岸橋平衡梁機器人智能焊接生產線MES控制方法

楊曉華，王傳存

（上海振華港機重工有限公司，上海 201913）

0 引言

我國是世界港口機械制造大國，但離制造強國還有較大距離。目前港機鋼結構焊接仍主要沿用傳統手工方式，自動化程度不高，智能流水化作業程度低，生產效率和產品質量很難滿足市場需求。建設鋼結構智能焊接生產流水線[1]，對于推動港口機械產業智能轉型升級具有重要意義。

隨著焊接機器人技術的快速發展，自動化焊接系統在汽車[2]、船舶[3]、鋼鐵[4]等行業得到成功應用。經過國內外大量調研，建成岸邊集裝箱橋式起重機（以下簡稱岸橋）平衡梁機器人焊接生產線，主要焊接行走機構大中小異形平衡梁。該生產線兼容性強，可實現日產大平衡梁≥3件或小平衡梁≥12件，適用長度1.0～11.0米、重量3～15噸大中小異形平衡梁的焊接、柔性裝夾及翻轉等，實現自動化焊接。

焊接生產線制造執行系統（Manufacturing Execution System，簡稱MES）實現平衡梁生產信息的實時傳遞與監控，是建設平衡梁機器人自動化焊接的關鍵技術之一。本文從MES系統功能、生產線布局、數據采集、生產調度、焊接質量管控等方面介紹焊接生產線制造執行系統的實現方法。

1 MES控制目標與范圍

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

平衡梁機器人焊接生產線MES系統具備生產計劃管理、生產過程管理、質量管理、設備管理、工位看板和實時監控看板，主要用于數字化監控各工位焊接機器人的工作狀態信息和相關的信息化管理。并配備監控室，可監控各工位的數據信息及整個生產線的視頻監控，并進行相應的記錄。

2 生產線布局及工序流程

平衡梁機器人焊接生產線的是由上料架、下料架、平衡梁機器人焊接系統、手工焊接變位機及物流子母小車等組成的平衡梁機器人焊接生產線，該機器人焊接生產線用于實現平衡梁的自動焊接功能，各工位間由搬運臺車實現自動化無人轉運。

圖1 生產線示意圖

MES從ACS和ABB-Robs中獲取生產線信息，并將生產計劃和用戶生產指令下發給ACS，ACS控制ABB-Robs和其他設備完成焊接任務。

平衡梁是密閉的箱體，內外焊縫都需要機器人焊接，第一次上料焊接三面成型的內外焊縫，再下線，進行蓋面補焊，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線各焊接工位。

圖2 生產工序流程圖

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至平衡梁上下料架上，子車將工件頂升并運輸至母車上，母車將工件及子車運輸至自動焊接工位外側，子車將工件運輸至自動焊接工位，變位機自動將工裝板固定，機器人進行焊接；

2）人工補焊：機器人焊接完成后，子母車將工件運輸至平衡梁上下料架上，人工將工件吊運至人工補焊工位進行人工補焊、上蓋板裝配及上蓋板內部焊縫焊接；

3）上蓋板外焊縫焊接：人工將工件吊運至上下料架上并給系統信號，子母車將工件及工裝板運輸至自動焊接工位，變位機自動裝夾大平衡梁并進行上蓋板外部焊縫焊接；

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

3 生產線數據采集及OPC接口

MES系統使用條碼追溯產品生產過程，串接生產過程信息；記錄員工上崗離崗信息；采集到設備運行數據，及時呈現給用戶，用戶可直觀即時的得到設備運行狀況信息；下發生產計劃指令給底層設備執行。包括：

1）在人工上料臺，人工掃描工作證，MES系統記錄員工班次、工位、員工工號、姓名、日期、上崗時間、下崗時間。

2）掃描平衡梁工件上的二維碼，系統記錄產品工號、項目名稱、構件名稱、機號、圖號、構件編號、計劃數量、部件件號、掃碼段、掃碼時間。

3）分發焊接數據：平衡梁工號、圖號，內焊焊接編號、外焊焊接編號、工件長×寬×高。

圖4 大平衡梁二維碼

4）MES采集焊接系統各工位的基本狀態，與上料工位的平衡梁焊接工序進行匹配，匹配成功后，啟動物流RGV小車調度程序。各工位基本狀態明細如表1所示。

表1 工位基本狀態表

不論是直接從設備PLC上自動獲得數據，還是通過profinet獲得數據，生產過程實時信息系統的數據采集一般采用標準的數據采集接口。這不但能提高整個系統的通用性，而且還可以增強系統的可擴展性。因此，MES焊接生產線的實時數據采集接口采用了目前國際上流行的嵌入式過程控制標準OPC（OLE for process control）接口[5，6]，在PLC系統中進行組態，如圖5所示。

圖5 生產線OPC的組態

MES數據啟動前，需要OPC程序對MES數據庫的數據進行請求，啟動數采程序“WCDAP”程序，打開左側“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”命令以使得驅動運行。雙擊相應的驅動條目，可檢查數據源端PLC或服務器是否已開機且通訊程序已啟動正常運行，如圖6所示。

圖6 生產線OPC數據的監控

MES與ACS通過TCP協議進行數據交互，考慮系統邏輯結構及安全因素，MES所有指令通過ACS完成，MES不直接給設備發送動作指令。

4 焊接工位生產調度

根據工件的信息，MES系統下發焊接任務和焊接編號給ACS，ACS接到任務后，開始調運RGV。

圖7 調度工位代碼

根據平衡梁不同類型，設置不同的緩存焊接上料等工位，如表2所示。

表2 調度工位表

特大平衡梁工件調度路線有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時調度路線有6種可能性：A-E、A-D（優先A-E，A-D次之），A-B、A-C（優先A-C，A-B次之），C-E、B-E（優先B-E，C-E次之）、E-A。

中小異平衡梁工件調度路線有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先順序按設備編號順序，在下料的過程中，如確認上料則MES系統提示：下料中不能上料，請空出位置。

MES系統界面顯示調度執行情況，所有已執行、正在執行、待執行、不執行的指令均可顯示，也可通過手動增加指令、更改指令狀態。

MES系統具備平衡梁機器人焊接生產線生產指令的下達和實際生產過程中信息的反饋功能，以保證生產線智能化的運行。MES主數據一般存儲在數據庫中，通過數據庫中的變量下發至設備PLC的數據塊中，讓PLC執行生產任務。下發的主要任務信息包括任務類別、任務編號、任務狀態、工件類型、工件編號、工件狀態、取料工位號、卸料工位號、工件長度數據、工件重心到托板的數據、工件底板到托板的數據、內外焊接的標志和焊接程序編號等。

如圖8所示，任務下發202中小異平衡梁緩存工位。當指定201為取貨工位號和202為卸料工位號時，將MES定義的變量s_task_type通過OPC轉換至DB100.DBW0數據塊中，再傳給PLC運行數據塊DB37.DBW0存儲緩存工位202任務類型中，將MES定義的變量s_task_no通過OPC轉換至DB100.DBW2數據塊中，再傳給PLC運行數據塊DB37.DBW2存儲緩存工位202任務編號中。

圖8 任務下發202中小異平衡梁緩存工位

5 焊接質量管控

MES系統可對焊接質量進行實時監控。通過采集到的焊接設備參數（包括電流、焊接電壓、焊接速度）與設備上下標準值進行比較，產生實時數據以圖形化的形式展示，質量管理人員發現異常可及時處理。

在設備內設置一個標準值，上限值和下限值=標準值*（1+/-浮動百分比），同一時間所有的浮動百分比都相同，浮動值的修改不會影響歷史上下限值。

6 結語

本文論述岸橋平衡梁機器人焊接生產線MES控制方法，包括生產線布局、數據采集、生產任務下發、RGV調度、焊接質量管理等。MES系統的成功應用，提升了不同類型平衡梁的生產能力，使整個平衡梁的生產制造過程更為高效、優質、節能和環保，為精益制造、智能制造鋪好基石。

圖9 1#機器人焊接機203工位的監控

本文研究內容可為大型鋼結構智能制造提供參考，有助于優化生產方式，減少人工參入生產過程，提高產品質量，全面提升企業信息化管理和制造水平。