程海榮

德州德工機械有限公司 山東德州 253100

1 自動化技術(shù)概述

自動化技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，形成過程中與控制論、信息論、系統(tǒng)工程、計算機技術(shù)、電子學(xué)、液壓氣壓技術(shù)、自動控制等有著密切的聯(lián)系。其中，控制理論和計算機技術(shù)對自動化技術(shù)影響較大，關(guān)系著自動化技術(shù)的應(yīng)用效果。實踐中若能重視自動化技術(shù)的高效利用，則能實現(xiàn)辦公自動化、機械自動化等，滿足設(shè)備運行過程中的高效控制要求。

2 案例探討

2.1 方案介紹

智能焊接生產(chǎn)線主要包括直角換軌式RGV搬運小車、步進式板鏈緩存臺、機器人焊接工作站系統(tǒng)、DCS調(diào)度系統(tǒng)、LCS上位機管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)六個部分。在DCS控制系統(tǒng)的調(diào)度下，RGV小車可以自動上下料、自動裝夾、焊接程序自動調(diào)用、自動焊接、自動報工，無需人工干預(yù)。同時LCS上位機管理系統(tǒng)將工件信息、完工情況等信息與MES系統(tǒng)對接，完成了生產(chǎn)制造過程中的信息流轉(zhuǎn)。

2.2 工藝流程

在后車架的生產(chǎn)過程中，首先是應(yīng)用后車架拼點工裝將各組件拼裝、點焊，將成型待焊的后車架放置到料臺上，利用料臺上限位塊、卡槽對后車架進行定位，組對區(qū)DCS召喚該區(qū)域RGV，自動將工件轉(zhuǎn)運至步進式上料緩存臺存放。在RGV主軌道兩側(cè)分布多臺機器人焊接工作站，機器人焊接工作站區(qū)DCS調(diào)度系統(tǒng)采集各工作站的信息、上下料RGV信息、步進式上下料緩存臺信息等，對所有工作站的上下料請求進行排序、穿插、優(yōu)化，控制上料RGV將工件轉(zhuǎn)運至相應(yīng)的機器人焊接工作站。人工補焊區(qū)、鏜加工區(qū)DCS調(diào)度本區(qū)RGV完成物料在后續(xù)加工區(qū)域的流轉(zhuǎn)。一個完整的上料、下料過程如圖1所示。

圖1 后車架智能焊接生產(chǎn)線的工藝流程

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成和功能

2.3.1 直角換軌式RGV

作為智能物流生產(chǎn)線的主要搬運工具，直角換軌式RGV小車不僅可以在主軌上行駛，還可以直角換軌后在垂直于主軌的輔軌上行駛，這樣就可以將工件分別送往主軌道兩側(cè)多個機器人焊接工作站。采用CX系列控制器為控制核心，Twin CATNCPTP控制系統(tǒng)、AX5000伺服驅(qū)動器和AM3000伺服電機構(gòu)成驅(qū)動方案；采用Profibus DP接口的條碼掃描器加防塵、耐油污的條碼帶作位置檢測；采用WLAN控制器作無線接入點，通過Twin CATADS協(xié)議實現(xiàn)RGV與DCS的無線數(shù)據(jù)交換。該RGV結(jié)構(gòu)緊湊、運送速度快（達到27m/min）、行走平穩(wěn)、定位精度高（<1mm），保證RGV在各主輔軌交叉點精確換軌、快速的將待焊工件送往工作站焊接或?qū)⒐ぷ髡緝?nèi)焊接完的工件轉(zhuǎn)運至下一個工序。

2.3.2 DCS調(diào)度系統(tǒng)

在該智能物流生產(chǎn)線上，DCS調(diào)度系統(tǒng)起著中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用。它既要通過分布式I/O獲取各個機器人焊接工作站的請求信號、液壓夾具的裝夾完成信號和料臺的工件到位信號等，還要控制和調(diào)度小車進行上、下料。在DCS控制下，自動將待焊工件轉(zhuǎn)運至機器人焊接工作站，RGV與工作站工裝緊密配合完成工件的自動裝夾。DCS調(diào)度系統(tǒng)由CX系列控制器、Ether CAT總線擴展模塊、耦合器模塊、I/O模塊、無線路由器、交換機、HMI組成。CX系列控制器作主CX系列控制器作主站，總線擴展模塊用于擴展Ether CAT總線。每一個耦合器模塊下掛I/O模塊作從站，構(gòu)成一個環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了Ether CAT網(wǎng)絡(luò)冗余功能。每一個從站通過I/O模塊與機器人焊接工作站、步進式上下料緩存臺交互信號，為了防止電源干擾，這些輸入輸出信號均采取繼電隔離。

主站將收集到的各機器人焊接工作站的信息進行處理，根據(jù)處理結(jié)果將信息以無線方式通過交換機、無線路由器發(fā)送給RGV，指揮RGV完成上下料任務(wù)，并實現(xiàn)避讓避碰、任務(wù)排列、任務(wù)穿插、任務(wù)等待等功能。同時將RGV的各種信息通過無線通訊傳遞給主站控制器，主站控制器通過基于Modbus TCP協(xié)議的以太網(wǎng)通訊將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在HMI上，并讀取HMI上的輸入信息。

2.4 步進式板鏈緩存臺

進式板鏈緩存臺用于存放前一加工區(qū)域處理完的工件，它與前后區(qū)域的DCS調(diào)度系統(tǒng)采用繼電隔離的數(shù)字I/O信號交換允許RGV進入、送（?。┝贤瓿伞⒐ぜ吞柕刃畔?。在前一區(qū)域RGV將工件送至緩存臺，離開到達安全位置后，緩存臺往前旋轉(zhuǎn)，將工件往下一個區(qū)域輸送一步，步進設(shè)定的距離后停止；前一個區(qū)域又可以往緩存臺送料，直到緩存臺放滿三個工件為止。后一區(qū)域RGV從緩存臺取走工件，到達安全位置后，緩存臺步進一步，將后面的工件往前輸送。緩存臺是前后工序的紐帶。每個板鏈緩存臺最多可以放置三個工件，對物料的流轉(zhuǎn)有一定的儲存和緩沖的作用。

2.5 應(yīng)用情況

智能焊接物流線（見圖2）成功應(yīng)用于國內(nèi)某大型工程機械集團公司裝載機后車架的生產(chǎn)中。該項目包含兩條后車架智能焊接物流線，一條專用于5T后車架的生產(chǎn)，另一條用于3T/5T后車架的混線生產(chǎn)。在項目實施前期，使用生產(chǎn)系統(tǒng)運作流程與配置優(yōu)化仿真技術(shù)，借助這個客觀的生產(chǎn)系統(tǒng)分析工具，使得用戶在生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計投產(chǎn)之前，就可預(yù)先得到智能焊接生產(chǎn)線和工藝流程的各項性能指標(biāo)，識別流程中的動態(tài)影響因子與瓶頸[4]（Bottleneck），從而為生產(chǎn)系統(tǒng)的各種改善提供決策支持。為了使生產(chǎn)效率最高、生產(chǎn)成本最低、利潤最大化，需要合理設(shè)置生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃布局、工藝流程、設(shè)備配置、人員崗位安排、生產(chǎn)節(jié)拍（CycleTime）等。經(jīng)過該平臺仿真驗證，物流線線由4個拼點工位、3個步進式緩存臺、15套機器人焊接工作站、5輛RGV、7個鏜加工工位、7個翻轉(zhuǎn)變位機、6個人工補焊工位、一個集控室組成，最佳生產(chǎn)節(jié)拍約19min。其中RGV在主軌上運行速度達27m/min，在輔軌上運行速度7.8m/min，定位精度±1mm。

圖2 智能焊接生產(chǎn)線在現(xiàn)場的應(yīng)用