智能焊接生产线在装载机铲斗生产上的应用

贾方庆，董文宁，张传根，曹 强

（徐州华恒机器人系统有限公司，江苏 徐州 221000）

智能焊接生产线在装载机铲斗生产上的应用

贾方庆，董文宁，张传根，曹 强

（徐州华恒机器人系统有限公司，江苏 徐州 221000）

采用可直角换轨式RGV，将多个机器人焊接工作站与前后工序连接起来，在LCS和DCS调度系统控制下，实现装载机铲斗生产的自动上下料、自动装夹、焊接程序自动调用、自动焊接、自动报工。构成了智能制造车间，减少人工干预、降低劳动强度、提升生产效率、提高焊接质量、满足节拍生产要求，实现了车间整体运营的效益最大化。

RGV；机器人焊接工作站；DCS控制系统；自动装夹；调度

0 前言

在工程机械行业已广泛使用机器人焊接代替人工焊接，目前应用较多的是采用单个机器人焊接工作站完成特定工件的焊接。大量使用焊接机器人可以提升生产效率，提高产品质量，降低生产成本和减轻工人劳动强度。

单个机器人焊接系统虽然能够在单一焊接工序中达到以上目的，但是对整个生产过程效率的提升作用较小。因为单个机器人焊接系统在整个生产过程中一般都有物流不畅、人工干预过多、存在安全隐患、效率低等问题。

通过实地考察，拥有20～100套机器人焊接系统的制造工厂，主要存在以下问题：

（1）由于物流单一依赖行车，往往出现机器人焊接完成后无人下料，或者机器人工位空闲无人上料的情况，生产出现停顿，设备利用率不高。

（2）由于上下料使用人工方式，机器人程序选择受到人工干预，偶尔出现程序选择错误导致碰撞等生产事故。

（3）由于生产停顿和人工干预导致的误操作，生产节拍不能固定，很难保证生产计划有效实施。

（4）由于完成的工件不能实现有效转运，车间在制品数量上得不到有效控制。

（5）机器人布局或者靠墙或者靠立柱，而车间中部黄金地带用于行车转运工件，车间面积不能有效利用。

（6）使用行车、KBK、人工吊运、转运大型工件始终存在安全隐患。

因此，使用智能制造技术将机器人系统和上下游工序有机并紧密地联系在一起，构成无人化或少人化的智能制造车间已成为应用趋势。

1 方案介绍

智能焊接生产线主要包括直角换轨式RGV（Rail Guide Vehicle）搬运小车、步进式板链缓存台、机器人焊接工作站系统、DCS（Distributed Control System）调度系统、LCS上位机管理系统、视频监控系统六个部分。在DCS控制系统的调度下，RGV小车可以自动上下料、自动装夹、焊接程序自动调用、自动焊接、自动报工，无需人工干预。同时LCS上位机管理系统将工件信息、完工情况等信息与MES系统对接，完成了生产制造过程中的信息流转。

2 工艺流程

在铲斗的生产过程中，首先是应用铲斗拼点工装将各组件拼装、点焊，将成型待焊的铲斗放置到料台上，利用料台上限位块、卡槽对铲斗进行定位，组对区DCS召唤该区域RGV，自动将工件转运至步进式上料缓存台存放。在RGV主轨道两侧分布多台机器人焊接工作站，机器人焊接工作站区DCS调度系统采集各工作站的信息、上下料RGV信息、步进式上下料缓存台信息等，对所有工作站的上下料请求进行排序、穿插、优化，控制上料RGV将工件转运至相应的机器人焊接工作站。工作站工装对工件自动装夹，根据工件型号调用焊接程序，启动焊接。焊接结束后，自动向DCS调度系统请求下料，DCS响应请求，控制下料RGV将焊接完的工件转运至步进式下料缓存台。人工补焊区、镗加工区DCS调度本区RGV完成物料在后续加工区域的流转。一个完整的上料、下料过程如图1所示。

3 系统构成和功能

3.1 直角换轨式RGV

作为智能物流生产线的主要搬运工具，直角换轨式RGV小车不仅可以在主轨上行驶，还可以直角换轨后在垂直于主轨的辅轨上行驶，这样就可以将工件分别送往主轨道两侧多个机器人焊接工作站。采用CX系列控制器为控制核心，TwinCAT NC PTP控制系统、AX5000伺服驱动器和AM3000伺服电机构成驱动方案；采用Profibus DP接口的条码扫描器加防尘、耐油污的条码带作位置检测；采用WLAN控制器作无线接入点，通过TwinCAT ADS协议实现RGV与DCS的无线数据交换。该RGV结构紧凑、运送速度快（达到27 m/min）、行走平稳、定位精度高（＜1 mm），保证RGV在各主辅轨交叉点精确换轨、快速的将待焊工件送往工作站焊接或将工作站内焊接完的工件转运至下一个工序。

该RGV可在主副轨任意位置设置站点，其站点坐标可在RGV中灵活设置，无需更改程序，配置灵活，使用方便。

3.2 DCS（Distributed Control System）调度系统

在该智能物流生产线上，DCS调度系统起着中枢神经系统的作用。它既要通过分布式I/O获取各个机器人焊接工作站的请求信号、液压夹具的装夹完成信号和料台的工件到位信号等，还要控制和调度小车进行上、下料。在DCS控制下，自动将待焊工件转运至机器人焊接工作站，RGV与工作站工装紧密配合完成工件的自动装夹。焊接完成后，自动将焊接完成的工件转运至步进式下料缓存台。

3.2.1 DCS调度系统组成

DCS调度系统由CX系列控制器、EtherCAT总线扩展模块、耦合器模块、I/O模块、无线路由器、交换机、HMI组成。

CX系列控制器作主站，总线扩展模块用于扩展EtherCAT总线。每一个耦合器模块下挂I/O模块作从站，构成一个环型网络，实现了EtherCAT网络冗余功能。每一个从站通过I/O模块与机器人焊接工作站、步进式上下料缓存台交互信号，为了防止电源干扰，这些输入输出信号均采取继电隔离。EtherCAT网络拓扑结构如图2、图3所示。

主站将收集到的各机器人焊接工作站的信息进行处理，根据处理结果将信息以无线方式通过交换机、无线路由器发送给RGV，指挥RGV完成上下料任务，并实现避让避碰、任务排列、任务穿插、任务等待等功能。同时将RGV的各种信息通过无线通讯传递给主站控制器，主站控制器通过基于Modbus TCP协议的以太网通讯将相关数据显示在HMI上，并读取HMI上的输入信息。

3.2.2 DCS调度系统特点

（1）安全。

RGV附带障碍物检测传感器用于检测运行前方的障碍物，防止碰撞、伤人事件发生。该传感器可根据外来信号选择检测区域，对不同的路线路况设置不同的检测区域，同时可以借助辅助传感器拓展检测区域。每个区域的灵敏度均可以灵活设置。

限制RGV在某些位置的动作，防止碰撞事件发生。

设置两RGV安全距离，当两RGV距离小于安全距离时，调用暂停功能暂停RGV，防止两车碰撞和同向追尾[1]；当两车距离大于安全距离时，被暂停的RGV会继续自动运行。

（2）高效。

生产线上的两个RGV分别执行上、下料任务，系统根据FCFS（First Come，First Served）对上料任务、下料任务进行排列，对排列完的任务自动判断是否路径冲突，若不冲突，则同时执行上下料任务；若冲突，则会在任务中往后搜索，挑拣出路径不冲突的任务与另一任务同时执行；若搜索不到，则等待先执行任务的RGV运行至路径不冲突的位置，响应此RGV的任务，同时执行上下料任务。这样避免了单轨单RGV系统[2]执行上（下）料任务时，众多的下（上）料任务必须等待的情况，特别是机器人焊接工作站较多时，RGV在给一个工作站上料或者下料的过程中，其他有上、下料请求的工作站只能等待，设备利用率不高，生产效率低下，无法满足物料连续流转的要求。

在两RGV运行路径规划上做到了动作流畅、精简，保证了流水线高效运行，严格控制各个工序用时，满足节拍生产要求。

（3）故障自恢复能力强。

主站控制器带有两个具有独立网卡的以太网口，与各从站采用EtherCAT总线通讯，物理上构成环型网络拓扑结构，构成了双环网，实现了网络冗余功能[3]。对系统可能出现的单点故障，能够将数据自动环回，防止丢站故障的发生。

对可能出现的某个机器人焊接工作站故障，系统可以绕过该故障工作站降级运行。同时系统也有半自动运行模式，使用遥控器，通过几个简单的按键动作，即可轻松完成上下料任务。

对于RGV故障、上下料缓存台故障等，通过简单的人工干预，即可快速恢复。

（4）操作简便。

人性化的人机界面设计，可实时监控生产线的运行状况。人机界面实时显示各RGV的各轴位置信息、RGV的模式及状态，料台上工件信息、地插状态及无线通讯状态；实时监视各机器人工作站信息交互情况；监视正在执行和即将执行的各种任务；借助软件VNC Viewer通过有线或者无线方式实现远程PC或手持终端查看HMI数据，发送任务命令；还可以通过人机界面配置RGV小车的站点和路线，实现规划与调度的简单化。

3.3 LCS（Line control system）上位机管理系统

LCS（线体控制系统）是由多个DCS系统组成的一条完整的生产线系统，既可以实现DCS系统之间的通信，也可以将生产线上的生产数据、设备状态、报警信息等集中传递至上位机中，并可与企业的MES系统无缝衔接；MES系统将生产计划下达至上位机管理系统，上位机管理系统将计划拆分并实施生产，每生产完一件，上位机管理系统自动将工件信息、报工信息传递给MES系统。LCS实现了整个生产线的信息流转和管控。

3.4 机器人焊接工作站系统

机器人焊接工作站系统由机器人、焊接电源、焊枪焊缆、变位机、工装夹具、除尘设备等组成。

3.4.1 机器人焊接系统

机器人焊接系统存储了各种型号工件的焊接程序，在RGV将工件运送到位，离开到达安全位置后，工装系统自动装夹。装夹到位后，自动根据工件型号的不同选择焊接程序，启动焊接。

机器人焊接工作站会将当前工作状态、工作时长、启停时间、故障信息、焊丝消耗量等信息传输到DCS调度系统中，供监控人员参考，便于调度人员及时制定材料供给计划、设备保养维修计划等。

当机器人焊接工作站出现异常，如缺水、缺气、起弧失败、异常碰撞等会将故障信息传递至DCS调度系统，由系统记录并报警。DCS调度系统绕过该工作站，降级运行。

在DCS调度系统控制下，可以实现所有机器人焊接工作站之间、机器人焊接工作站与DCS之间的程序备份、拷贝，实现多机器人的统一。

3.4.2 工件自动装夹系统

由两组液压工装分别安装在变位机的两个回转盘上组成工件自动装夹系统，上料时由RGV运送工件至工作站内，将工件放置到工装上，工装检测到工件到位并且RGV离开到达安全位置，自动装夹工装，工件装夹牢靠紧固后，根据工件型号调用焊接程序，启动焊接。焊接完成后，请求下料，下料RGV运行至工作站，工装松开工件，等待RGV离开并到达安全位置，再次向DCS调度系统发送上料请求。

在整个工件装夹过程中，液压系统的压力始终保持在一个设定的范围内，防止因压力过低，工件装夹不紧位移、跌落等事件的发生；防止压力过高，将点焊的工件挤压变形。在装夹过程中，RGV与工装配合紧密，实现了自动装夹、自动卸载、无需人工干预的自动化。

工装夹具上有不同的卡槽、限位块和接近传感器用于识别不同型号的工件，将识别到的工件型号与DCS调度系统传递来的工件型号比较，防止出现型号错误导致的焊接程序调用错误。

3.5 步进式板链缓存台

步进式板链缓存台用于存放前一加工区域处理完的工件，它与前后区域的DCS调度系统采用继电隔离的数字I/O信号交换允许RGV进入、送（取）料完成、工件型号等信息。在前一区域RGV将工件送至缓存台，离开到达安全位置后，缓存台往前旋转，将工件往下一个区域输送一步，步进设定的距离后停止；前一个区域又可以往缓存台送料，直到缓存台放满三个工件为止。后一区域RGV从缓存台取走工件，到达安全位置后，缓存台步进一步，将后面的工件往前输送。

缓存台是前后工序的纽带。每个板链缓存台最多可以放置三个工件，对物料的流转有一定的储存和缓冲的作用。

3.6 视频监控系统

监控系统由低照度摄像机、自动光圈镜头、摄像机电源、液晶监视器、网络硬盘刻录机、云存储等部分组成。

每个机器人焊接工作站对应一个摄像单元，监视工作站的工作状态。

采用600线分辨率的低照度摄像机保证监控图像的清晰度，配合自动光圈镜头保证光线不足情况下监控图像色彩稳定、画质清晰。防弧光镜片能有效降低焊接产生的弧光对摄像机的损害。摄像机拥有镜头自清洁功能，工况下环境比较恶劣，当镜头被灰尘污染后，可自动清扫镜头，保证监控图像的清晰。

大容量的云存储设备可以保证长时间的录像保存，对工作中出现的问题可以调取监控录像进行分析，也可以追溯生产事故，为工作的改进提高提供了硬件保障。

4 应用情况

智能焊接物流线（见图4）成功应用于国内某大型工程机械集团公司装载机铲斗的生产中。该项目包含两条铲斗智能焊接物流线，一条专用于5T铲斗的生产，另一条用于3T/5T铲斗的混线生产。

在项目实施前期，使用生产系统运作流程与配置优化仿真技术，借助这个客观的生产系统分析工具，使得用户在生产系统设计投产之前，就可预先得到智能焊接生产线和工艺流程的各项性能指标，识别流程中的动态影响因子与瓶颈[4]（Bottleneck），从而为生产系统的各种改善提供决策支持。为了使生产效率最高、生产成本最低、利润最大化，需要合理设置生产系统规划布局、工艺流程、设备配置、人员岗位安排、生产节拍（Cycle Time）等。经过该平台仿真验证，物流线线由4个拼点工位、3个步进式缓存台、15套机器人焊接工作站、5辆RGV、7个镗加工工位、7个翻转变位机、6个人工补焊工位、一个集控室组成，最佳生产节拍约19 min。其中RGV在主轨上运行速度达27 m/min，在辅轨上运行速度7.8 m/min，定位精度±1 mm。铲斗智能焊接生产线性能指标如表1所示。

5 结论

智能焊接生产线在国内某大型工程机械集团安装调试投产后，克服了机器人焊接工作站单兵孤立作战导致的物流不畅、效率低下，有效地将单个工作站连接起来，与上下游工序紧密结合，使得工艺流程清楚明了，物料流转快速高效，改变了传统工厂的运输方式和生产方式，显著提高了焊接质量和生产效率，实现了工厂的自动化和智能化。该智能焊接流线的成功实施，在行业内起到示范效应，具有较好的市场推广前景。

[1] 郇 极，肖文磊，刘艳强，等.工业以太网

Page 87

粤pplication of intelligent robot welding line for the loader bucket production

JIA Fang-qing，DONG Wen-ning，ZHANG Chuan-gen，CAO Qing
（Xuzhou Huaheng Robot System Co.，Ltd.，Xuzhou 221000，China）

With the right angle for rail type RGV,a plurality of welding robot workstation before and after the working procedure is connected,in the control of LCS and DCS scheduling system,realize the loader bucket production of automatic feeding,automatic clamping,welding procedure calls automatically,automatic welding,automatic timesheet.This constitutes a smart little humanized manufacturing workshop,reduce the manual intervention,reduce labor intensity,improve production efficiency,improve the welding quality,to meet the requirements of production,the beat realizes maximum benefit overall workshop operation.

RGV；robot welding workstation；the control system of DCS；automatic clamping；discrete curvature；line drawing

TG409

：B

：1001-2303（2014）02-0043-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.09

2012-09-11

贾方庆（1980—），男，江苏徐州人，工程师，学士，主要从事自动化设备的设计和研发工作。