鈑材焊接自動(dòng)線監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)

李欽奉，朱夢秀，齊繼陽

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

隨著鈑材焊接產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，鈑材焊接的效率和質(zhì)量面臨著巨大的挑戰(zhàn)。鈑材焊接自動(dòng)線是一條面向客戶訂單的多品種，小批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的快速焊接組裝。由于產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中同一工位需要進(jìn)行多次上料，所以容易出現(xiàn)錯(cuò)焊、漏焊，或者鈑材供應(yīng)不及時(shí)的問題。并且自動(dòng)線占地面積大，工作環(huán)境惡劣，故人工采集信息困難，不利于工作人員對生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控與檢修，無法保證焊接質(zhì)量，極易造成生產(chǎn)浪費(fèi)[1]。而現(xiàn)有的生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)中訂單管理基本都是通過手工輸入到系統(tǒng)中，并且根據(jù)不同產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的需求，生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)需要不斷調(diào)整監(jiān)控參數(shù)的范圍，這勢必會影響自動(dòng)線的生產(chǎn)效率。若能對生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)控，并且專業(yè)人員可以通過上位機(jī)軟件來快速管理訂單信息與生產(chǎn)過程監(jiān)控，則可保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率并且有效降低生產(chǎn)浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效益。對于生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)，許多科研人員對其進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]對汽車混流裝配生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、制品的跟蹤以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測；文獻(xiàn)[2]針對汽車換擋器裝配生產(chǎn)線生產(chǎn)管理中存在的實(shí)際問題，利用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控與管理；文獻(xiàn)[3]運(yùn)用C語言作為開發(fā)語言，在WinCC軟件中構(gòu)建了生產(chǎn)線焊縫監(jiān)控客戶端。

2 焊接自動(dòng)線的結(jié)構(gòu)與工藝

鈑材焊接自動(dòng)線結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。主要由兩部分組成：焊接輸送系統(tǒng)與焊件儲運(yùn)系統(tǒng)。焊接輸送系統(tǒng)一般包括升降模塊、首端模塊、若干個(gè)焊接機(jī)器人工作模塊、下料模塊以及尾端模塊。其中焊接機(jī)器人工作模塊分為以下3種工作模塊：無變位模塊、回轉(zhuǎn)模塊和翻轉(zhuǎn)模塊，每種工作模塊又有兩種工作模式：單工位工作模式和雙工位工作模式。焊件儲運(yùn)系統(tǒng)一般包括對應(yīng)無變位模塊的第一上料模塊，對應(yīng)回轉(zhuǎn)模塊的第二上料模塊和對應(yīng)翻轉(zhuǎn)模塊的第三上料模塊。

圖1 鈑材焊接自動(dòng)線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of Welding Automatic Line

焊接自動(dòng)線的生產(chǎn)流程，如圖2所示。自動(dòng)線運(yùn)行過程中，首先將裝有焊接基礎(chǔ)板的隨行夾具經(jīng)升降模塊提升至前進(jìn)輸送線高度，由升降模塊和首端模塊將隨行夾具推至前進(jìn)輸送線上，裝有焊接基礎(chǔ)板的隨行夾具隨著前進(jìn)輸送線移動(dòng)到無變位模塊，此時(shí)第一上料工位運(yùn)動(dòng)，選擇需要的鈑材通過上料機(jī)器人運(yùn)送至無變位模塊，由無變位模塊對應(yīng)的焊接機(jī)器人對其進(jìn)行焊接。焊接完成后，隨行夾具向前移動(dòng)至回轉(zhuǎn)模塊進(jìn)行變位，變位后由第二上料工位的上料機(jī)器人將需要的鈑材運(yùn)送至回轉(zhuǎn)模塊，由回轉(zhuǎn)模塊對應(yīng)的焊接機(jī)器人對其進(jìn)行焊接。焊接完成后，隨行夾具繼續(xù)向前移動(dòng)至翻轉(zhuǎn)模塊進(jìn)行變位，變位后由第三上料工位的上料機(jī)器人將需要的鈑材運(yùn)送至翻轉(zhuǎn)模塊，由翻轉(zhuǎn)模塊對應(yīng)的焊接機(jī)器人對其進(jìn)行焊接。焊接完成后，隨行夾具向前移動(dòng)至下料模塊由下料模塊的起重機(jī)進(jìn)行下料。之后隨行夾具再經(jīng)尾端模塊和升降模塊2由返回輸送線返回至原位。

圖2 鈑材焊接自動(dòng)線的生產(chǎn)流程Fig.2 Production Process of Automatic Monitoring System for Sheet Metal Welding

3 監(jiān)控需求分析

3.1 焊接機(jī)器人工作模塊的監(jiān)控

焊接機(jī)器人工作模塊故障主要包括翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)故障，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)故障以及焊接設(shè)備故障等。當(dāng)焊接隨行夾具到達(dá)翻轉(zhuǎn)模塊或回轉(zhuǎn)模塊時(shí)，由對應(yīng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將其頂升進(jìn)行翻轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)，其工作精度直接影響設(shè)備的焊接精度，當(dāng)翻轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)角度過多或者不足時(shí)，模塊對應(yīng)的上料模塊將無法準(zhǔn)確定位輸送鈑材。當(dāng)焊接設(shè)備工作對鈑材進(jìn)行焊接時(shí)，焊接電流的控制將直接影響鈑材的焊接質(zhì)量。對焊接機(jī)器人工作模塊故障的檢測與診斷的主要方法有：通過編碼器來對各個(gè)變位機(jī)的變幅進(jìn)行監(jiān)控，通過檢測到的信號數(shù)據(jù)與預(yù)定值進(jìn)行比較來判斷故障；通過電流傳感器對各個(gè)焊接機(jī)器人的焊接電流進(jìn)行監(jiān)控，查看檢測到的數(shù)據(jù)是否超出預(yù)設(shè)范圍。

3.2 焊件儲運(yùn)系統(tǒng)的監(jiān)控

焊件儲運(yùn)系統(tǒng)故障主要包括上料設(shè)備故障和料倉儲運(yùn)故障。上料設(shè)備故障包括上料電磁吸盤以及傳感器故障。上料電磁吸盤故障將導(dǎo)致鈑材一次上料過多或者漏上料；傳感器故障會直接影響焊件儲運(yùn)系統(tǒng)無法上料。料倉儲運(yùn)故障包括料倉移動(dòng)裝置故障以及料倉故障。對焊件儲運(yùn)系統(tǒng)故障的檢測與診斷的主要方法有：監(jiān)測電磁吸盤的工作電流是否在規(guī)定范圍內(nèi)；傳感器的信號電壓是否超出可能范圍；料倉移動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)電流是否正常；料倉頂升裝置的壓力值是否超出最大值或低于最小值。

3.3 下料模塊的監(jiān)控

下料模塊的故障主要是起重電機(jī)故障。當(dāng)鈑材焊接完成后，在下料模塊處通過起重機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行下料。由于產(chǎn)品在下料時(shí)需要人工進(jìn)行輔助，如果下料模塊發(fā)生故障將威脅到工作人員的安全以及設(shè)備的健康。對下料模塊故障的檢測與診斷的主要方法有：監(jiān)測起重電機(jī)的啟動(dòng)電流，通過判斷啟動(dòng)電流是否在正常范圍內(nèi)來判斷起重電機(jī)是否故障；監(jiān)測下料鏈條所受的拉力，判斷工作拉力是否在允許范圍內(nèi)。

4 控制系統(tǒng)總體方案

圖3 板材焊接自動(dòng)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Automatic Monitoring System for Sheet Metal Welding

由于板材焊接自動(dòng)線監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，所以它必須能實(shí)時(shí)采集各個(gè)監(jiān)控參數(shù)的信息，同時(shí)它也要保證發(fā)出的控制指令能夠準(zhǔn)確無誤地送達(dá)自動(dòng)線上的各個(gè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行情況[4]。為了保障控制信息和監(jiān)控信息及時(shí)和準(zhǔn)確地傳遞，采用基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的需求，硬件部分選用S7-300系列PLC作為其現(xiàn)場監(jiān)控核心，S7-300PLC作為整條自動(dòng)線系統(tǒng)控制核心，需協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，同時(shí)通過DP總線收集各個(gè)設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)將其傳送給現(xiàn)場監(jiān)控上位機(jī)并將控制信號送入各個(gè)設(shè)備[5]。其他硬件還包括遠(yuǎn)程監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)、Profibus電纜以及各類信號采集傳感器等。板材焊接自動(dòng)線的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

5 實(shí)例應(yīng)用

5.1 訂單錄入

由于鈑材焊接自動(dòng)線的產(chǎn)品數(shù)據(jù)、變量數(shù)據(jù)以及報(bào)表數(shù)據(jù)等較為復(fù)雜，WinCC組態(tài)軟件無法直接處理，故監(jiān)控系統(tǒng)采用SQL Server 2005作為WinCC的后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，利用VBS腳本和Excel軟件綜合開發(fā)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。軟件中使用ADO/WinCC OLE DB建立數(shù)據(jù)庫與WinCC之間的連接[7]。

為了方便對自動(dòng)線訂單及時(shí)處理，在WinCC監(jiān)控系統(tǒng)中開發(fā)出訂單錄入功能。WinCC7.0組態(tài)軟件中的VBScript與Excel數(shù)據(jù)處理軟件有很好的接口，故可將數(shù)據(jù)的錄入與導(dǎo)出通過WinCC組態(tài)軟件的全局腳本實(shí)現(xiàn)[8]。訂單錄入由Excel文件打開、數(shù)據(jù)庫連接和數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫三部分構(gòu)成。其流程，如圖4所示。

圖4 訂單錄入流程圖Fig.4 Order Entry Flow Chart

5.2 參數(shù)配置

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，由于不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝不同，一些重要的參數(shù)監(jiān)控范圍有所不同。如當(dāng)產(chǎn)品鈑材的厚度不同時(shí)，焊接電流的監(jiān)控范圍會有所變化；當(dāng)產(chǎn)品所需鈑材質(zhì)量不同時(shí)，對上料電磁吸盤的吸力要求就會有所變化。在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控中缺乏對復(fù)雜監(jiān)控參數(shù)配置的有效方法，當(dāng)產(chǎn)品型號發(fā)生改變時(shí)需要手動(dòng)對每個(gè)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行修改，費(fèi)時(shí)又容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。本系統(tǒng)主要在SQL Server中建立產(chǎn)品參數(shù)配置數(shù)據(jù)庫，通過WinCC的VBS腳本連接外部數(shù)據(jù)庫，調(diào)用存放在數(shù)據(jù)庫中的已經(jīng)編寫好的各個(gè)產(chǎn)品的參數(shù)值，優(yōu)化監(jiān)控參數(shù)設(shè)置，提高了生產(chǎn)效率[9]。

以XB6140銑床床頭箱為例，生產(chǎn)產(chǎn)品為該床頭箱時(shí)，在參數(shù)設(shè)置界面中點(diǎn)擊“選擇參數(shù)”按鈕，從外部數(shù)據(jù)庫中調(diào)出產(chǎn)品參數(shù)設(shè)置表，選擇XB6140的參數(shù)組，并將這些數(shù)據(jù)賦給參數(shù)設(shè)置界面對應(yīng)的輸入輸出域[10]，其結(jié)果，如圖5所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面Fig.5 Parameter Setting Interface

5.3 WinCC監(jiān)控界面

監(jiān)控界面根據(jù)監(jiān)控要求設(shè)計(jì)了主界面、參數(shù)設(shè)置、歷史趨勢、報(bào)警信息、訂單導(dǎo)入等界面。其中主界面由動(dòng)畫仿真區(qū)、設(shè)備操作區(qū)、實(shí)時(shí)參數(shù)顯示區(qū)以及系統(tǒng)報(bào)警區(qū)組成。通過主界面中的系統(tǒng)報(bào)警區(qū)可以準(zhǔn)確的確定設(shè)備的故障位置；通過實(shí)時(shí)參數(shù)顯示區(qū)可以直觀的觀察設(shè)備的監(jiān)控參數(shù)；在設(shè)計(jì)系統(tǒng)動(dòng)畫仿真區(qū)的過程中，首先使用Pro-E軟件完成生產(chǎn)線的三維設(shè)計(jì)，之后根據(jù)工藝流程的要求在Pro-E中將設(shè)備的有效動(dòng)作都做出來，動(dòng)畫的形成是有一幀一幀的圖片組成的，在Pro-E中就有專門的工具可以將每一幀圖片導(dǎo)出[6]。之后在組態(tài)軟件的圖片編輯器中新建圖形對象，將圖片加載到相應(yīng)的圖形對象中，同時(shí)對每個(gè)圖形對象是否顯示進(jìn)行變量連接，以便用程序控制。XB6140銑床床頭箱焊接監(jiān)控主界面，如圖6所示。

圖6 XB6140銑床床頭箱焊接監(jiān)控主界面Fig.6 Welding Monitoring Main Interface of XB6140 Milling Machine Head Box

6 結(jié)語

根據(jù)鈑材焊接自動(dòng)線的實(shí)際生產(chǎn)要求，為了保證自動(dòng)線的正常運(yùn)行以及產(chǎn)品質(zhì)量，開發(fā)了一套基于WinCC的監(jiān)控系統(tǒng)。通過分析自動(dòng)線生產(chǎn)工藝及監(jiān)控系統(tǒng)的需求，確定了監(jiān)控參數(shù)，減少了參數(shù)冗余。通過將WinCC軟件與Excel以及SQL軟件相結(jié)合，開發(fā)訂單導(dǎo)入功能以及監(jiān)控參數(shù)快速配置功能，提高了系統(tǒng)的工作效率，節(jié)省了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間。通過監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行可以有效的提高鈑材焊接自動(dòng)線的生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，提高鈑材焊接自動(dòng)線的經(jīng)濟(jì)效益。