基于轉(zhuǎn)向架焊接產(chǎn)線數(shù)字化的機(jī)器人智能集控關(guān)鍵技術(shù)

摘要：基于轉(zhuǎn)向架焊接車間生產(chǎn)線智能化、自動(dòng)化和數(shù)字化集控管理需求，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了集PDM、QMS和MES為一體的焊接車間現(xiàn)場(chǎng)管理上層系統(tǒng)，基于轉(zhuǎn)向架焊接產(chǎn)線數(shù)字化的機(jī)器人智能集控操作，借助數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)所有生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效流轉(zhuǎn)與鏈接。該技術(shù)系統(tǒng)采用了集中管控、生產(chǎn)執(zhí)行控制與可視化監(jiān)控等模塊，針對(duì)轉(zhuǎn)向架焊接工藝特征與轉(zhuǎn)向架焊接產(chǎn)線數(shù)字化生產(chǎn)需求，研發(fā)應(yīng)用智能傳感RFID、交互集成M2M、在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)、集群控制和Digital Twin等諸多關(guān)鍵技術(shù)工藝，形成了高度柔性化、數(shù)字化、自動(dòng)化合高效率的轉(zhuǎn)向架焊接管控車間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)夾具/胎位、設(shè)備、人員以及所有零部件等資源的實(shí)時(shí)調(diào)度、管理和監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架；焊接產(chǎn)線；數(shù)字化機(jī)器人；智能集控；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U466? 收稿日期：2023-03-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.017

1 前言

焊接是一種廣泛應(yīng)用于軌道交通、汽車、航空航天以及船舶重工等裝備制造行業(yè)的重要生產(chǎn)技術(shù)工藝。在信息化技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，自動(dòng)化焊接技術(shù)融合了先進(jìn)的數(shù)字化、自動(dòng)化與智能化技術(shù)，形成了“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略發(fā)展體系。

焊接集控系統(tǒng)工藝是裝備制造業(yè)發(fā)展的新型產(chǎn)物，目前我國(guó)焊接研究、智能化、數(shù)字化焊接集控工藝主要用于汽車生產(chǎn)車間工藝自動(dòng)設(shè)計(jì)和焊接工藝質(zhì)量?jī)?yōu)化與績(jī)效評(píng)估等方面，但先前的信息采集技術(shù)明顯落后于國(guó)外，專家系統(tǒng)信息缺失，焊接系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化水平程度較低，所以對(duì)汽車生產(chǎn)工藝的工程應(yīng)用指導(dǎo)極為有限。

隨著工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、RFID、傳感器技術(shù)和MEMS技術(shù)不斷成熟與發(fā)展，以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息感知技術(shù)不斷深入融合，促進(jìn)了焊接工藝驅(qū)動(dòng)式發(fā)展[1]。本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，融合了多維度泛在感知技術(shù)工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)信息參數(shù)采集、生產(chǎn)線過(guò)程檢測(cè)、智能診斷、監(jiān)控、決策、控制與維護(hù)，優(yōu)化了智能化焊接集控工藝流程，提高了產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

2 基于轉(zhuǎn)向架焊接產(chǎn)線數(shù)字化的機(jī)器人智能集控系統(tǒng)架構(gòu)

焊接在汽車車間生產(chǎn)及交通裝備制造技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，它作為一種新興的數(shù)字化工藝，在轉(zhuǎn)向架焊接車間生產(chǎn)線中占有十分重要的地位，其融合了轉(zhuǎn)向架焊接機(jī)器人以期達(dá)到“（準(zhǔn)）黑燈化”工藝目標(biāo)，基于智能集群控制技術(shù)，為企業(yè)焊接生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)字化與智能化工藝提升和推廣奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)焊接生產(chǎn)線主要由IGM移位器、RGV焊接機(jī)器人與緩存架三部分組成，在生產(chǎn)車間作業(yè)過(guò)程中，依然存在諸多問(wèn)題，比如設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，工作單元和作業(yè)區(qū)域無(wú)人或少人作業(yè)，缺乏全自動(dòng)化、全位置式焊接作業(yè)，因此迫切需要加強(qiáng)技術(shù)升級(jí)安全化、數(shù)字化和智能化改造[2]。

基于上述問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人、焊接產(chǎn)線系統(tǒng)集群控制與管控，加強(qiáng)焊接質(zhì)量評(píng)估與在線監(jiān)測(cè)，促進(jìn)焊接機(jī)器人伺服、焊機(jī)、傳動(dòng)荷載及升降臂等部件健康管理，迫切需要建立集“人-機(jī)-料-法-環(huán)”管控為一體的焊接機(jī)器人信息高效采集與智能集控系統(tǒng)，以將汽車生產(chǎn)制造企業(yè)長(zhǎng)期積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)、焊接相關(guān)數(shù)據(jù)形成焊接共享模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)焊接機(jī)器人集控信息采集、存儲(chǔ)、應(yīng)用、監(jiān)測(cè)等全景式的管控，減少設(shè)備控制不及時(shí)響應(yīng)和層間缺陷，避免設(shè)備投用異常與系統(tǒng)停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，提高焊接質(zhì)量，促使企業(yè)交通裝備制造工藝由傳統(tǒng)模式向智能化、數(shù)字化方向轉(zhuǎn)變。

為了解決以上問(wèn)題，充分滿足上述智能化、數(shù)字化生產(chǎn)需求，本研究結(jié)合實(shí)際，提出了一種焊接機(jī)器人智能集控系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由生產(chǎn)執(zhí)行控制、可視化監(jiān)控與生產(chǎn)集中管控三大基本模塊組成，其中，底層執(zhí)行控制主要包含了智能機(jī)器人RGV調(diào)度控制、集群、異常停機(jī)報(bào)警和安全生產(chǎn)控制等四大基本模塊，它能夠?qū)崟r(shí)采集和上傳智能機(jī)器人作業(yè)的實(shí)際參數(shù)，并將所有工位設(shè)備生產(chǎn)日志數(shù)據(jù)，如上游車間質(zhì)檢信息、生產(chǎn)進(jìn)度、物料異常信息、傳遞過(guò)程控制信息、工具工裝信息、設(shè)備狀態(tài)維護(hù)參數(shù)信息等，全部自動(dòng)存儲(chǔ)和傳送到上游系統(tǒng)服務(wù)器中。RGV調(diào)度控制主要根據(jù)實(shí)際各工位數(shù)據(jù)和工件掃碼信息，如單件序列號(hào)、產(chǎn)品圖號(hào)、編碼、設(shè)備名稱、工件上下線時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行報(bào)警信息編號(hào)、設(shè)備運(yùn)行編碼日志等，對(duì)MES工單進(jìn)行信息匹配，從而驅(qū)動(dòng)物流設(shè)備信息反饋。此外，安全報(bào)警控制能夠?qū)ζ嚿a(chǎn)制造車間各子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)用和監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)存在異常狀態(tài)，即刻報(bào)警并停止和終止智能化運(yùn)行程序[3]。

3 相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 IGM焊接機(jī)器多源數(shù)據(jù)采集

采集車間成套裝備及IGM焊接機(jī)器人多源數(shù)據(jù)信息，是建立數(shù)字化、智能化集控系統(tǒng)的基本要求，目前，面向IGM焊接機(jī)器人智能集控系統(tǒng)的多源數(shù)據(jù)采集主要有以下幾種方式：

a.基于TCP/IP以太網(wǎng)模式進(jìn)行多源數(shù)據(jù)采集。此種方式能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程智能化控制，而且信息采集內(nèi)容極為豐富，在廠商出廠的信息采集系統(tǒng)中，主要配備了能與其他系統(tǒng)相互集成的局域網(wǎng)口，所以利用其接口功能，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)DNC項(xiàng)目的多源數(shù)據(jù)采集，它已成為未來(lái)我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)數(shù)字化、智能化發(fā)展的主流方向。

b.基于DNC局域網(wǎng)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)采集。這種技術(shù)可以實(shí)時(shí)針對(duì)焊接機(jī)器人智能集控系統(tǒng)運(yùn)行以及車間設(shè)備程序運(yùn)行中的開(kāi)機(jī)、斷電、報(bào)警、空閑等狀態(tài)信息和開(kāi)始/結(jié)束信息，同時(shí)還能多源采集所有設(shè)備操作提示、錯(cuò)誤報(bào)警信息以及手動(dòng)、編輯、MDI與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，另外，還能采集設(shè)備主軸功率、刀具/設(shè)備參數(shù)、程序運(yùn)行內(nèi)容、運(yùn)行履歷數(shù)據(jù)等。

c.基于采集卡進(jìn)行多源數(shù)據(jù)采集?；诓杉梢圆杉剿信c生產(chǎn)設(shè)備I/O點(diǎn)相關(guān)的加工信息，它與控制系統(tǒng)無(wú)關(guān)，但是與數(shù)字化傳感器對(duì)應(yīng)連接，目前能夠?qū)崟r(shí)采集設(shè)備斷電、加電、故障、壓力、溫度以及各種功率等多種信息參數(shù)。但該方式適用于無(wú)局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無(wú)串口的IGM焊接機(jī)器人智能集控系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，主要利用開(kāi)關(guān)量、混合型與模擬量三種類型的采集卡進(jìn)行多源數(shù)據(jù)采集。在本研究中，主要利用采集卡來(lái)多源采集焊接設(shè)備的焊接電壓、電流與焊接速度參數(shù)。

d.基于組態(tài)軟件進(jìn)行多源數(shù)據(jù)采集。組態(tài)軟件主要適用于PLC控制類的自動(dòng)化設(shè)備，尤其是非數(shù)控類的電氣設(shè)備均可直接對(duì)PLC相關(guān)信息進(jìn)行讀取，因此使用力控組態(tài)和組態(tài)王軟件，即可多源采集PLC設(shè)備、系統(tǒng)中所保存的各種壓力、溫度等模擬量信息和I/O點(diǎn)信息，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)自動(dòng)讀取采集的多源數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。相比而言，組態(tài)軟件利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)采集，它能夠基于組態(tài)網(wǎng)口或串口與PLC設(shè)備軟件直接相連，因此將各個(gè)生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)集中到了一個(gè)可以進(jìn)行直觀管理的統(tǒng)一工藝流程下，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，大大提高了設(shè)備監(jiān)控效果，極大地方便了工藝設(shè)備圖庫(kù)優(yōu)化管理，基于實(shí)時(shí)輸出的系統(tǒng)曲線，即可借助組態(tài)系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)出支持3D動(dòng)態(tài)方式顯示的形象逼真的工藝流程圖，它能實(shí)時(shí)針對(duì)各個(gè)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)值、狀態(tài)等多源信息參數(shù)予以顯示[4]。

綜上四種多源數(shù)據(jù)采集方法，組態(tài)方式穩(wěn)定可靠，連接更加方便，而且數(shù)據(jù)采集過(guò)程涉及的相關(guān)硬件設(shè)備較少，基于易擴(kuò)展、開(kāi)放性強(qiáng)、適應(yīng)性好、開(kāi)發(fā)周期短以及經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)，本研究所有的PLC類控制設(shè)備均采用了組態(tài)方式進(jìn)行多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、在線采集，對(duì)于未采用PLC方法直接進(jìn)行控制的部分硬件接口數(shù)據(jù)、特定傳感器數(shù)據(jù)以及相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、RGV運(yùn)輸小車數(shù)據(jù)、未開(kāi)放的機(jī)器人系統(tǒng)等，均采用串口形式，基于I/O端口解析、TCP/IP協(xié)議訪問(wèn)等技術(shù)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)獲取和采集，并將其統(tǒng)一存入便于系統(tǒng)訪問(wèn)的共享數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 焊接工藝調(diào)用與遠(yuǎn)程推送

遠(yuǎn)程推送與調(diào)用焊接裝備工藝程序：a.需要建立一套確保程序調(diào)用正確且符合焊接裝備工藝生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)流程；b.需要建立穩(wěn)健的焊接程序DNC網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，防止焊接裝備工藝程序缺失或者上傳下達(dá)不通；c.需要一套保證焊接程序正常的管理系統(tǒng)，并基于RFID構(gòu)架進(jìn)行程序參數(shù)識(shí)別與校驗(yàn)的規(guī)范技術(shù)手段[5]。

DNC網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)部署與程序通信管理：a.需要組網(wǎng)部署與提升改造加工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控系統(tǒng)，以滿足遠(yuǎn)程通信與數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行FIDIA控制、SIEMENS和FANUC系統(tǒng)控制基本要求。與此同時(shí)，通過(guò)部署實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備，針對(duì)加工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)工藝參數(shù)及機(jī)器人本體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。b.在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信管理中，需要采用“智能終端”串口通信方式，在現(xiàn)有以太網(wǎng)環(huán)境之下，基于標(biāo)準(zhǔn)的通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)的集中、統(tǒng)一通信。c.焊接機(jī)器人需要作為車間局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，被智能終端聯(lián)入到數(shù)字化車間的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。在此基礎(chǔ)上，基于DNC數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行加工程序遠(yuǎn)程請(qǐng)求、DNC服務(wù)器遠(yuǎn)程查詢和焊接工藝庫(kù)RFID識(shí)別觸發(fā)接收、程序清單上傳與自動(dòng)接受、機(jī)器人操作面板遠(yuǎn)程比較、程序傳輸多重機(jī)制校驗(yàn)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的雙向數(shù)據(jù)管理和數(shù)控加工程序統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，從而保證機(jī)器人最佳的工作效率與負(fù)荷，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤與穩(wěn)定快捷與可靠安全。圖2、圖3分別為DNC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)與焊接裝備工藝程序示意圖[5]。

3.3 數(shù)字孿生焊接虛實(shí)監(jiān)控管理

在焊接裝備工藝程序運(yùn)行過(guò)程中，首先需要搭建虛擬仿真環(huán)境，構(gòu)建實(shí)現(xiàn)焊接全過(guò)程虛實(shí)同步監(jiān)控管理的數(shù)字孿生焊接工位系統(tǒng)，基于模塊化、通用化的RFID構(gòu)架校驗(yàn)與識(shí)別程序，對(duì)焊接裝備工藝真實(shí)物理行為高保真映射的數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)層、感知和設(shè)備層等進(jìn)行數(shù)據(jù)集成化管理，從而驅(qū)動(dòng)焊接工位異構(gòu)多源數(shù)據(jù)支持三維焊接工位模型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)虛擬分析，由此滿足使用者基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)仿真、實(shí)時(shí)監(jiān)控和焊接追溯分析[6]。目前，開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)主要包含Unity3D數(shù)字化建模、3D Studio Max數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和CAD物理場(chǎng)景輕量化建模渲染三個(gè)步驟，基于虛擬仿真環(huán)境和特定的運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系進(jìn)行焊接車間運(yùn)行數(shù)據(jù)刷新、存儲(chǔ)、分析和請(qǐng)求響應(yīng)等，準(zhǔn)確進(jìn)行物理空間與數(shù)字空間集成與管理。而在應(yīng)用服務(wù)層，主要包含自由和固定視角監(jiān)控、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)展示以及機(jī)器人故障維護(hù)保養(yǎng)、健康監(jiān)測(cè)、閾值報(bào)警等，通過(guò)人機(jī)交互與多視角展示，基于數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行焊接質(zhì)量信息管理和轉(zhuǎn)向架焊接車間設(shè)備典型故障維修診斷。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)轉(zhuǎn)向架焊接工藝、設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，工作單元和作業(yè)區(qū)域無(wú)人或少人作業(yè)，缺乏全自動(dòng)化、全位置式焊接作業(yè)的特點(diǎn)與流程缺陷，對(duì)焊接過(guò)程的物流執(zhí)行、質(zhì)控和生產(chǎn)安全等關(guān)鍵工序進(jìn)行了數(shù)字化、自動(dòng)化與智能化改造，同時(shí)結(jié)合轉(zhuǎn)向架焊接工藝生產(chǎn)過(guò)程中的在線監(jiān)控，分別基于IGM焊接機(jī)器多源數(shù)據(jù)采集技術(shù)、焊接工藝調(diào)用與遠(yuǎn)程推送技術(shù)以及數(shù)字孿生焊接虛實(shí)監(jiān)控管理技術(shù)等，對(duì)車間的設(shè)備、人員、零部件以及夾具/胎位等所有資源進(jìn)行調(diào)度管控，形成了高度柔性化、自動(dòng)化與智能化、數(shù)字化的高效率焊接管控車間，充分滿足了汽車生產(chǎn)制造企業(yè)多種個(gè)性化產(chǎn)品定制、多品種產(chǎn)品并行生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)需求。

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作者簡(jiǎn)介：

劉世強(qiáng)，男，1986年生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槠囓嚿?、工業(yè)機(jī)器人。