí)呈現(xiàn)給用戶，用戶可直觀即時(shí)的得到設(shè)備運(yùn)行狀況信息；下發(fā)生產(chǎn)計(jì)劃指令給底層設(shè)備執(zhí)行。包括：

1）在人工上料臺(tái)，人工掃描工作證，MES系統(tǒng)記錄員工班次、工位、員工工號(hào)、姓名、日期、上崗時(shí)間、下崗時(shí)間。

2）掃描平衡梁工件上的二維碼，系統(tǒng)記錄產(chǎn)品工號(hào)、項(xiàng)目名稱、構(gòu)件名稱、機(jī)號(hào)、圖號(hào)、構(gòu)件編號(hào)、計(jì)劃數(shù)量、部件件號(hào)、掃碼段、掃碼時(shí)間。

3）分發(fā)焊接數(shù)據(jù)：平衡梁工號(hào)、圖號(hào)，內(nèi)焊焊接編號(hào)、外焊焊接編號(hào)、工件長(zhǎng)×寬×高。

圖4 大平衡梁二維碼

4）MES采集焊接系統(tǒng)各工位的基本狀態(tài)，與上料工位的平衡梁焊接工序進(jìn)行匹配，匹配成功后，啟動(dòng)物流RGV小車調(diào)度程序。各工位基本狀態(tài)明細(xì)如表1所示。

表1 工位基本狀態(tài)表

不論是直接從設(shè)備PLC上自動(dòng)獲得數(shù)據(jù)，還是通過(guò)profinet獲得數(shù)據(jù)，生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集一般采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集接口。這不但能提高整個(gè)系統(tǒng)的通用性，而且還可以增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。因此，MES焊接生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集接口采用了目前國(guó)際上流行的嵌入式過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn)OPC（OLE for process control）接口[5，6]，在PLC系統(tǒng)中進(jìn)行組態(tài)，如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)線OPC的組態(tài)

MES數(shù)據(jù)啟動(dòng)前，需要OPC程序?qū)ES數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行請(qǐng)求，啟動(dòng)數(shù)采程序“WCDAP”程序，打開左側(cè)“Configuration”欄中的“OPC Driver”的折疊菜單，并在展開的條目上右擊彈出快捷菜單，選擇“Run”命令以使得驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。雙擊相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)條目，可檢查數(shù)據(jù)源端PLC或服務(wù)器是否已開機(jī)且通訊程序已啟動(dòng)正常運(yùn)行，如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)線OPC數(shù)據(jù)的監(jiān)控

MES與ACS通過(guò)TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，考慮系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)及安全因素，MES所有指令通過(guò)ACS完成，MES不直接給設(shè)備發(fā)送動(dòng)作指令。

4 焊接工位生產(chǎn)調(diào)度

根據(jù)工件的信息，MES系統(tǒng)下發(fā)焊接任務(wù)和焊接編號(hào)給ACS，ACS接到任務(wù)后，開始調(diào)運(yùn)RGV。

圖7 調(diào)度工位代碼

根據(jù)平衡梁不同類型，設(shè)置不同的緩存焊接上料等工位，如表2所示。

表2 調(diào)度工位表

特大平衡梁工件調(diào)度路線有4種可能性：A-D、A-B、B-D、D-A。特大平衡梁與大平衡梁共用上料臺(tái)時(shí)調(diào)度路線有6種可能性：A-E、A-D（優(yōu)先A-E，A-D次之），A-B、A-C（優(yōu)先A-C，A-B次之），C-E、B-E（優(yōu)先B-E，C-E次之）、E-A。

中小異平衡梁工件調(diào)度路線有11種可能性：F-H1：H3、F-G1：G2、G-H1：H.3、H1：H3-F，中小異平衡梁緩存和焊接站的上料優(yōu)先順序按設(shè)備編號(hào)順序，在下料的過(guò)程中，如確認(rèn)上料則MES系統(tǒng)提示：下料中不能上料，請(qǐng)空出位置。

MES系統(tǒng)界面顯示調(diào)度執(zhí)行情況，所有已執(zhí)行、正在執(zhí)行、待執(zhí)行、不執(zhí)行的指令均可顯示，也可通過(guò)手動(dòng)增加指令、更改指令狀態(tài)。

MES系統(tǒng)具備平衡梁機(jī)器人焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)指令的下達(dá)和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中信息的反饋功能，以保證生產(chǎn)線智能化的運(yùn)行。MES主數(shù)據(jù)一般存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量下發(fā)至設(shè)備PLC的數(shù)據(jù)塊中，讓PLC執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)。下發(fā)的主要任務(wù)信息包括任務(wù)類別、任務(wù)編號(hào)、任務(wù)狀態(tài)、工件類型、工件編號(hào)、工件狀態(tài)、取料工位號(hào)、卸料工位號(hào)、工件長(zhǎng)度數(shù)據(jù)、工件重心到托板的數(shù)據(jù)、工件底板到托板的數(shù)據(jù)、內(nèi)外焊接的標(biāo)志和焊接程序編號(hào)等。

如圖8所示，任務(wù)下發(fā)202中小異平衡梁緩存工位。當(dāng)指定201為取貨工位號(hào)和202為卸料工位號(hào)時(shí)，將MES定義的變量s_task_type通過(guò)OPC轉(zhuǎn)換至DB100.DBW0數(shù)據(jù)塊中，再傳給PLC運(yùn)行數(shù)據(jù)塊DB37.DBW0存儲(chǔ)緩存工位202任務(wù)類型中，將MES定義的變量s_task_no通過(guò)OPC轉(zhuǎn)換至DB100.DBW2數(shù)據(jù)塊中，再傳給PLC運(yùn)行數(shù)據(jù)塊DB37.DBW2存儲(chǔ)緩存工位202任務(wù)編號(hào)中。

圖8 任務(wù)下發(fā)202中小異平衡梁緩存工位

5 焊接質(zhì)量管控

MES系統(tǒng)可對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)采集到的焊接設(shè)備參數(shù)（包括電流、焊接電壓、焊接速度）與設(shè)備上下標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，產(chǎn)生實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以圖形化的形式展示，質(zhì)量管理人員發(fā)現(xiàn)異?？杉皶r(shí)處理。

在設(shè)備內(nèi)設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，上限值和下限值=標(biāo)準(zhǔn)值*（1+/-浮動(dòng)百分比），同一時(shí)間所有的浮動(dòng)百分比都相同，浮動(dòng)值的修改不會(huì)影響歷史上下限值。

6 結(jié)語(yǔ)

本文論述岸橋平衡梁機(jī)器人焊接生產(chǎn)線MES控制方法，包括生產(chǎn)線布局、數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)、RGV調(diào)度、焊接質(zhì)量管理等。MES系統(tǒng)的成功應(yīng)用，提升了不同類型平衡梁的生產(chǎn)能力，使整個(gè)平衡梁的生產(chǎn)制造過(guò)程更為高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和環(huán)保，為精益制造、智能制造鋪好基石。

圖9 1#機(jī)器人焊接機(jī)203工位的監(jiān)控

本文研究?jī)?nèi)容可為大型鋼結(jié)構(gòu)智能制造提供參考，有助于優(yōu)化生產(chǎn)方式，減少人工參入生產(chǎn)過(guò)程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，全面提升企業(yè)信息化管理和制造水平。