基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)理念的工程機(jī)械智能裝配關(guān)鍵技術(shù)探索

李琳莉

（飛卓科技（上海）股份有限公司，上海 201505）

0 引言

工程機(jī)械智能裝配生產(chǎn)線上要使用多種傳感器來獲取諸如工件位置信息、組裝機(jī)械的壓力、設(shè)備運(yùn)行電流和電壓等生產(chǎn)工藝參數(shù),傳統(tǒng)的做法是把所有的傳感器都通過線纜直接接入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),導(dǎo)致線路多、故障點(diǎn)多,降低了生產(chǎn)效率。 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過把傳統(tǒng)傳感器改造為智能傳感器,然后利用無線傳輸?shù)姆绞綄F(xiàn)場信號遠(yuǎn)程發(fā)給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),省去了傳統(tǒng)的大量的安裝布線工作和線路故障排查工作,這種應(yīng)用了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能裝配生產(chǎn)線能夠極大地提升裝配效率,應(yīng)用前景廣泛。

1 智能裝配的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

1.1 良好的狀態(tài)感知能力

所謂的感知實(shí)際上就是采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù),如方位、距離、壓力等參數(shù)。 工程機(jī)械智能裝配實(shí)際上是將各種組件自動地組裝在一起,使其達(dá)到機(jī)械設(shè)備裝配標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的裝配工作主要依靠人力來完成,而現(xiàn)在在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能控制技術(shù)的支持下,大部分的裝配工作都可依靠帶狀態(tài)感知能力的智能機(jī)械設(shè)備來自動完成。 和人工裝配不同,這種智能裝配系統(tǒng)能自動感知工件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息,并將這些信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂破脚_,然后由控制平臺發(fā)出指令控制執(zhí)行機(jī)械臂完成工件定位、就位、安裝、緊固、焊接等一系列活動。 顯而易見,狀態(tài)感知能力強(qiáng)弱與否在智能裝配技術(shù)中起到非常關(guān)鍵的作用,因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)裝配模式下主要由人的眼睛、觸覺來完成相應(yīng)的工作,而人體的感知能力非常發(fā)達(dá),可有效完成裝配任務(wù)。 而改用機(jī)械化、自動化的裝配系統(tǒng)之后,感知能力的精度、靈敏度等將直接決定裝配效果,因此,傳感器本體的感知響應(yīng)能力和信號傳輸網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、時(shí)延性及抗干擾能力在設(shè)計(jì)中都需要重點(diǎn)考慮。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要通過無線傳感來實(shí)現(xiàn)信號傳輸,在具體設(shè)計(jì)過程中要考慮到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號穩(wěn)定性、環(huán)境抗干擾能力,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要部署在機(jī)械裝配車間內(nèi)部,在使用過程中要達(dá)到良好的安全性和可擴(kuò)展性［1］。

1.2 數(shù)據(jù)存儲與處理能力

智能裝配生產(chǎn)線中涉及的數(shù)據(jù)采集場景非常多,所采集的參數(shù)數(shù)據(jù)也各不相同,其中涵蓋了距離、角度、壓力等多種類型的參數(shù),這些數(shù)據(jù)存在不同的定義、用途和結(jié)構(gòu),由此引發(fā)的問題是數(shù)據(jù)類型不統(tǒng)一、完整性不足。 因此,在設(shè)計(jì)智能裝配生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)時(shí),要考慮到多元異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的融合性,否則在后期的數(shù)據(jù)管理中會產(chǎn)生很大的難度,對于數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中涉及的應(yīng)用技術(shù)有很多,本文僅對可溯源數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)模型演化這兩種關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)做簡單闡述。

(1)可溯源數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用。 工程機(jī)械智能裝配生產(chǎn)車間每天都會產(chǎn)生大量的生產(chǎn)制造數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫,經(jīng)過長期的積累之后會形成大量的歷史數(shù)據(jù)。 智能裝配車間在日常管理過程中會有查詢歷史數(shù)據(jù)的需求,也就是數(shù)據(jù)溯源,借此來控制和管理整個(gè)生產(chǎn)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)。 因此,在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)時(shí),要充分考慮大數(shù)據(jù)的存儲空間,可設(shè)計(jì)成分布式數(shù)據(jù)庫,為了提高數(shù)據(jù)的安全性,還要做好數(shù)據(jù)的冗余備份管理。 另外,數(shù)據(jù)量增大之后,數(shù)據(jù)庫的查詢速度就會下降,這一點(diǎn)將會影響智能裝配生產(chǎn)線的響應(yīng)速度,進(jìn)而導(dǎo)致裝配過程難以控制好精度和各種參數(shù)。 因此,在數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,響應(yīng)速度是重中之重。

(2)設(shè)備數(shù)據(jù)模型演化技術(shù)的應(yīng)用。 智能裝配在使用過程中要通過實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)操控裝配機(jī)械,該數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)不能產(chǎn)生過大的延遲,否則就會嚴(yán)重制約裝配過程的精度。 如果采用分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng),當(dāng)多個(gè)系統(tǒng)控制組件同時(shí)運(yùn)行時(shí),還要確保其獲取的數(shù)據(jù)是完全一致的。 因此,在設(shè)計(jì)智能裝配生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)系統(tǒng)時(shí),提倡靈活運(yùn)用模型演化技術(shù)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

工程機(jī)械智能裝配系統(tǒng)總體架構(gòu),如圖1 所示。此架構(gòu)由3 層組成,第一層為感知層,是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ),包括傳感器或讀卡器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)接入網(wǎng)關(guān)之前的傳感器網(wǎng)絡(luò)。 其任務(wù)是識別物體和采集系統(tǒng)中的相關(guān)信息,從而實(shí)現(xiàn)對“物”的認(rèn)識與感知,諸如智能裝配系統(tǒng)中常用的傳感器:電壓/電流傳感器、測距傳感器、扭矩傳感器、氣壓傳感器、攝像頭、RFID 傳感器等。 第二層為網(wǎng)絡(luò)層,是建立在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的融合網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)層通過各種接入設(shè)備與移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相連,其主要任務(wù)是通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)信息的傳輸、初步處理、分類、聚合等,用于溝通感知層和應(yīng)用層。 具體表現(xiàn)為對各種無線及有線組網(wǎng)方式的應(yīng)用,如WiFi,Bluetooth,NB-IOT,Lora,modbus,profibus,CAN open 等。 第三層為應(yīng)用層,是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與專業(yè)技術(shù)相互融合,利用分析處理的感知數(shù)據(jù)為用戶提供豐富的定制化服務(wù)。 在這一層,各種垂直領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用最終得以實(shí)現(xiàn),諸如工程機(jī)械智能裝配系統(tǒng)通過感知層采集到的數(shù)據(jù),經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層傳輸給應(yīng)用層,應(yīng)用層通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理,來控制相應(yīng)執(zhí)行裝置(機(jī)械手、電控工裝夾具等)達(dá)成預(yù)定目標(biāo),完成生產(chǎn)線流水作業(yè),同時(shí)將各類信息同步存入服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)及可視化展示。

圖1 工程機(jī)械智能裝配系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 射頻識別設(shè)備設(shè)計(jì)

在智能裝配作業(yè)中要依靠識別技術(shù)對工件、操作人員以及工位等進(jìn)行有效的識別,在這一基礎(chǔ)之上才能將工件運(yùn)輸?shù)街付ǖ奈恢?進(jìn)而完成裝配操作。 典型的識別技術(shù)為基于射頻識別原理的RFID,這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于信息的讀取非常方便,能夠一次性獲取多種目標(biāo)的RFID 信息,不易受到環(huán)境因素的干擾。 射頻識別設(shè)備由3 個(gè)部分構(gòu)成,一是部署在工件上的標(biāo)簽,二是用于識別標(biāo)簽信息的讀寫器,三是存儲與處理這些數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。 標(biāo)簽中承載著物品的具體信息,這也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)路徑之一。 數(shù)據(jù)庫可使用本地庫,也可使用云存儲。 前者的維護(hù)難度較大,要求使用單位具備專業(yè)的技術(shù)人員,后者由第三方商業(yè)機(jī)構(gòu)維護(hù),安全性很高。

2.2.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

工程機(jī)械的裝配過程存在多個(gè)工序,每一個(gè)動作都要控制好精度和力度。 因此,技術(shù)人員必須借助傳感器對裝配操作的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和控制。 通常,智能裝配系統(tǒng)中所用的傳感器由一系列重要的模塊組成,模塊結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。 智能傳感器的核心部件是MCU 控制器,通過高精度傳感器采集現(xiàn)場物理量信號,傳輸給MCU 控制器,然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,將處理后數(shù)據(jù)通過本體集成的WiFi 通信模塊上傳給車間管理與控制系統(tǒng)。 以下簡單介紹幾種智能裝配中常用的傳感器:(1)電壓/電流傳感器:自動裝配生產(chǎn)線主要依靠電力線路實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制,因而在日常管理中必須對設(shè)備上的電流和電壓情況實(shí)施實(shí)時(shí)的監(jiān)控,其核心的測量裝置為電能計(jì)量芯片,并且在測量的過程中還能轉(zhuǎn)換電流和電壓的大小,使其符合測量設(shè)備的安全使用條件［2］。 (2)測距傳感器:在智能裝配過程中,經(jīng)常要對工件和加工機(jī)具、組裝機(jī)具之間的距離進(jìn)行測量,在獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)之后傳遞給控制系統(tǒng),驅(qū)動加工機(jī)具的精準(zhǔn)動作。 此類測距對精度要求非常高,因而,工程實(shí)踐主要借助激光測距技術(shù),一方面測量的速度非?？?另一方面可實(shí)現(xiàn)高精度的測量。 (3)扭矩傳感器:工程機(jī)械的裝配還涉及各種類型的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),例如,螺栓的緊固。 在機(jī)械自動化組裝時(shí),要精確測量扭矩,扭矩超過安全范圍之后會破壞機(jī)械結(jié)構(gòu)。 扭矩是一個(gè)物理量,通過測量設(shè)備可將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?這種檢測技術(shù)將專門的應(yīng)變片粘貼在被檢測的機(jī)械結(jié)構(gòu)上,最終目的是在構(gòu)件上形成應(yīng)變橋,在電流的作用下測量出扭矩值。 (4)氣壓傳感器:智能裝配生產(chǎn)線中會使用到氣源,為機(jī)械部件提供一定的壓力,在作業(yè)過程中要對氣源的氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)控,為完成相應(yīng)的檢測任務(wù)經(jīng)常應(yīng)用氣壓傳感器,其檢測所得數(shù)據(jù)會傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。 由此,比對當(dāng)前值和目標(biāo)值,再反饋。 氣壓經(jīng)常會影響工件是否安裝到位,系統(tǒng)檢測的目的就是精確控制氣源的壓力值,確保安裝過程可控。

圖2 傳感器模塊結(jié)構(gòu)

2.3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集理論上最好是做到實(shí)時(shí)傳輸,但實(shí)際上這種傳輸模式是難以實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)閭鞲衅鞑杉綌?shù)據(jù)之后,通過無線WiFi 將數(shù)據(jù)傳遞到管理后臺,并非數(shù)據(jù)采集之后立即就傳輸,一般是以預(yù)定時(shí)間為間隔進(jìn)行間歇傳輸,如每秒傳輸一次。 如果是現(xiàn)場操作中依賴的數(shù)據(jù),一般是將其傳輸?shù)轿⑻幚砥?單片機(jī))中,由微處理器來驗(yàn)證這些傳輸過來的數(shù)據(jù),重點(diǎn)檢驗(yàn)其數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)的安全性和有效性。 除了采集軟件,在后臺管理系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)有大量的自動化運(yùn)維軟件,智能裝配系統(tǒng)的工廠級監(jiān)測中心配置了一定數(shù)量的監(jiān)測設(shè)備,主要是在上位機(jī)上安裝自動化運(yùn)維軟件,裝配機(jī)械在作業(yè)過程中的各項(xiàng)工藝參數(shù)都會展示在大屏上,技術(shù)人員通過對數(shù)據(jù)的分析觀察來判斷設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)以及工程機(jī)械的安裝進(jìn)度。 電流、電壓、系統(tǒng)壓力等預(yù)先設(shè)定了安全閾值,當(dāng)超過安全范圍之后,就會觸發(fā)報(bào)警裝置,產(chǎn)生蜂鳴報(bào)警［3］。

3 物聯(lián)網(wǎng)智能裝配系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

國內(nèi)某大型工程機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)主要制造挖掘機(jī)、起重機(jī)械以及裝載機(jī)。 為了提升生產(chǎn)效率、降低人工成本,該企業(yè)建立了智能化生產(chǎn)線,在工件的搬運(yùn)中使用了AGV 小車。 小車實(shí)際上是一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的機(jī)器人。 小車使用激光技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航和測距,通信依靠5G 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 采用這套智能化生產(chǎn)線之后,平均每6 min 就能組裝出一臺挖掘機(jī)設(shè)備,生產(chǎn)效率極高。 另外,整個(gè)生產(chǎn)線上部署的傳感器數(shù)量達(dá)到2 600 多個(gè),車間的信息平臺也能通過工位傳感器實(shí)時(shí)獲取各種組裝信息。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步,工程機(jī)械智能裝配生產(chǎn)線中會集成更多的智能傳感器,用于探測電流、電壓、氣壓等各種參數(shù),然后通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)完成自動裝配,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在該系統(tǒng)中承擔(dān)著信號傳輸、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲與處理等一系列功能。 因此,在生產(chǎn)制造工程機(jī)械時(shí),可把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動化技術(shù)融合在一起,達(dá)到各工位組件自動裝配,最終實(shí)現(xiàn)整條裝配生產(chǎn)線的智能化高效協(xié)同生產(chǎn),此種解決方案有廣泛的市場應(yīng)用前景。