岸橋平衡梁機器人智能焊接生產(chǎn)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(jié)構(gòu)焊接仍主要沿用傳統(tǒng)手工方式，自動化程度不高，智能流水化作業(yè)程度低，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量很難滿足市場需求。建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)智能焊接生產(chǎn)流水線[1]，對于推動港口機械產(chǎn)業(yè)智能轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

隨著焊接機器人技術(shù)的快速發(fā)展，自動化焊接系統(tǒng)在汽車[2]、船舶[3]、鋼鐵[4]等行業(yè)得到成功應(yīng)用。經(jīng)過國內(nèi)外大量調(diào)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(chǎn)線，主要焊接行走機構(gòu)大中小異形平衡梁。該生產(chǎn)線兼容性強，可實現(xiàn)日產(chǎn)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(zhuǎn)等，實現(xiàn)自動化焊接。

焊接生產(chǎn)線制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡稱MES）實現(xiàn)平衡梁生產(chǎn)信息的實時傳遞與監(jiān)控，是建設(shè)平衡梁機器人自動化焊接的關(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)的實現(xiàn)方法。

1 MES控制目標與范圍

平衡梁機器人焊接生產(chǎn)線由上下料架、自動控制系統(tǒng)（Auto Control System，ACS）、ABB焊接機器人系統(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、儀器儀表、電控等設(shè)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(chǎn)線MES系統(tǒng)具備生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)過程管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、工位看板和實時監(jiān)控看板，主要用于數(shù)字化監(jiān)控各工位焊接機器人的工作狀態(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)信息及整個生產(chǎn)線的視頻監(jiān)控，并進行相應(yīng)的記錄。

2 生產(chǎn)線布局及工序流程

平衡梁機器人焊接生產(chǎn)線的是由上料架、下料架、平衡梁機器人焊接系統(tǒng)、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(chǎn)線，該機器人焊接生產(chǎn)線用于實現(xiàn)平衡梁的自動焊接功能，各工位間由搬運臺車實現(xiàn)自動化無人轉(zhuǎn)運。

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(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(cè)，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(nèi)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(tǒng)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(qū)并進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)過程，串接生產(chǎn)過程信息；記錄員工上崗離崗信息；采集到設(shè)備運行數(shù)據(jù)，及時呈現(xiàn)給用戶，用戶可直觀即時的得到設(shè)備運行狀況信息；下發(fā)生產(chǎn)計劃指令給底層設(shè)備執(zhí)行。包括：

1）在人工上料臺，人工掃描工作證，MES系統(tǒng)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(tǒng)記錄產(chǎn)品工號、項目名稱、構(gòu)件名稱、機號、圖號、構(gòu)件編號、計劃數(shù)量、部件件號、掃碼段、掃碼時間。

3）分發(fā)焊接數(shù)據(jù)：平衡梁工號、圖號，內(nèi)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(tǒng)各工位的基本狀態(tài)，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(diào)度程序。各工位基本狀態(tài)明細如表1所示。

表1 工位基本狀態(tài)表

不論是直接從設(shè)備PLC上自動獲得數(shù)據(jù)，還是通過profinet獲得數(shù)據(jù)，生產(chǎn)過程實時信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集一般采用標準的數(shù)據(jù)采集接口。這不但能提高整個系統(tǒng)的通用性，而且還可以增強系統(tǒng)的可擴展性。因此，MES焊接生產(chǎn)線的實時數(shù)據(jù)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(tǒng)中進行組態(tài)，如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)線OPC的組態(tài)

MES數(shù)據(jù)啟動前，需要OPC程序?qū)ES數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行請求，啟動數(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)動運行。雙擊相應(yīng)的驅(qū)動條目，可檢查數(shù)據(jù)源端PLC或服務(wù)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(chǎn)線OPC數(shù)據(jù)的監(jiān)控

MES與ACS通過TCP協(xié)議進行數(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ACS完成，MES不直接給設(shè)備發(fā)送動作指令。

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)和焊接編號給ACS，ACS接到任務(wù)后，開始調(diào)運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時調(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)備編號順序，在下料的過程中，如確認上料則MES系統(tǒng)提示：下料中不能上料，請空出位置。

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，也可通過手動增加指令、更改指令狀態(tài)。

MES系統(tǒng)具備平衡梁機器人焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)指令的下達和實際生產(chǎn)過程中信息的反饋功能，以保證生產(chǎn)線智能化的運行。MES主數(shù)據(jù)一般存儲在數(shù)據(jù)庫中，通過數(shù)據(jù)庫中的變量下發(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、任務(wù)狀態(tài)、工件類型、工件編號、工件狀態(tài)、取料工位號、卸料工位號、工件長度數(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)外焊接的標志和焊接程序編號等。

如圖8所示，任務(wù)下發(fā)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(zhuǎn)換至DB100.DBW0數(shù)據(jù)塊中，再傳給PLC運行數(shù)據(jù)塊DB37.DBW0存儲緩存工位202任務(wù)類型中，將MES定義的變量s_task_no通過OPC轉(zhuǎn)換至DB100.DBW2數(shù)據(jù)塊中，再傳給PLC運行數(shù)據(jù)塊DB37.DBW2存儲緩存工位202任務(wù)編號中。

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)可對焊接質(zhì)量進行實時監(jiān)控。通過采集到的焊接設(shè)備參數(shù)（包括電流、焊接電壓、焊接速度）與設(shè)備上下標準值進行比較，產(chǎn)生實時數(shù)據(jù)以圖形化的形式展示，質(zhì)量管理人員發(fā)現(xiàn)異常可及時處理。

在設(shè)備內(nèi)設(shè)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(jié)語

本文論述岸橋平衡梁機器人焊接生產(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，使整個平衡梁的生產(chǎn)制造過程更為高效、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#機器人焊接機203工位的監(jiān)控

本文研究內(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。