許鵬輝 董金梁

摘 要：隨著“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”的提出，智能制造、人工智能等產(chǎn)業(yè)受重點(diǎn)關(guān)注，并不斷向柔性制造系統(tǒng)或單元發(fā)展。設(shè)計(jì)的柔性生產(chǎn)線，以一臺(tái)地軌機(jī)器人和一臺(tái)關(guān)節(jié)機(jī)器人為基礎(chǔ)，為三臺(tái)數(shù)控機(jī)床提供上下料工作，并配有智能倉(cāng)儲(chǔ)和AGV小車負(fù)責(zé)原材料和成品的運(yùn)輸和儲(chǔ)藏，呈現(xiàn)真實(shí)工廠生產(chǎn)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：柔性制造;生產(chǎn)線;工業(yè)機(jī)器人;實(shí)訓(xùn)平臺(tái);MES

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.218

1 引言

柔性制造系統(tǒng)是集工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工、智能控制、機(jī)電一體化等技術(shù)于一體的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線，它滿足了小批量多品種生產(chǎn)需求，是智能制造的核心組成部分。智能制造一線技能人才主要來(lái)源是職業(yè)院校學(xué)生，本文設(shè)計(jì)的柔性生產(chǎn)線，是依據(jù)市場(chǎng)發(fā)展需求和教學(xué)改革要求，實(shí)現(xiàn)從技能教學(xué)為主的教學(xué)理念變?yōu)橐越炭蒲泻蜑樯鐣?huì)服務(wù)為主的教學(xué)理念。既憑借產(chǎn)線開(kāi)展形式多樣的訓(xùn)練教學(xué)活動(dòng)，使機(jī)械、自動(dòng)化、電氣及測(cè)控等專業(yè)學(xué)生的工程能力得到充分的鍛煉，讓學(xué)生能夠真實(shí)體驗(yàn)現(xiàn)代制造技術(shù)生產(chǎn)加工的全過(guò)程;又依托產(chǎn)線提高社會(huì)服務(wù)能力。

2 柔性生產(chǎn)線總體概況

該生產(chǎn)線分為車削單元、銑削單元、智能倉(cāng)儲(chǔ)單元和智能可視化系統(tǒng)單元，它由一臺(tái)加工中心、一臺(tái)車削中心、一臺(tái)數(shù)車、一臺(tái)關(guān)節(jié)機(jī)器人、一臺(tái)地軌機(jī)器人、智能立庫(kù)、MES軟件等組成。通過(guò)MES軟件和電氣系統(tǒng)的通訊和控制，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、存儲(chǔ)等方面，實(shí)現(xiàn)了加工單元的自動(dòng)化和模塊化，使機(jī)械制造實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，使工作效率大步提高。

在教學(xué)科研領(lǐng)域，將MES（生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)）和WMS（倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)）等系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，將企業(yè)管理和先進(jìn)制造融于一體。先進(jìn)生產(chǎn)制造系統(tǒng)融合了光、機(jī)、電、氣以及信息一體化、物流管理訓(xùn)練、計(jì)算機(jī)輔助制造、工業(yè)造型、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、機(jī)器人、視覺(jué)圖像識(shí)別、數(shù)控制造等技術(shù)。

該實(shí)訓(xùn)基地生產(chǎn)線能實(shí)現(xiàn)整體聯(lián)動(dòng)和單模塊獨(dú)立運(yùn)行。

2.1 聯(lián)動(dòng)

步驟1，訂單投放，立體倉(cāng)儲(chǔ)出料，出庫(kù)平臺(tái)上的RFID（射頻識(shí)別）讀寫(xiě)器讀取工件加工任務(wù)信息;

步驟2，AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車）物流小車運(yùn)送工件至對(duì)應(yīng)工序的加工設(shè)備上料區(qū)（物料存儲(chǔ)自動(dòng)接貨平臺(tái)）;

步驟3，加工設(shè)備上料區(qū)的RFID（射頻識(shí)別）讀寫(xiě)器讀取待加工零件工序任務(wù)，將其信息發(fā)送給加工設(shè)備及上下料機(jī)器人，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)門(mén)，機(jī)器人根據(jù)程序選擇性的將工件放置于對(duì)應(yīng)的工裝夾具上，工裝夾具自動(dòng)夾緊，設(shè)備自動(dòng)關(guān)門(mén)，開(kāi)始自動(dòng)加工;

步驟4，零件加工完，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)門(mén)，機(jī)器人取出工件，放置于吹氣單元對(duì)工件進(jìn)行吹干處理，機(jī)器人將工件放回物料存儲(chǔ)接貨平臺(tái)，將托盤(pán)送回至AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車）物流小車上，由小車負(fù)責(zé)物流將工件傳輸?shù)较聜€(gè)加工設(shè)備區(qū)，進(jìn)行下道工序的加工;

步驟5，工件所有工序完成，入庫(kù)。如果沒(méi)有，則回到步驟3，依次循環(huán)。

2.2 單模塊獨(dú)立運(yùn)行

支持單個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行，例如智能銑削上下料工作站可以在其它工作站斷電或者離線狀態(tài)，進(jìn)行正常工作，方便學(xué)生針對(duì)單個(gè)模塊進(jìn)行裝調(diào)、編程、運(yùn)行與維護(hù)等實(shí)訓(xùn)。

3 柔性生產(chǎn)線模塊功能介紹

3.1 智能加工模塊

主要由加工中心、數(shù)控車床（配自動(dòng)門(mén)、自動(dòng)工裝夾具）、六自由度機(jī)器人組成。系統(tǒng)啟動(dòng)后，工業(yè)機(jī)器人將坯料放入加工中心，加工中心開(kāi)始零件加工，結(jié)束后工業(yè)機(jī)器人將經(jīng)過(guò)加工的零件放到自動(dòng)傳輸系統(tǒng)的工裝托板上。

該模塊上下料部分主要由上下料機(jī)器人、機(jī)器人控制柜、機(jī)器人示教器、機(jī)器人抓手、機(jī)器人底座、機(jī)器人地軌式行走軸、物料存儲(chǔ)自動(dòng)上下料平臺(tái)等組成。其中智能車削加工工作站配備地軌式行走機(jī)器人，由一臺(tái)機(jī)器人完成兩臺(tái)數(shù)控車床的上下料工作;智能銑削加工工作站配備固定式六軸工業(yè)機(jī)器人，完成加工中心的上下料工作。系統(tǒng)啟動(dòng)后，工業(yè)機(jī)器人抓取毛坯料放入加工設(shè)備，結(jié)束后工業(yè)機(jī)器人將已加工好的零件放回物料存儲(chǔ)上下料平臺(tái)的工裝托板上，工裝托板等待AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車）物流小車傳送至下個(gè)工位。

該工作站主要滿足學(xué)校開(kāi)設(shè)的數(shù)控加工和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)等專業(yè)的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生在數(shù)控加工設(shè)備工業(yè)機(jī)器人的裝調(diào)、編程、運(yùn)行、設(shè)計(jì)與維護(hù)能力，以及機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的集成能力。

3.2 全自動(dòng)物流倉(cāng)儲(chǔ)模塊

主要由立體倉(cāng)庫(kù)、WMS（倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)）倉(cāng)儲(chǔ)管理軟件、出庫(kù)平臺(tái)、入庫(kù)平臺(tái)、AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車）智能存儲(chǔ)小車、阻擋定位機(jī)構(gòu)等組成。完成載貨工裝托板的輸送、定位及分揀工作。

該模塊傳輸線部分由PLC自動(dòng)控制，各傳輸段的起停、頂升等動(dòng)作不需用戶操作各傳輸線由交流電機(jī)拖動(dòng)，配置了變頻器。變頻器的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警信息均可以傳給PLC，用戶各種操作指令，也可以在系統(tǒng)操作界面上方便的下達(dá)。

每個(gè)工位設(shè)有RFID無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)，由讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽等組成。系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)讀寫(xiě)器，分別對(duì)各主要工位和工序的完成情況及重要信息進(jìn)行記錄，以便對(duì)產(chǎn)品的加工信息進(jìn)行采集;可與生產(chǎn)線系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)線的信息交換。最終數(shù)據(jù)全部發(fā)送給電腦保存。

立體貨架設(shè)有原料庫(kù)和成品庫(kù)，均采用巷道式立體庫(kù)。每個(gè)巷道式立體庫(kù)主要包括巷道式堆垛機(jī)、工業(yè)型材搭建的立體庫(kù)位等組成，主要用于原材料、成品的出庫(kù)、入庫(kù)以及存儲(chǔ)功能。庫(kù)內(nèi)物品通過(guò)條碼系統(tǒng)、RFID（射頻識(shí)別）系統(tǒng)和WMS（倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)）管理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)物料的信息管理和科學(xué)調(diào)配。堆垛機(jī)X、Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用同步帶及鏈條，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證了出庫(kù)與入庫(kù)動(dòng)作的速度與精確性。堆垛機(jī)取料機(jī)構(gòu)采用三級(jí)貨叉，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可完成在原料庫(kù)與成品庫(kù)的雙面作業(yè)。作為擴(kuò)展功能，用戶還可以對(duì)出入庫(kù)的庫(kù)位進(jìn)行自定義，并且可實(shí)現(xiàn)移庫(kù)操作，體現(xiàn)了現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)功能強(qiáng)、配置靈活的新理念。通過(guò)WIFI無(wú)線通訊方式與總控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

該模塊主要滿足學(xué)校開(kāi)設(shè)的機(jī)電一體化和現(xiàn)代物流等專業(yè)的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)智能制造系統(tǒng)物流傳輸線選型、自動(dòng)化控制及布局設(shè)計(jì)能力，以及自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、操作能力、維護(hù)能力。

3.3 智能總控可視化模塊

模塊主要由總控臺(tái)、大屏顯示、監(jiān)控電腦、攝像頭及MES（生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)）軟件組成。其中MES（生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)）軟件是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品計(jì)劃管理與工業(yè)控制之間信息管理系統(tǒng)。它為操作人員/管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源的當(dāng)前狀態(tài)。最終能夠達(dá)到以下要求：生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)常規(guī)管理、生產(chǎn)優(yōu)化改進(jìn)。

該模塊主要滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)等專業(yè)的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理軟件WMS（倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)）的理解與掌握能力，企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)）的認(rèn)知能力。

3.4 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)設(shè)有就地控制柜，配有專用的PLC控制器及觸屏屏，PLC電氣控制及I/O通訊系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)加工設(shè)備、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車）物流小車及機(jī)器人的I/O通訊控制，在觸摸屏的組態(tài)畫(huà)面上可以直接控制整個(gè)車間設(shè)備的運(yùn)營(yíng)。

該模塊主要滿足學(xué)校開(kāi)設(shè)的電氣自動(dòng)化設(shè)備安裝與維修等專業(yè)的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生PLC的編程、運(yùn)行與故障診斷能力，以及柔性制造系統(tǒng)中的自動(dòng)化集成、信息對(duì)接、設(shè)備改造與維護(hù)等能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的柔性生產(chǎn)線呈現(xiàn)真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，完成產(chǎn)品的智能物流和自動(dòng)裝配、智能倉(cāng)儲(chǔ)，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)MES（生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)）生產(chǎn)管理系統(tǒng)控制完成，使工廠無(wú)人化生產(chǎn)管理得到實(shí)現(xiàn)，使人力成本、誤差得到緩解。它包含了企業(yè)管理、制造加工、物流倉(cāng)儲(chǔ)等功能，是當(dāng)代智能化工廠的縮影，局部體現(xiàn)了生產(chǎn)的某些階段，并且后期還可擴(kuò)展其他工位，讓學(xué)生能夠提前走進(jìn)企業(yè)中。

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