工业机器人生产数字化车间系统架构设计

工业机器人生产数字化车间系统架构设计

张维

中车齐齐哈尔车辆有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002

摘要：随着工业机器人技术的不断发展，机器人制造单元进入企业已经成为趋势，对机器人制造单元的研究具有实际的应用意义。近年来机器人制造车间的动态车间调度问题的研究不断增多，本文针对机器人制造车间随机增加和删除订单的情况设计动态调度算法，根据不同规模在不同时刻增加删除订单的实例测试对比，验证算法的有效性，鲁棒性和自适应性，对实际生产参考意义重大。

关键词：工业机器人；数字化车间；系统架构设计

引言

随着机械制造加工车间智能化程度日益增强，车间装备更加多元化，设备与设备、系统与系统间的交互更加频繁，连接更加紧密。工业机器人需与数控机床、AGV小车等多样化设备协同作业，彼此生产协调和信息交互成为制造过程的关键一环。作为辅助生产的关键设备，工业机器人实现数据集成共享和设备互联互通，以及对状态进行监测显得尤为重要。设计一种基于云平台的SCARA机器人监控系统,通过采用OPCUA协议､前后端分离等技术实现本地客户端与SCARA机器人的监控与交互｡采用PLC+HMI的控制架构,以HMI为上位机实现上下料桁架机器人运行状态的可视化监控｡基于OPCUnifiedArchitecture的车间物理系统通信架构,通过将OPCUA通信协议､工业机器人ROS系统与PLC控制系统进行整合,实现了车间设备的数据采集和通信｡构建了基于B/S架构的机器人数据采集系统，通过移动智能设备获取制造车间数据，实现车间设备、移动采集设备和服务器之间的交互。已有研究主要集中在对机器人的数据通信和监控层面，为机器人智能制造应用提供了借鉴。然而，只有对多源异构数据进行统一语义、信息进行统一传输，使底层数据规范化、通信标准化，才是数据互联互操作、信息集成和数据融合处理问题的有效解决途径。

1.工业机器人生产数字化车间的概述

数字化车间是装备制造业发展的必然趋势。数字化车间的建设重点是对车间内的设备和系统进行联网，实现对车间内的设备和系统数据的实时采集和分析。制造车间的数字化可以最大限度地利用信息技术和工业技术之间的交互作用。其中，工业技术是信息化技术的支撑和基础，而信息技术对工业技术具有引导和决策作用。工业机器人是机电一体化的重要产品，代表着工业机械自动化的最高程度。利用工业机器人取代人工，可以减少人工失误，降低操作风险，提高产品质量，为企业创造良好的经济效益。所以，在工业机器人制造过程中，必须设计数字化车间体系结构。

2.问题描述

Job-Shop类型的机器制造单元主要由搬运机器人，加工工作站和控制系统组成。其中，加工站又由加工机器，输入缓冲站和输出缓冲站三部分组成。经典的车间调度过程描述为：将N个工件(J1,J2,...,JN)安排在m台机器(M1,M2,...,Mm)上进行加工,各工件需要完成的工序有一道或多道，且每个工件的各道工序之间的先后顺序是确定的，整个过程中的物料运输都由搬运机器人完成，安排所有工件的所有工序和搬运机器人的搬运过程的最佳执行方案。在实际的生产车间中加工过程并不是静态不变的，经常会有随机的动态干扰影响车间加工。随机订单的插入对车间生产影响极大，我们要及时做处理。对于机器人制造单元车间动态调度过程，有随机订单任务插入或订单任务删除时，我们需要急时对加工单元进行重调度。

3.工业机器人生产数字化车间系统架构设计策略

3..1工艺质量控制

MES与SCADA技术相结合，可以实时收集工业机器人各个工序的品质参数，并进行统计和分析，从而达到对产品质量的控制和管理。企业可以利用MES系统管理、比较生产工艺的质量信息和检验标准，从而实现对生产过程的实时监控与追溯，对生产工艺的操作进行规范化。MES与SCADA系统集成后，可以实时获取和提取与生产质量有关的关键工艺参数，并且在参数数值曲线发生变化或者逐渐增大到有可能超过预定的处理参数限制范围时，将其与SCADA系统整合。系统会自动发出警报，以通知管理人员做出反应。构建数字化车间信息模型后，按照5个层次进行分层内部网络通信，实现全数字化车间的网络通信，并对MES与ERP、PLM、SCADA等进行集成。数字化车间的信息化建设是实现数字化车间高效运作的重要手段。文章实现了5级之间的网络化通信，可以防止由于数据传递和不及时导致企业无法正常运转，从而避免决策失误而造成经济损失。

3.2IIoT场景的应用

其一，设备频段多样，工厂中各类机械设备和传感设备的工作频段各不相同，从6GHz以下频段到毫米波频段跨度很广，电磁波在传播过程中的损耗也相差甚远。其二，车间中存在大型金属机器遮挡或密集金属散射体，会对电磁波造成反射、绕射或散射，进而影响电磁波的传播路径和损耗。其三，存在工业机器人移动，在现代化工厂中，搬运和巡检机器人被广泛使用，它们在移动过程中，对电磁波的覆盖和传播会产生一定的影响。可见现有信道路径损耗模型在应用于IIoT场景时存在瓶颈，因此需要建立一个频段、金属机器遮挡和物体运动相关路径损耗模型，以描述上述IIoT场景下信道的典型特点。基于上述分析，本文对工业互联网场景下复杂信道路径损耗特性开展研究，首先，基于射线追踪方法对500MHz～39GHz多频段、大型金属机器及密集金属散射体遮挡以及工业机器人运动情况下的路径损耗特性进行仿真；然后，结合获取的数据，利用统计方法分别对路径损耗的影响进行分析和建模；最后，提出一个包含频段、隔断衰减、大小型金属机器遮挡修正项的路径损耗模型，以更准确地表征IIoT场景下的路径损耗特性。

3.3对安全防护系统

安全防护系统主要包括三大部分，其一指的是关于安全锁的保障措施，在这一措施之下，如果想要进入机器人的防护网进行检查与维修，那么就需要专业的钥匙。如果钥匙被取下来之后，那么其也就会自动下线，然后再借助多级的串联完成其后续的保护，此外，也可以通过对整线基尼新高安全光栅的配置的方式实施保护。借助安全光栅，将机械手的活动的范围以及人工的上料与取料进行分开，从而使得安全性得以增强。其二指的就是机器人自身的一些安全措施，这些措施的执行是为了避免碰撞发生在机器人之间。借助这一措施，机器人就能够进行自动的检测了，这也就说明，在完成了一个零件的加工之后，其可以完成自身的位置检查，以及最后的复位，回到零点。其三就是指的那些能够用于紧急停止的按钮，在这些按钮的作用之下，就能够有效控制那些短时间内加工过程中发生的失误行为了。

结束语

综上所述，OPCUA服务器各功能模块与OPCUA客户端综合实现了上下料机器人数据源格式和语义标准化和数据的统一通信，同时数据操作也得到统一。设计的上下料机器人OPCUA信息模型能较好覆盖监测系统的数据应用需求，验证了信息模型的完整性、实用性和所提框架的可行性。针对性设计了上下料机器人OPCUA信息模型，将其应用于监测系统中，有效解决了底层数据源格式语义和数据通信不一致的问题，进一步促进了系统信息集成和设备间的互联互通和互操作。这为机械制造加工车间信息化、智能化建设提供了参考。

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