基于精益生產方式的焊接機器人生產線網絡監控系統設計

曹 鳳，張英華，朱成華

（成都工業學院，四川 成都 611730）

0 前言

精益生產方式（Lean Production）源于日本豐田生產方式，被認為是當今工業界最佳的一種生產組織體系和方式。精益生產的兩大支柱是準時化（JIT）和自動化（JIDOKA）。準時化是在正確的時間制造所需的正確數量的合格產品，其理想狀態是“一個流”的流程化生產，需要采取基于“看板”的“拉式”生產體系等精益生產技術來實現。這里的自動化是智能型的自動化，就是凡發生廣義的經營異常，或是制造部門的質量、數量、作業、設備、成本、物流、信息等有異常情況時，企業的人員、工具、設備、工程、生產線等能自動檢測到，且自動停止運行，需要采取智能化的監控系統和一系列的精益防錯技術來實現。

憑借精益生產方式，日本制造業在20世紀70、80年代迅速崛起，經濟也取得了空前的繁榮。美國從20世紀80年代開始研究精益生產，20世紀90年代開始采用精益生產，至今在汽車、航空等行業已經大有成效。美國著名學者施恩伯教授考察了近500個世界著名企業，其中大約有2/3的企業應用了精益生產方式。目前精益生產方式已在發達國家的機械、電子、航空航天、消費品等制造業得到了有效地應用。

焊接機器人在國內制造業的應用越來越廣泛，特別是在汽車制造及其零配件生產企業，已普遍采用焊接機器人進行車身等零部件的焊接作業。這些企業中已有一部分采用了精益生產方式，但實施的效果并不理想，主要原因之一是對焊接機器人生產線進行的監控和管理局限在車間控制級，且多為單機控制，影響了精益生產中準時化和自動化的實施效果。因此開發和應用基于精益生產方式的焊接機器人網絡監控系統非常必要。

1 企業焊接機器人生產線基本情況

以聯偉汽車零部件（重慶）有限公司為例，公司機器人焊接生產線主要有兩條，一條生產線由美國A-B公司和日本FANUC公司生產的20余臺機器人組成，一條生產線由33臺德國KUKA機器人組成。目前，兩條焊接機器人生產線都是單機控制和管理，機器人焊接狀態、報警等信息都必須在現場才能得到，技術管理級的調度與管理還處在電話傳遞信息和手工處理報表的初級階段，這降低了企業的生產效率、管理的實時性和可靠性。針對這種狀況，先期研究對KUKA焊接機器人組成的生產線開發了基于精益生產方式的焊接機器人生產線網絡監控系統。

2 系統功能設計

基于精益生產方式的焊接機器人生產線網絡監控系統應能夠通過互連網絡對分散在不同地點的焊接機器人進行監視和控制，以實現數據采集、狀態控制、測量、參數調節和各類故障信號報警等，具體應實現以下功能：a.精益生產方式的“連續流動生產”，在該模式下，機器人以一定的速度不間斷地對物料流進行操作；b.遠程的機器人實時狀態監控；c.機器人故障狀態的遠程恢復和新狀態設置；d.生產線上的機器人可由監控系統協調配置，實現最優化運行；e.生產信息的統計和機器人運行狀態的自動報表；f.在生產線設置若干看板并實現看板信號傳遞流程的自動化。

3 系統結構設計

3.1 硬件結構

設計的焊接機器人網絡監控系統拓撲機構如圖1所示。整個控制系統采用西門子現場總線連接，包括所有焊接機器人控制器、中央控制系統、西門子PLC以及相應的周邊設備連接與信號交換。

圖1 焊接機器人網絡監控系統拓撲結構

機器人可以直接通過其帶PCI插槽的現場總線卡與周邊設備進行通訊、信號傳遞和I/O處理。對于每臺機器人，系統采用了兩級現場總線系統。在Master回路中，以每臺機器人控制器為中心，包括與操作站的通訊以及周邊設備的通訊，構成了一個總線回路。在Slave回路中，以其中一臺機器人作為整個回路的Master，其余的機器人作為Slave。這樣所有機器人即形成了一個總線回路，機器人與機器人之間信號的通信、互鎖以及工件工序的記憶可以在這個回路中完成。中央控制系統與所有機器人的通訊是通過工業以太網實現，每個機器人通過其以太網接口、網絡交換機與中央控制計算機進行連接。由于KUKA機器人操作系統是基于PC的Windows操作系統，所以以太網的連接非常方便，能夠更好地進行整個網絡的實時控制。

3.2 軟件結構

系統軟件結構如圖2所示，其主要功能和作用如下。

圖2 軟件結構示意

（1）過程數據庫系統。過程數據庫是焊接機器人監控軟件其他各個部分的基礎，又分為實時數據庫和歷史數據庫。其中實時數據庫以記錄存放與現場設備中功能模塊的輸入/輸出及可配置點相對應的實時數據；歷史數據庫則以定時記錄指定數據點的實際值/狀態變化及發生變化的時刻。這里選用了SQL Sever作為數據庫平臺。

（2）人機界面。是監視生產過程的窗口，為用戶提供生產過程的模擬流程顯示畫面，可對一個或者多個過程數據進行實時動態顯示。

（3）報警管理。在焊接機器人生產線出現異常時可以采用畫面閃爍、音響提示、狀態字顏色發生變化、打印輸出等方式提醒操作人員及時處理故障。同時可以隨機查詢當前的報警列表，從而掌握生產動態并進行相應處理。

（4）歷史趨勢。可以根據用戶的需要自動保留歷史數據，用戶可以按靈活的組合顯示，以便進行產品質量分析等。

（5）報表處理。為企業提供焊接機器人生產過程中的實時數據報表、事件記錄報表、報警輸出報表以及綜合數據處理報表等各類文檔報表，是看板中數據的重要來源。

（6）系統及應用擴展。是在完成焊接機器人生產過程實時監控的基礎上對系統的功能進行進一步擴展。它為用戶提供集成數據庫的API標準訪問接口，從而可以用VB、VC、Delphi等通用語言對原有系統進行二次開發；提供 DDE、OLE、ODBC等開放式接口便于用戶的快速訪問，所有這些都是以分布式網絡為基礎。

3.3 系統功能模塊

系統功能模塊設計如圖3所示。

圖3 監控系統主要功能模塊劃分

（1）監控界面。

監控界面是為了使用戶能夠更直觀地了解被監視對象的狀態和狀態的變化情況，監視界面一般由主界面和若干輔助界面組成，界面的數量一般與系統中的操作站的數量有關。主界面是進入本系統的缺省界面，應體現操作人員最關心的內容，或者有比較高的信息綜合度。輔助界面是主界面的細化，可以通過主界面上相應設備的帶連接的圖標或主界面上的菜單激活。設計的生產線監控系統的監控界面如圖4所示，需要監測的對象有：PLC及其連接的各種設備、機器人、焊接控制器、工裝夾具等。機器人的信息包括：機器人的狀態、輸入/輸出信號、內部信息等。工裝夾具的有關信息有：工況、工件類型、各行程開關、定位開關的狀態等。

圖4 焊接機器人系統監控界面

（2）參數配置。

針對33臺焊接機器人所監測到的參數和目錄，技術人員可根據焊接不同的產品及其工藝要求進行各種參數的更改、添加、刪除等操作。

（3）歷史數據查詢。

歷史數據是了解該焊接機器人生產線的生產狀況及其故障分析的依據，界面設計如圖5所示。對于故障診斷可按焊接時間、焊接故障類型等分類排序。

圖5 歷史數據查詢界面

（4）報表看板。

采用可視化通信工具，為用戶提供焊接機器人生產量統計報表、報警輸出報表以及綜合數據處理報表等各類文檔報表，便于企業各類人員對整個生產線的生產情況進行分析，以便統籌安排生產計劃，實現存貨在工作單元之間的順利流動。圖6為設計的看板的一個界面。

圖6 報表看板

（5）管理功能。

鑒于安全性考慮對登陸人員進行權限分配，管理員可以分配用戶及用戶權限。

4 結論

設計了焊接機器人生產線網絡監控系統，便于技術管理人員在上位機管理平臺完成狀態監控、故障恢復、系統更新和升級、電子報表等技術和管理工作，并配合整個企業的精益生產技術進行流程的安排和管理，實現了焊接件在工作單元之間的合理流動，保證了生產過程的準時化和自動化，極大提高了企業的生產效率和管理效率。基于精益生產方式的焊接機器人生產線網絡監控系統的成功開發和應用，將對焊接機器人生產線的智能化以及整個企業的制造系統現代化、智能化和信息化提供強有力的支撐。

[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：機械工業出版社，2007.

[2]常萍英,姜昌金.機器人焊接生產線監控系統的設計[J].微計算機信息，2003（11）：37-40.