◎張維平 任雪飛 李媛媛

基于工業(yè)4.0的智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

◎張維平 任雪飛 李媛媛

在“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃背景下，越來越多的企業(yè)需要掌握先進(jìn)智能制造技術(shù)的高端技術(shù)技能型人才，各高校也開始積極建設(shè)工業(yè)4.0智能制造實(shí)訓(xùn)室。本文設(shè)計(jì)了一條汽車輪轂智能制造生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品，具備手機(jī)下單、智能生產(chǎn)、視覺檢測(cè)、自動(dòng)打包、自動(dòng)貼標(biāo)與智能倉(cāng)儲(chǔ)等功能，將工業(yè)4.0的關(guān)鍵核心技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同環(huán)節(jié)，為高校搭建了一個(gè)智能生產(chǎn)的智慧工廠平臺(tái)。

2012年初，制造業(yè)強(qiáng)國(guó)德國(guó)提出“工業(yè)4.0”發(fā)展戰(zhàn)略，代表了未來制造業(yè)智能化發(fā)展的趨勢(shì)?！肮I(yè)4.0”是指以信息物理系統(tǒng)CPS(Cyber-Physical System)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息高度數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為標(biāo)志，最后達(dá)到快速、有效的、智能的個(gè)性化產(chǎn)品供應(yīng)。“工業(yè)4.0”提出了一種全集成自動(dòng)化和個(gè)性化定制的創(chuàng)新生產(chǎn)模式，全集成自動(dòng)化是用一種系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能實(shí)現(xiàn)的所有功能，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的所有環(huán)節(jié)都被打通，能夠與客戶保持實(shí)時(shí)溝通，并隨時(shí)根據(jù)顧客要求調(diào)整生產(chǎn)線，這樣不僅節(jié)省人才、財(cái)力，還可以降低出錯(cuò)率，提高信息準(zhǔn)確率。全集成自動(dòng)化使生產(chǎn)效率大幅度提高，生產(chǎn)線上藍(lán)領(lǐng)員工減少，研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)人員之間的交流更加扁平化，同時(shí)對(duì)員工理解生產(chǎn)流程和人機(jī)交互的能力提出了更高的要求?！肮I(yè)4.0”全集成自動(dòng)化生產(chǎn)模式將傳統(tǒng)流水生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變?yōu)椤皞€(gè)性化生產(chǎn)單元”，同一條生產(chǎn)線生產(chǎn)不同型號(hào)的定制化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)更高效、更低成本的靈活個(gè)性化定制。

在“工業(yè)4.0”的推動(dòng)下，中國(guó)提出實(shí)施“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略，目標(biāo)是用30年時(shí)間推動(dòng)中國(guó)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變?！肮I(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃離不開制造業(yè)人才的培養(yǎng)和提升，也離不開高水平的職業(yè)教育。職業(yè)教育需要應(yīng)對(duì)“工業(yè)4.0”、“中國(guó)制造2025”的新挑戰(zhàn)，培養(yǎng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)所需要的高素質(zhì)技術(shù)人才，必須加強(qiáng)工業(yè)4.0實(shí)訓(xùn)室建設(shè)。

智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品以“工業(yè)4.0”為背景，應(yīng)用大量智能制造設(shè)備，結(jié)合了當(dāng)前最前沿的工業(yè)機(jī)器人、視覺檢測(cè)、無線射頻（RFID）、數(shù)控機(jī)床、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)總線和信息管理等先進(jìn)技術(shù)，為高校搭建了一個(gè)智能生產(chǎn)的智慧工廠平臺(tái)。本設(shè)計(jì)方案以汽車輪轂的智能生產(chǎn)全過程為對(duì)象，描述了從產(chǎn)品下單到加工、檢測(cè)、裝箱、貼標(biāo)、入庫(kù)及物流的各環(huán)節(jié)，通過互聯(lián)網(wǎng)訂貨接口，用戶可以自由選擇加工產(chǎn)品的類型和個(gè)數(shù)，完成訂單提交后，可以根據(jù)訂單執(zhí)行對(duì)應(yīng)該零件所設(shè)定的多項(xiàng)加工工序，并最終將合格產(chǎn)品放置于成品區(qū)，整個(gè)生產(chǎn)制造過程無需人為干預(yù)。

基于工業(yè)4.0的智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備由總控單元、智能倉(cāng)儲(chǔ)單元、AGV運(yùn)輸單元、機(jī)器人上下料單元、智能加工單元、智能檢測(cè)單元、RFID射頻單元、包裝貼標(biāo)單元以及智能物流單元等組成，各工作單元由總控臺(tái)統(tǒng)一控制、協(xié)調(diào)工作。根據(jù)教學(xué)需求，各單元還可以單獨(dú)工作，互不影響，為教學(xué)提供了便利?？刂破鬟x用西門子公司主流的S71200系列產(chǎn)品，通過Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行主站與從站的連接。PLC及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

智能制造生產(chǎn)線以汽車輪轂加工為生產(chǎn)對(duì)象，完成從在線訂單生成-產(chǎn)品加工-質(zhì)量檢測(cè)（視頻檢測(cè)）-射頻身份注冊(cè)-產(chǎn)品包裝-物流運(yùn)輸（或入庫(kù)）的循環(huán)工作過程。實(shí)現(xiàn)加工、檢測(cè)、包裝、貼標(biāo)、倉(cāng)儲(chǔ)及分流的無人化操作。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

（1）在線生成訂單，智能制造生產(chǎn)線能夠?yàn)榭蛻籼峁┒ㄖ苹?wù)，客戶可以根據(jù)需求在客戶端（手機(jī)或計(jì)算機(jī)）上選擇不同數(shù)量、尺寸和不同類型的輪轂。

圖1 PLC及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

（2）智能制造生產(chǎn)線接到客戶訂單后，首先判斷成品庫(kù)是否有庫(kù)存，如果有，則進(jìn)行成品出庫(kù)，笛卡爾機(jī)器人將成品搬運(yùn)至輸送線上進(jìn)入物流系統(tǒng)，送貨至指定收貨點(diǎn)；如果沒有庫(kù)存，系統(tǒng)就會(huì)查詢智能倉(cāng)儲(chǔ)料架上是否有足夠半成品料庫(kù)存，若庫(kù)存不足，控制系統(tǒng)向總控臺(tái)發(fā)送補(bǔ)充原料庫(kù)存提示。智能倉(cāng)庫(kù)是帶位置傳感器的智能倉(cāng)儲(chǔ)料架，不同類型的汽車輪轂已放置在指定的貨架中，具體數(shù)量可以由智能料架上的智能傳感器記錄并傳遞給總控系統(tǒng)。當(dāng)庫(kù)存原料滿足生產(chǎn)后，控制系統(tǒng)會(huì)開始訂單生產(chǎn)。

1）毛坯件在原料區(qū)時(shí)，首先由笛卡爾機(jī)器人取出對(duì)應(yīng)的半成品料，然后放置在AGV智能小車載物臺(tái)上的載具（帶有電子標(biāo)簽）上，此時(shí)控制系統(tǒng)將該產(chǎn)品的相關(guān)信息通過RFID技術(shù)寫入到載具上的電子標(biāo)簽中。

2）傳送系統(tǒng)檢測(cè)到半成品位于載具中后，1#AGV智能小車將其送到加工單元。不同的產(chǎn)品訂單，具有不同的生產(chǎn)工藝和工序。每種產(chǎn)品的加工工序在使用前已經(jīng)調(diào)試完畢并存入了總控系統(tǒng)。當(dāng)接到生產(chǎn)某一產(chǎn)品的訂單時(shí)，加工中心就會(huì)根據(jù)客戶訂單對(duì)輪轂進(jìn)行特定的加工。

3）在1#加工中心處，上下料機(jī)器人負(fù)責(zé)將1#AGV小車上的毛坯件搬運(yùn)至加工中心，對(duì)輪轂表面的毛刺與澆口進(jìn)行加工，加工完成后，再由機(jī)器人從加工中心取出重新放回1#AGV小車中。

4）1#AGV小車?yán)^續(xù)將加工完成的半成品零部件運(yùn)送至智能檢測(cè)單元，由智能相機(jī)判斷半成品零件是否符合加工標(biāo)準(zhǔn)并通過RFID進(jìn)行產(chǎn)品信息寫入。NG 零配件回收至廢品箱，OK產(chǎn)品自動(dòng)進(jìn)入下一工序生產(chǎn)，由1#AGV小車運(yùn)送至2#加工中心。

5）在2#加工中心處，上下料機(jī)器人負(fù)責(zé)將1#AGV小車上的輪轂搬運(yùn)至加工中心，加工中心將對(duì)汽車輪轂的氣門孔與螺紋孔進(jìn)行加工，加工完成后，再由機(jī)器人從加工中心取出重新放回1#AGV小車中運(yùn)送至檢測(cè)工位。

6）1#AGV小車?yán)^續(xù)將加工完成的零部件運(yùn)送至智能檢測(cè)單元，由智能相機(jī)判斷加工后的產(chǎn)品是否符合技術(shù)要求，如加工尺寸等，并通過RFID進(jìn)行產(chǎn)品信息寫入。NG 零配件回收至廢品箱，OK產(chǎn)品自動(dòng)進(jìn)入下一工序生產(chǎn)。

（3）智能管理系統(tǒng)。智能制造總控平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，該平臺(tái)主要負(fù)責(zé)智能制造生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)處理、控制計(jì)算、分析決策和信息交換，同時(shí)也是智能生產(chǎn)線控制操作的中心。整個(gè)平臺(tái)體現(xiàn)了工業(yè)4.0與智能制造的感知與接入，服務(wù)的封裝、全生命周期管理以及服務(wù)的按需使用等關(guān)鍵技術(shù)理念。

本文提出了一種基于工業(yè)4.0的輪轂智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，可以按照不同的訂單要求自動(dòng)組織生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。生產(chǎn)過程中采用電子標(biāo)簽對(duì)產(chǎn)品的加工信息進(jìn)行讀、寫跟蹤；采用機(jī)器視覺技術(shù)及各類傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)信息并反饋“總控系統(tǒng)”便于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整生產(chǎn)工藝；用戶可以直接參與到產(chǎn)品的定制、下單、生產(chǎn)、物流過程，可以實(shí)時(shí)獲取自己所需產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)。該方案承載了滿足了個(gè)性化需求要求的柔性制造技術(shù)，職業(yè)院校依托設(shè)備可以開發(fā)《智能制造技術(shù)應(yīng)用》等課程資源，為企業(yè)培養(yǎng)更多掌握相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的高端技術(shù)技能型人才。

秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院）