机器人焊接设备智能化管理研究

姜典保

(上海拖拉机内燃机有限公司，上海 200433)

0 引言

汽车产业最近几年在中国快速发展，但由于人力成本的快速上升，使汽车产业快速进入机器人自动化时代，最具有代表性的是白车身焊接。当前在白车身焊接工厂，机器人的使用率大大超过人工，保守估计焊接工艺的自动化比例超过60%，在江浙沪一带用工成本高的地区，焊接工艺自动化比例估计超过80%，当前部分高端整车厂和高端白车身零部件厂的焊接工艺自动化比例达到90%以上。

在以往人工焊接时代，设备相对简单，维修、维护及管理难度不大，且由于设备故障影响的产量可以通过人工进行弥补。在当前机器人大量代替人的情况下，高自动化对设备维护管理的要求将大大提高，自动化设备本身比手工设备要复杂很多，且由于设备停机影响的产量只有通过延长工作时间弥补，将直接影响工厂运营效益。

因此，设备的运行管理效率、质量将会直接影响工厂运营效率，作者从设备常规管理入手，结合当前的物联网及大数据技术，对机器人等自动化设备的智能化管理进行初步研究，探讨如何有效降低设备故障率，提升设备利用率，从而提升效益。

1 常规设备管理

常规的设备管理主要分为三部分，首先是建立设备管理台账，包括设备维修记录及备件管理和更换记录等；其次做好设备维护保养工作，对设备不同的部件定期进行不同的检查或维护保养；最后是出现设备紧急故障做应急维修。

目前市面上设备管理专业软件比较多，这些设备管理软件基本都能有效解决当前设备管理的主要问题，如台账、按计划维护保养、备件及应急维修等，同时也可以形成相关的分析报表，供管理者进行决策。同时也有运行RFID(Radio Frequency Identification)技术以及WiFi技术构建包含设备借还信息、设备盘点、维修、报表信息等要素的设备日常管理平台[1]。但这些常规设备管理软件对于设备停机及维修情况等全靠维修人员主动申报，主观性太强，不能有效避免人为因素的干扰，且设备停机情况及维护保养情况与保养计划等无法形成深度有效智能关联，不利于校验维修情况与设备完好之间的关系。即设备维护保养与产线或设备本身无法有效结合，形成系统的设备管理解决方案。

2 物联网及大数据技术

物联网实际就是“物物相连的互联网”，它有两层意思：第一，物联网的核心基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品之间，进行信息交换和通信。

大数据是融合物理世界(Physical World)、信息空间和人类社会(Human Society)三元世界的纽带[2]。大数据技术是利用生产经营活动中大量的数据，对当前已经发生的事情进行深度分析，分析其发生的原因。机械大数据已经成为揭示机械故障演化过程及本质的重要资源，数据量的规模、解释运用的能力也将成为当代机械故障诊断最为重要的部分[3]。通过机器深度学习技术，可避免后续发生重复问题，并预测将会发生什么，到最终使预期正确的事情发生，从而预知未来。

如何使设备管理与物联网大数据有效结合，有效体现设备使用规律及使用状态，并根据当前使用状态和历史维护情况，预测后续的潜在风险点、维护重点及备件应用等。

3 机器人焊接设备智能化管理

根据目前白车身行业的特点及设备管理难点，结合机器人产线PLC系统及机器人等设备的运行大数据，结合设备维护维修保养等，使设备运行大数据与设备维护维修保养产生关联，研发该机器人焊接设备智能化管理系统。

3.1 机器人焊接设备智能化管理系统简介

白车身焊接产线机器人应用比较广泛，且此类产线均由PLC系统控制，PLC系统和设备之间可通过网络连接或是直接信号线连接的方式。由于直接信号线连接会造成接线比较多，布线繁琐，因此近几年，大多数机器人焊接产线均采用网络连接方式，如Device net、Internet IP或Profibus等网络连接方式。但不管采用何种网络方式，PLC系统均可以实现将设备运行数据通过网络在PLC系统中进行提取并暂存。

对于机器人焊接产线来说，最重要的有三大类数据：(1)设备运行数据，如机器人运行时间、报警停机原因及时间、设备运行速度、产线元器件状态等；(2)产品质量数据，根据设备检测系统所反馈出的焊点焊接质量等；(3)产品产量数据，根据PLC系统自身计算出的产品产量数据，包括消耗的零部件数量和消耗的辅料数量等。

此机器人焊接产线设备智能管理系统主要由三部分构成：第一部分为设备运行数据收集系统，主要功能为收集设备运行数据，并上传到服务器；第二部分为设备维修、维护保养系统，其主要功能为由上位客户端编制设备维护保养计划，上传到服务器和产线PLC控制系统上；第三部分为智能报表输出系统，针对产线运行情况形成停机、维护指南及备件报表，用于指导设备管理人员更科学合理地进行设备维护及备件的准备等，其架构如图1所示。

3.2 设备运行数据收集系统

设备运行数据收集系统主要包括控制产线设备的PLC系统、通过TCP/IP或RS485串口与上位机服务器相连的PLC系统数据采集软件，如图2所示。

该系统主要收集主要设备(如机器人、焊枪、焊机等关键设备)的运行时间、设备故障停机时间及故障代码、设备运行状态(如机器人各轴减速机受力扭矩曲线)、部分焊接参数等。通过该数据系统的实时数据收集，最终定期形成报表，有利于分析设备运行状态及设备维护保养状态，可以更有针对性地指导后续维护保养计划的编制及定期修订等。

图2 设备运行数据收集系统

3.3 设备维护维修保养系统

设备维护维修保养系统主要包括设备管理人员客户端、设备维修人员客户端及本地服务器和设备维修维护系统软件，如图3所示。

图3 设备维护维修保养系统

该设备维护维修保养系统主要工作功能如下：

首先由设备管理人员在上位客户端输出设定好的设备维护保养计划，由本地服务器通过无线4G网络发布到维修人员手机客户端；手机客户端维修人员接收到指令后，会根据系统提示，在要求的时间段完成相应设备的维护保养工作；完成维护保养工作后，由维修人员在手机客户端确认某一项维护指令已完成，系统会在后台记录完成时间和完成人。如更换备件，则要求维护人员选择备件种类及型号，完成后系统后台记录。

其次，如设备出现应急维修，如产线的停机故障等，产线PLC系统会自动记录停机时间，当停机超过一定的时间、现场的一般维修人员不能排除故障时，设备维修保养系统会结合产线运行数据收集系统自动将警示或提示信息报送到设备维修主管或维修经理，甚至是公司管理层处，由相应的负责人协调协同解决设备问题。

再次，对于机器人和焊枪等自动化机械设备，其大部分机械器件寿命跟其运行时间有关，设备维护维修保养系统会根据设备厂家初始设定的机械部件运行寿命，再结合设备运行数据收集系统采集到的设备运行数据，将维护或更换信息提前预测性地发送到设备管理人员处，由设备管理人员根据系统提示，计划性地安排设备的大修和大保养计划，做到对设备寿命的预先判断，降低设备运行故障，提高利用率。

最后，该系统可根据设备维护保养计划，结合设备运行数据的收集及维修人员确认信息等，对该设备运行数据及维护保养数据和确认数据进行分析，可对维修人员的能力进行初步评价，同时可对设备维护保养计划的合理性进行评价，指导后续设备维护保养计划的设计和编排。

3.4 智能报表输出系统

该智能报表输出系统结合设备运行系统及设备维护维修保养系统，可输出上述设备运行报表、设备维护保养效果报表、设备备件消耗报表。同时可根据设备备件消耗等，分析不同供应商或不同批次备件的质量可靠性。

4 结论

该机器人焊接产线设备智能化管理系统可有效解决当前市面上设备管理系统的缺陷，将产线运行情况和设备管理情况有效结合起来，让设备管理能力与设备运行状况产生关联。它的运用，可大大提升车身焊接件厂商的设备管理水平，并可有效提升机器人产线设备利用率，降低设备故障率，提升工厂效益。

参考文献:

[1]王法玉，张晓洪，陈洪涛，等.RFID及WiFi技术在实验设备管理中的应用[J].实验技术与管理，2015，32(5)：274-277.

WANG F Y,ZHANG X H,CHEN H T,et al.Application of RFID and WiFi Technology in Experimental Equipment Management[J].Experimental Technology and Management,2015，32(5)：274-277.

[2]程学旗，靳小龙，王元卓，等.大数据系统和分析技术综述[J].软件学报,2014，25(9)：1 889-1 908.

CHENG X Q,JIN X L,WANG Y Z,et al.Survey on Big Data System and Analytic Technology[J].Journal of Software,2014，25(9)：1 889-1 908.

[3]雷亚国,贾峰,孔德同,等.大数据下机械智能故障诊断的机遇与挑战[J/OL].机械工程学报,2017:1-12.[2017-09-11].http://www.cjmenet.com.cn/Jwk_jxgcxb/CN/abstract/abstract

12265.shtml.

LEI Y G,JIA F,KONG D T,et al.Opportunities and Challenges of Machinery Intelligent Fault Diagnosis in Big Data Era[J/OL].Journal of Mechanical Engineering,2017:1-12.[2017-09-11].http://www.cjmenet.com.cn/Jwk_jxgcxb/CN/abstract/abstract12265.shtml.