智能焊接生產線在裝載機鏟斗生產上的應用

賈方慶，董文寧，張傳根，曹 強

（徐州華恒機器人系統有限公司，江蘇 徐州 221000）

智能焊接生產線在裝載機鏟斗生產上的應用

賈方慶，董文寧，張傳根，曹 強

（徐州華恒機器人系統有限公司，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調度系統控制下，實現裝載機鏟斗生產的自動上下料、自動裝夾、焊接程序自動調用、自動焊接、自動報工。構成了智能制造車間，減少人工干預、降低勞動強度、提升生產效率、提高焊接質量、滿足節拍生產要求，實現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；自動裝夾；調度

0 前言

在工程機械行業已廣泛使用機器人焊接代替人工焊接，目前應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效率，提高產品質量，降低生產成本和減輕工人勞動強度。

單個機器人焊接系統雖然能夠在單一焊接工序中達到以上目的，但是對整個生產過程效率的提升作用較小。因為單個機器人焊接系統在整個生產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，生產出現停頓，設備利用率不高。

（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，偶爾出現程序選擇錯誤導致碰撞等生產事故。

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

（4）由于完成的工件不能實現有效轉運，車間在制品數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運工件，車間面積不能有效利用。

（6）使用行車、KBK、人工吊運、轉運大型工件始終存在安全隱患。

因此，使用智能制造技術將機器人系統和上下游工序有機并緊密地聯系在一起，構成無人化或少人化的智能制造車間已成為應用趨勢。

1 方案介紹

智能焊接生產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、DCS（Distributed Control System）調度系統、LCS上位機管理系統、視頻監控系統六個部分。在DCS控制系統的調度下，RGV小車可以自動上下料、自動裝夾、焊接程序自動調用、自動焊接、自動報工，無需人工干預。同時LCS上位機管理系統將工件信息、完工情況等信息與MES系統對接，完成了生產制造過程中的信息流轉。

2 工藝流程

在鏟斗的生產過程中，首先是應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DCS召喚該區域RGV，自動將工件轉運至步進式上料緩存臺存放。在RGV主軌道兩側分布多臺機器人焊接工作站，機器人焊接工作站區DCS調度系統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、優化，控制上料RGV將工件轉運至相應的機器人焊接工作站。工作站工裝對工件自動裝夾，根據工件型號調用焊接程序，啟動焊接。焊接結束后，自動向DCS調度系統請求下料，DCS響應請求，控制下料RGV將焊接完的工件轉運至步進式下料緩存臺。人工補焊區、鏜加工區DCS調度本區RGV完成物料在后續加工區域的流轉。一個完整的上料、下料過程如圖1所示。

3 系統構成和功能

3.1 直角換軌式RGV

作為智能物流生產線的主要搬運工具，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、AX5000伺服驅動器和AM3000伺服電機構成驅動方案；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協議實現RGV與DCS的無線數據交換。該RGV結構緊湊、運送速度快（達到27 m/min）、行走平穩、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將工作站內焊接完的工件轉運至下一個工序。

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

3.2 DCS（Distributed Control System）調度系統

在該智能物流生產線上，DCS調度系統起著中樞神經系統的作用。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，還要控制和調度小車進行上、下料。在DCS控制下，自動將待焊工件轉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運至步進式下料緩存臺。

3.2.1 DCS調度系統組成

DCS調度系統由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，構成一個環型網絡，實現了EtherCAT網絡冗余功能。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網絡拓撲結構如圖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，根據處理結果將信息以無線方式通過交換機、無線路由器發送給RGV，指揮RGV完成上下料任務，并實現避讓避碰、任務排列、任務穿插、任務等待等功能。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協議的以太網通訊將相關數據顯示在HMI上，并讀取HMI上的輸入信息。

3.2.2 DCS調度系統特點

（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、傷人事件發生。該傳感器可根據外來信號選擇檢測區域，對不同的路線路況設置不同的檢測區域，同時可以借助輔助傳感器拓展檢測區域。每個區域的靈敏度均可以靈活設置。

限制RGV在某些位置的動作，防止碰撞事件發生。

設置兩RGV安全距離，當兩RGV距離小于安全距離時，調用暫停功能暫停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會繼續自動運行。

（2）高效。

生產線上的兩個RGV分別執行上、下料任務，系統根據FCFS（First Come，First Served）對上料任務、下料任務進行排列，對排列完的任務自動判斷是否路徑沖突，若不沖突，則同時執行上下料任務；若沖突，則會在任務中往后搜索，挑揀出路徑不沖突的任務與另一任務同時執行；若搜索不到，則等待先執行任務的RGV運行至路徑不沖突的位置，響應此RGV的任務，同時執行上下料任務。這樣避免了單軌單RGV系統[2]執行上（下）料任務時，眾多的下（上）料任務必須等待的情況，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，設備利用率不高，生產效率低下，無法滿足物料連續流轉的要求。

在兩RGV運行路徑規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，滿足節拍生產要求。

（3）故障自恢復能力強。

主站控制器帶有兩個具有獨立網卡的以太網口，與各從站采用EtherCAT總線通訊，物理上構成環型網絡拓撲結構，構成了雙環網，實現了網絡冗余功能[3]。對系統可能出現的單點故障，能夠將數據自動環回，防止丟站故障的發生。

對可能出現的某個機器人焊接工作站故障，系統可以繞過該故障工作站降級運行。同時系統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。

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計，可實時監控生產線的運行狀況。人機界面實時顯示各RGV的各軸位置信息、RGV的模式及狀態，料臺上工件信息、地插狀態及無線通訊狀態；實時監視各機器人工作站信息交互情況；監視正在執行和即將執行的各種任務；借助軟件VNC Viewer通過有線或者無線方式實現遠程PC或手持終端查看HMI數據，發送任務命令；還可以通過人機界面配置RGV小車的站點和路線，實現規劃與調度的簡單化。

3.3 LCS（Line control system）上位機管理系統

LCS（線體控制系統）是由多個DCS系統組成的一條完整的生產線系統，既可以實現DCS系統之間的通信，也可以將生產線上的生產數據、設備狀態、報警信息等集中傳遞至上位機中，并可與企業的MES系統無縫銜接；MES系統將生產計劃下達至上位機管理系統，上位機管理系統將計劃拆分并實施生產，每生產完一件，上位機管理系統自動將工件信息、報工信息傳遞給MES系統。LCS實現了整個生產線的信息流轉和管控。

3.4 機器人焊接工作站系統

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

3.4.1 機器人焊接系統

機器人焊接系統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，工裝系統自動裝夾。裝夾到位后，自動根據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、工作時長、啟停時間、故障信息、焊絲消耗量等信息傳輸到DCS調度系統中，供監控人員參考，便于調度人員及時制定材料供給計劃、設備保養維修計劃等。

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

在DCS調度系統控制下，可以實現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，實現多機器人的統一。

3.4.2 工件自動裝夾系統

由兩組液壓工裝分別安裝在變位機的兩個回轉盤上組成工件自動裝夾系統，上料時由RGV運送工件至工作站內，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，根據工件型號調用焊接程序，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調度系統發送上料請求。

在整個工件裝夾過程中，液壓系統的壓力始終保持在一個設定的范圍內，防止因壓力過低，工件裝夾不緊位移、跌落等事件的發生；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調度系統傳遞來的工件型號比較，防止出現型號錯誤導致的焊接程序調用錯誤。

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域處理完的工件，它與前后區域的DCS調度系統采用繼電隔離的數字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，將工件往下一個區域輸送一步，步進設定的距離后停止；前一個區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，對物料的流轉有一定的儲存和緩沖的作用。

3.6 視頻監控系統

監控系統由低照度攝像機、自動光圈鏡頭、攝像機電源、液晶監視器、網絡硬盤刻錄機、云存儲等部分組成。

每個機器人焊接工作站對應一個攝像單元，監視工作站的工作狀態。

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

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

4 應用情況

智能焊接物流線（見圖4）成功應用于國內某大型工程機械集團公司裝載機鏟斗的生產中。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，另一條用于3T/5T鏟斗的混線生產。

在項目實施前期，使用生產系統運作流程與配置優化仿真技術，借助這個客觀的生產系統分析工具，使得用戶在生產系統設計投產之前，就可預先得到智能焊接生產線和工藝流程的各項性能指標，識別流程中的動態影響因子與瓶頸[4]（Bottleneck），從而為生產系統的各種改善提供決策支持。為了使生產效率最高、生產成本最低、利潤最大化，需要合理設置生產系統規劃布局、工藝流程、設備配置、人員崗位安排、生產節拍（Cycle Time）等。經過該平臺仿真驗證，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個翻轉變位機、6個人工補焊工位、一個集控室組成，最佳生產節拍約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。鏟斗智能焊接生產線性能指標如表1所示。

5 結論

智能焊接生產線在國內某大型工程機械集團安裝調試投產后，克服了機器人焊接工作站單兵孤立作戰導致的物流不暢、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合，使得工藝流程清楚明了，物料流轉快速高效，改變了傳統工廠的運輸方式和生產方式，顯著提高了焊接質量和生產效率，實現了工廠的自動化和智能化。該智能焊接流線的成功實施，在行業內起到示范效應，具有較好的市場推廣前景。

[1] 郇 極，肖文磊，劉艷強，等.工業以太網

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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，主要從事自動化設備的設計和研發工作。