轉向架焊接機器人智能集控系統(tǒng)及關鍵技術

田學華，張志毅，吳向陽，湛紅暉

（1. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2. 華中科技大學無錫研究院，江蘇 無錫 214100）

1 引言

焊接作為一種重要的生產工藝，廣泛應用于汽車、軌道交通、船舶重工和航空航天等裝備制造業(yè)。在“中國制造2025”的大環(huán)境下，將先進的數字化、信息化技術與自動化焊接技術相融合，形成數字化、智能化焊接集控系統(tǒng)，正成為裝備制造業(yè)焊接工藝的主要制造模式和發(fā)展趨勢。

國內數字化智能化、焊接研究始于20世紀90年代，集中在焊接工藝優(yōu)化、焊接質量評估、工藝自動設計和焊接績效評估等方面。

早期的專家系統(tǒng)受制于信息采集技術落后，信息缺乏，焊接系統(tǒng)的智能化水平較低，對工程應用的指導有限。隨著RFID、傳感器網絡、工業(yè)無線網絡、MEMS和傳感器技術的成熟和發(fā)展，以無處不在的感知為代表的新一代工業(yè)互聯(lián)網和物聯(lián)技術將是促進焊接工藝發(fā)展的新驅動力，使得人們由現在對焊接設備與過程的了解不足，向三維空間加時間的多維度泛在感知和透明化發(fā)展。多家行業(yè)制造龍頭，應用物聯(lián)網技術提高了生產線過程檢測、實時參數采集、生產設備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測和生產過程協(xié)同等方面，形成了對生產過程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策和智能維護，提高了生產效率，提升了產品質量，優(yōu)化了生產流程。

2 轉向架焊接制造現狀及需求分析

焊接作為一種重要的生產工藝，在軌道交通裝備制造技術體系中占有重要的地位。以轉向架焊接車間B5產線為試點，研究轉向架焊接機器人集群控制技術，以期達到“（準）黑燈化”，進而為全面推廣和提升企業(yè)焊接生產智能化奠定技術基礎。

目前焊接生產線由若干臺IGM焊接機器人、移位器、RGV和緩存架等組成，采用工作單元無人、作業(yè)區(qū)域少人的作業(yè)方式，面對設備長時間、全位置自動化焊接作業(yè)，迫切需要進行升級改造。

（1）焊接機器人集群控制

轉向架焊接機械手屬于進口設備，無法授信二次開發(fā)實現集群控制，作業(yè)狀態(tài)信息不能提取進行數據驅動，無法實現集群控制管理，相關設備產能、生產節(jié)拍等未納入統(tǒng)一管控，無法發(fā)揮各設備最大效能。

（2）焊接產線系統(tǒng)集成管控

設備長期運行中容易出現焊接異常，存在焊接過程中質量隱患。焊接前由于工件上下料不能自動識別，需要人工物料轉運、產品識別和程序調用，未實現對焊接對象的自動識別和防錯，焊接程序存在調用錯誤風險。

（3）焊接質量在線監(jiān)測與評估

焊接過程中多層多道焊接時缺乏過程自動監(jiān)測和檢測，易導致層間缺陷累積影響焊接質量，焊接后對發(fā)生的質量問題分析缺少有效、直觀的載體支撐。

（4）焊接機器人健康管理

設備關鍵部件如焊機、伺服、升降臂和傳動載荷等目前尚無健康數據分析，設備投用存在異常停機風險。一旦出現故障，設備控制系統(tǒng)響應不及時，存在較大的停機風險，同時容易造成層間缺陷累計影響焊接質量。

針對以上問題，迫切需要建立焊接機器人集控系統(tǒng)，實現焊接過程中“人-機-料-法-環(huán)”信息的高效采集、儲存、應用和集中管控，提高產品一次合格率，將企業(yè)長期積累的焊接相關數據、知識和經驗，梳理后建立焊接共享數據庫、知識庫和模型庫，為焊接數據和知識在企業(yè)甚至行業(yè)共享建立基礎，推動軌道交通裝備制造業(yè)從傳統(tǒng)模式向數字化智能化生產模式轉變。

3 智能集控系統(tǒng)設計

焊接機器人智能集控系統(tǒng)如圖1所示，由生產執(zhí)行控制系統(tǒng)、生產集中管控系統(tǒng)和可視化監(jiān)控平臺組成。

圖 1 焊接產線智能集控系統(tǒng)架構

建立的系統(tǒng)作為焊接車間現場管理系統(tǒng)，集成MES、QMS和PDM等上層系統(tǒng)，實現所有生產系統(tǒng)的數據連接，通過數據接口實現數據的有效流轉。

底層生產執(zhí)行控制系統(tǒng)包括機器人集群控制、RGV調度控制、安全報警控制和生產異常停機控制等四個功能模塊。機器人集群控制能將機器人作業(yè)的實際參數及時采集上傳，所有工位設備的生產日志數據自動存儲并自動傳送到上游系統(tǒng)服務器中。上傳上游信息系統(tǒng)的信息包括生產進度、質檢信息、異常信息、物料傳遞信息、過程控制信息、設備維護信息、設備狀態(tài)參數和工具工裝信息等。實際各工位數據包含產品編碼、產品圖號、單件序列號、機器人編號、工件上線和下線時間、操作者、設備運行日志、設備名稱、設備報警類型編號、報警時間和報警信息等。

RGV調度控制根據工件掃碼信息，匹配MES工單，驅動物流設備完成配送過程。同時，可將物流的配送情況，配送過程中的異常狀態(tài)等信息反饋給上游的信息系統(tǒng)。

安全報警控制能實時調用各子系統(tǒng)現場作業(yè)視頻，進行實時監(jiān)控，發(fā)現異常能即時終止程序。

4 智能集控系統(tǒng)關鍵技術

針對轉向架焊接工藝流程與工藝特點，對焊接過程的生產安全、質量控制和物流執(zhí)行等關鍵工序進行智能化改造，結合實時生產過程監(jiān)控，將人員、設備、夾具/胎位和零部件等所有資源進行管理和調度，從而形成生產效率高、自動化程度高以及高度柔性化的數字化焊接管控車間，滿足公司多品種產品并行生產、多種個性化產品定制的需求。其中，關鍵技術及其技術路線介紹如下。

4.1 面向焊接車間成套裝備的多源數據采集方法

對IGM焊接機器人及其他成套裝備的多源數據采集，是建立焊接機器人智能集控系統(tǒng)的前提。目前，多源數據采集主要有4種方式。

（1）TCP/IP協(xié)議的以太網模式

以太網方式的信息采集內容豐富，可以做到遠程控制，是未來現場控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前各主要數控系統(tǒng)廠商均配備了局域網口，并提供了與其他系統(tǒng)方便集成的接口，本系統(tǒng)對于這些類型的設備均具備了接口功能，在DNC項目中盡量采用此種方案。

（2）局域網卡式的DNC網絡采集模式

通過局域網卡式的DNC網絡采集模式，可以實時采集生產設備程序運行的開始/結束信息、設備運行狀態(tài)信息（斷電、開機、運行、空閑和報警等）、系統(tǒng)狀態(tài)信息（編輯、手動、運行和MDI等），設備所有報警信息（設備錯誤、系統(tǒng)錯誤和操作提示等）、程序運行內容（程序號信息、程序段信息和各種坐標值數據）、操作履歷數據、刀具/設備參數表、設備的實時坐標信息以及主軸功率等。

（3）數據采集卡

此方法與控制系統(tǒng)無關，只要能與生產設備的相關I/O點、對應的傳感器連接上，采用采集卡即可采集到相關加工信息，目前可以采集的內容有：設備上電，設備斷電，加工開始，加工結束，設備故障，設備功率，各種壓力以及溫度等。

此種方式適用系統(tǒng)為無串口、無局域網絡設備，目前主要有3種方式。

1）開關量采集卡：主要采集設備的開關機，程序運行的開始、結束和報警等信息。

2）模擬量采集卡：主要采集設備主軸功率、溫度和壓力等模擬量。

3）混合型采集卡：采集設備開關量信息和各類模擬量信息等。

本項目中焊接設備的焊接電流、焊接電壓和焊接速度計劃均采用此模式來采集。

（4）組態(tài)軟件采集

對于非數控類的采用PLC控制類的設備可以采用組態(tài)軟件（比如組態(tài)王、力控組態(tài)均可）來直接讀取PLC中的相關信息，包括PLC中保存的各種狀態(tài)的I/O點信息和模擬量信息（如溫度、壓力等），將讀取的I/O點信息和模擬量信息存入系統(tǒng)的數據庫中。

組態(tài)軟件通過串口或網口與需要采集設備的PLC相連，采用計算機采集、處理數據，可實時輸出各種曲線，從而提高設備的監(jiān)控效果。各個生產設備的數據均可集中到一個統(tǒng)一的工藝流程圖中顯示，極大的方便了設備管理，另外組態(tài)系統(tǒng)集成了豐富的工藝設備圖庫，能夠開發(fā)出形象逼真的工藝流程圖，畫面支持3D方式動態(tài)顯示各個設備的狀態(tài)、實時值等，顯示效果理想。

綜合考慮，組態(tài)方式采集具有投入硬件少，連接方便，穩(wěn)定可靠，以及適應性強、開放性好、易于擴展、經濟以及開發(fā)周期短等優(yōu)點。所以，本項目中涉及到的所有PLC類控制設備均采用此類方式。對于沒有接入PLC控制的數據，包括特定傳感器、部分硬件接口未開放的機器人、RGV運輸小車以及檢測設備數據，系統(tǒng)采用串口方式訪問、TCP/IP協(xié)議訪問和I/O端口解析等方式進行數據的獲取，統(tǒng)一存入數據庫便于系統(tǒng)訪問。

4.2 焊接工藝程序的遠程推送與調用技術

焊接裝備工藝程序的遠程推送與調用，一是需要穩(wěn)健的DNC網絡，防止程序上傳下達不通或缺失；二是需要建立一套符合生產現場的作業(yè)流程，確保程序調用正確；三是建立焊接程序管理系統(tǒng)，保證焊接程序及參數的規(guī)范和質量；四是需要一套基于RFID的構架識別與校驗的技術手段。

（1）基于穩(wěn)健DNC網絡的程序通信與管理方法

對加工現場的數控系統(tǒng)進行合適的組網部署與改造提升，以適應FANUC、SIEMENS和FIDIA等控制系統(tǒng)的要求，實現數控設備聯(lián)網與遠程通信。在此基礎上，通過部署基于現場的數控系統(tǒng)實時監(jiān)控設備，對機器人本體及工藝參數進行數據采集和監(jiān)控管理。

基于現有的標準以太網環(huán)境，在焊接機器人數控系統(tǒng)的通信模塊基礎上，采用“智能終端”的串口服務器方案，實現對數控系統(tǒng)的統(tǒng)一集中通信。智能終端將焊接機器人作為車間局域網環(huán)境的一個節(jié)點聯(lián)入到車間以太網絡中。

DNC數據傳輸功能需要實現：

1）遠程請求，操作員直接在機器人控制面板上可以下載所需要的加工程序；

2）遠程查詢，在控制面板上能夠查詢DNC服務器或焊接工藝庫上的程序清單、程序大小和編程日期等；

3）自動接收，程序上傳時，能夠自動或通過RFID識別觸發(fā)接收、自動命名和自動保存數控程序，DNC服務器無需專人職守；

4）遠程比較，在機器人操作面板上可以將機器人內的程序和服務器的程序進行比較，并將比較結果顯示在執(zhí)行終端上；

5）多重校驗機制，程序每次傳輸都有成功或失敗報告，確保程序傳輸準確可靠。

網絡化的統(tǒng)一數據管理和雙向數據傳輸，實現數控加工程序由服務器到機器人的遠程雙向上傳/下載及數控設備參數的備份/恢復等功能，保證機器人最佳的工作負荷和效率，并能保證數據傳輸穩(wěn)定快捷，準確無誤，確保系統(tǒng)數據傳輸的穩(wěn)定可靠。

整個DNC網絡系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖 2 DNC網絡系統(tǒng)

（2）基于RFID的構架識別與校驗方法

焊接生產線涵蓋自動輸送系統(tǒng)RGV，將構架自動組裝機器人、自動焊接機器人、自動檢測系統(tǒng)、緩沖臺、順心夾具、人工臺位和暫存臺等集成，實現按節(jié)拍自動流轉，所有工序和緩沖臺位物料、RGV狀態(tài)均由RFID進行狀態(tài)采集并由生產線控制系統(tǒng)進行管控。

首先對工件進行改造，設計RFID安裝凸臺，安裝RFID芯片，通過在緩存架上部署RFID讀寫器及數據融合中間件，自動掃描工件，實現工件全流程跟蹤監(jiān)控，并與焊接工位“人-機-料-法-環(huán)”要素綁定，方便自動調用不同工件的工藝流程、物流及焊接工藝參數及數控程序，通過DNC網絡，將數控程序傳輸至焊接機器人等設備。

項目以工業(yè)級抗金屬RFID電子標簽為載碼體，實現對構架（橫梁/側梁）的識別與校驗，并觸發(fā)焊接工藝參數遠程調用。RFID采用定制的RFID螺釘標簽，采用超高頻無源抗金屬型號，在構架兩側綁定同一ID標簽，擰在構架兩邊高度閥上。在準備工位、加工工位和裝卸工位分別設置RFID芯片讀取裝置，實時追蹤構架位置。工件焊接工藝業(yè)務流程如圖3所示。

圖 3 工件焊接工藝業(yè)務流程

通過RFID對工件狀態(tài)和設備PLC等控制系統(tǒng)的數據采集，實現物料追蹤、質量控制，將生產現場數據采集到生產指揮中心，提高企業(yè)生產過程的透明化。上游信息系統(tǒng)的信息可以無縫下達到焊接工位，也可以從生產工位中采集所有需要的信息；RFID將掃描的物料信息與上游信息系統(tǒng)中傳遞的工單信息進行對比，定位生產工單；集控系統(tǒng)承接上游信息系統(tǒng)傳遞的生產工單信息，將相應的作業(yè)指令分配到具體的作業(yè)設備，自動將程序下載至每臺機器人作業(yè)系統(tǒng)。

4.3 焊接工位數字孿生技術研究

搭建與真實物理行為高保真映射的虛擬仿真環(huán)境，構建模塊化、通用化的數字孿生焊接工位系統(tǒng)，實現焊接全過程虛實同步監(jiān)控管理。數字孿生系統(tǒng)包括設備層、感知層、驅動層和應用層。其中，設備層與感知層用于焊接工位異構多源數據的實時采集與數據預處理；驅動層負責數據集成和數據管理，并通過構建面向真實物理行為高仿真映射的虛擬仿真環(huán)境，支撐對三維焊接工位模型的實時驅動；應用層基于實時數據驅動的虛擬車間，滿足使用者對焊接的追溯分析、實時監(jiān)控和預測仿真等需求。數字孿生系統(tǒng)開發(fā)主要包括三個步驟。

1）數字化建模。采用CAD、3D Studio Max 和 Unity3D等軟件工具，進行物理場景輕量化建模、運動約束關系定義和模型渲染，搭建虛擬仿真環(huán)境模型。

2）數據驅動。對焊接車間運行數據進行集成與管理，包括外部數據刷新、運動驅動、數據存儲、分析和數據請求響應等，準確得到數字空間與物理空間完全匹配的運動呈現。

3）應用服務。包括①監(jiān)控視角模塊：包括跟隨視角、固定對象視角、自由視角等，通過不同視角對機器人動作進行呈現；②狀態(tài)展示模塊：監(jiān)控機器人運行狀態(tài)信息和作業(yè)工單信息；③健康監(jiān)測模塊：機器人故障數據和維護保養(yǎng)信息統(tǒng)計報表，閥值報警和維護保養(yǎng)提醒。

轉向架焊接車間數字孿生系統(tǒng)主題界面如圖4所示，主要包括3D展示區(qū)，進行多視角展示與人機交互；生產統(tǒng)計信息區(qū)，顯示當前生產工單信息、累計生產信息報表等；故障和保養(yǎng)信息區(qū)，顯示設備典型故障數據、維修保養(yǎng)信息和焊接質量管理信息等；設備切換區(qū)，選擇不同的設備進行動態(tài)監(jiān)控。

圖 4 轉向架焊接車間數字孿生系統(tǒng)主界面

5 結束語

圍繞焊接工位數字化、智能化發(fā)展需求，開發(fā)轉向架焊接機器人智能集控系統(tǒng)。通過上述研究，可實現以下目標：

1）開發(fā)工件自動識別、程序自動推送與調用程序，實現轉向架焊接機器人集群控制；

2）開發(fā)產線自主控制系統(tǒng)，實現轉向焊接產線全自動物流轉運和生產；

3）實現焊接過程中質量監(jiān)測和可追溯管理；

4）實現設備關鍵部件健康數據監(jiān)測及異常遠程停機處理。