師 寧， 劉 輝

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院， 北京100176；2.中國航空制造技術(shù)研究院裝備中心食藥機(jī)械產(chǎn)品部， 北京 100024）

0 引言

制造業(yè)作為我國的支柱產(chǎn)業(yè)，有著良好的發(fā)展勢頭，但是隨著我國人口紅利的消失，人工費(fèi)用的增長，傳統(tǒng)制造業(yè)依靠人力發(fā)展的道路已經(jīng)越走越窄。與此同時，隨著信息化及智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 智能裝備的誕生為傳統(tǒng)的裝備制造的生產(chǎn)方式帶來了革命性的產(chǎn)業(yè)變革。 我國為了推進(jìn)智能制造的發(fā)展， 作為中國實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)《中國制造2025》于2015 年5 月正式發(fā)布。 目前，無論是美國，日本、 還是歐洲，發(fā)展智能制造已成為全球制造業(yè)的目標(biāo)。

為了順應(yīng)國家推進(jìn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，作為培養(yǎng)高級技能人才的高職院校， 我院于2016 年投入新建了“基于工業(yè)4.0 的數(shù)字化工廠實(shí)訓(xùn)室”，并于2017 年進(jìn)行了二期建設(shè)。實(shí)訓(xùn)室的模擬可視化工廠線主要由總控制系統(tǒng)、 立體倉庫系統(tǒng)、 多功能工作站、 自動傳輸系統(tǒng)、 可視化展示單元、RFID 自動跟蹤管理系統(tǒng)、制造業(yè)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和倉庫管理系統(tǒng)（WMS）組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多種產(chǎn)品的共線生產(chǎn)（同時只能共線生產(chǎn)兩種產(chǎn)品），構(gòu)建真正意義上的工業(yè)4.0 新型工作模式和功能平臺，使整個柔性制造系統(tǒng)既源于生產(chǎn)實(shí)際、又符合教學(xué)規(guī)律要求，便于教師帶領(lǐng)學(xué)生開展多項(xiàng)專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。 經(jīng)過此實(shí)訓(xùn)平臺的訓(xùn)練，學(xué)生們可以掌握多學(xué)科的綜合知識和技能，為智能制造提供可靠的人才支撐。

1 平臺功能概述

以產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化工廠（DF），在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評估和優(yōu)化， 并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。 它是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時具有其鮮明的特征。 它的出現(xiàn)給基礎(chǔ)制造業(yè)注入了新的活力， 主要作為溝通產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的橋梁。工業(yè)4.0 的核心是將生產(chǎn)過程、工控軟件、生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行深度融合， 具體的表現(xiàn)就是在生產(chǎn)過程和管理體系的智能化上。

我院引進(jìn)的該智能生產(chǎn)系統(tǒng)為多產(chǎn)品共線生產(chǎn)，生產(chǎn)產(chǎn)品由控制系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)指令進(jìn)行。 各產(chǎn)品通過MES 和WMS 系統(tǒng)軟件， 實(shí)現(xiàn)從毛坯件出庫至成品入庫全過程的生產(chǎn)及生產(chǎn)節(jié)拍的智能調(diào)度。系統(tǒng)各部分的生產(chǎn)進(jìn)度應(yīng)協(xié)調(diào)一致。 按照現(xiàn)代數(shù)字化工廠的生產(chǎn)模式，根據(jù)定單需求通過MES 和WMS 系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)從毛坯件出庫至成品入庫全過程的生產(chǎn)。整個生產(chǎn)過程，無需人工干預(yù)，全過程中每個環(huán)節(jié)均通過RFID 記錄，全程追蹤產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，涵蓋訂單下發(fā)、物料傳輸、物料加工、物料入庫等，生產(chǎn)管理系統(tǒng)記錄每一個生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，可產(chǎn)品追溯。

多功能工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分體現(xiàn) “可重構(gòu)”的設(shè)計(jì)理念，采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)備主要由基礎(chǔ)功能平臺、機(jī)器人專業(yè)功能訓(xùn)練模塊、接駁平臺、RFID 子系統(tǒng)等部分組成。 專業(yè)功能訓(xùn)練功能模塊固定在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的底板上， 專業(yè)功能訓(xùn)練功能模塊與基礎(chǔ)功能平臺之間采用活動連接塊進(jìn)行連接，可實(shí)現(xiàn)快速固定，并固定可靠，后期可以標(biāo)準(zhǔn)尺寸底板上開發(fā)其它機(jī)器人應(yīng)用功能，可大大提高基礎(chǔ)功能平臺的功能和利用率，節(jié)約投資成本。同時，工作站系統(tǒng)平臺還選配緩沖接駁單元和RFID 跟蹤溯源子系統(tǒng)等，與智能生產(chǎn)線平臺進(jìn)行快速聯(lián)接，在智能生產(chǎn)線自動化軟件支持下，能夠完成從根據(jù)定單下單、智能倉儲存取、柔性流程重配和生產(chǎn)的全自動化過程。

圖1 工作流程圖

該模擬生產(chǎn)線的工作流程：①系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)指令，堆垛機(jī)從工件庫位取放置含拋光工件或焊接工件的托盤到出庫平臺；②AGV 小車根據(jù)系統(tǒng)指令到出庫平臺接駁工裝托盤；③AGV 小車搬運(yùn)含工件的工裝托盤到模擬拋光工作站或模擬焊接工作站，通過工作站接駁平臺搬運(yùn)至工作站；④此時，如有其它生產(chǎn)指令A(yù)GV 小車則回到出庫平臺搬運(yùn)其它工裝托盤或到下一工作站搬運(yùn)加工好的工件，如沒有其它生產(chǎn)指令A(yù)GV 小車等待加工完成；⑤工作在工作站加工完成后，工作站向系統(tǒng)發(fā)出加工完成指令，AGV小車到達(dá)工作站通過接駁平臺搬運(yùn)加工成品工件及工裝托盤至及入庫平臺； ⑥成品工件及工裝托盤經(jīng)入庫平臺入庫；⑦工裝托盤從出庫至工作站到最終成品入庫，整個生產(chǎn)過程通過RFID 系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤； ⑧根據(jù)生產(chǎn)定單，生產(chǎn)系統(tǒng)重復(fù)以上①-⑦步驟。

2 系統(tǒng)硬件平臺的構(gòu)建

本實(shí)訓(xùn)平臺的系統(tǒng)主要由總控系統(tǒng)、 立體倉儲系統(tǒng)、自動傳輸系統(tǒng)（AGV 小車）、工業(yè)機(jī)器人工作站、RFID 跟蹤管理系統(tǒng)、MES 生產(chǎn)管理系統(tǒng)和WMS 倉庫管理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)布置示意圖如圖2 所示。

總控系統(tǒng)主要特點(diǎn)是系統(tǒng)軟件通過MES 接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時交互、 操作員或者管理員可通過系統(tǒng)軟件實(shí)時監(jiān)控整個系統(tǒng)狀態(tài)、 聯(lián)動模式下可控制下位機(jī)各分系統(tǒng)運(yùn)行，并實(shí)時接收反饋信息。

立體倉儲系統(tǒng)立體倉儲系統(tǒng)設(shè)有原料庫和成品庫，采用巷道式立體庫。 巷道式立體庫主要包括巷道式堆垛機(jī)、工業(yè)鋁型材搭建的立體庫位等組成，主要用于原材料、成品的出庫、入庫以及存儲功能。庫內(nèi)物品通過RFID 系統(tǒng)和WMS管理軟件來實(shí)現(xiàn)物料的信息管理和科學(xué)調(diào)配。 傳動機(jī)構(gòu)由伺服驅(qū)動，保證了出、入庫動作的速度與精確性；取料機(jī)構(gòu)采用三級貨叉，可完成原料庫與成品庫的雙面作業(yè)；托盤上攜帶的RFID 電子標(biāo)簽有效記錄物料的狀態(tài)信息。

自動傳輸系統(tǒng)， 主要功能是為了充分發(fā)揮物流資源供應(yīng)方的效率，同時使需求方（客戶）能夠快速獲得服務(wù)匹配，并得到物流支持，其是實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”“智能物流”的硬件基礎(chǔ)。 本系統(tǒng)中自動傳輸系統(tǒng)主要根據(jù)客戶訂單需求， 上位機(jī)控制系統(tǒng)從立體倉儲庫發(fā)出需求產(chǎn)品的物料托盤，自動化傳輸線把不同種類的物料通過AGV 運(yùn)輸?shù)讲煌墓ぷ髡?，完成不同物料的生產(chǎn)裝配工作，傳輸系統(tǒng)中各種物料及產(chǎn)品均基于對RFID 標(biāo)簽的讀寫以實(shí)現(xiàn)對物料和產(chǎn)品的跟蹤和溯源。

機(jī)器人工作站主要由基礎(chǔ)功能平臺和專業(yè)功能模塊兩大部分組成。基礎(chǔ)功能平臺主要包括工業(yè)機(jī)器人及其控制器、基礎(chǔ)臺架、機(jī)器人抓手庫、觸摸屏、電氣控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等組件， 專業(yè)功能模塊主要由帶有基準(zhǔn)電氣接口，并可以快速更換并固定的功能模塊組成，可實(shí)現(xiàn)在同一基礎(chǔ)功能平臺上切換多種工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用功能（需要配置不同功能模塊），體現(xiàn)工作站的硬件可重構(gòu)功能。

RFID 自動跟蹤管理系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)卡、讀寫器、電子標(biāo)簽、RFID 管理軟件等組成， 分別對各主要工位和工序的完成情況及各物料、托盤的狀態(tài)信息進(jìn)行記錄，以便對產(chǎn)品的加工信息進(jìn)行采集，通過與生產(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)送給總控系統(tǒng)保存。

圖2 系統(tǒng)布置示意圖

MES 生產(chǎn)管理系統(tǒng)是處于管理層之下， 控制層之上的執(zhí)行層，主要服務(wù)于企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場管理和調(diào)度指揮。涵蓋生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集及接口、數(shù)據(jù)分析等通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。 通過強(qiáng)調(diào)制造過程的整體優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)生產(chǎn)， 建立一體化和實(shí)時化的全方位信息體系。 為用戶提供一個快速反應(yīng)、 有彈性、精細(xì)化的制造業(yè)環(huán)境，幫助企業(yè)降低成本、提高設(shè)備有效作業(yè)率、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和為企業(yè)考核提供依據(jù)。

WMS 是倉庫管理系統(tǒng) （Warehouse Management System）的縮寫，倉庫管理系統(tǒng)是通過入庫業(yè)務(wù)、出庫業(yè)務(wù)、倉庫調(diào)撥、庫存調(diào)撥等功能，綜合批次管理、物料對應(yīng)、庫存盤點(diǎn)、 質(zhì)檢管理和即時庫存管理等功能綜合運(yùn)用的管理系統(tǒng)， 有效控制并跟蹤倉庫業(yè)務(wù)的物流和成本管理全過程，實(shí)現(xiàn)完善的企業(yè)倉儲信息管理，該系統(tǒng)可以獨(dú)立執(zhí)行庫存操作，與其他系統(tǒng)的單據(jù)和憑證等結(jié)合使用，可提供更為完整全面的企業(yè)業(yè)務(wù)流程和財(cái)務(wù)管理信息。

3 監(jiān)控系統(tǒng)組成

本實(shí)訓(xùn)平臺監(jiān)控系統(tǒng)包括兩部分： 立體倉儲系統(tǒng)觸摸屏操控面板和多功能工業(yè)機(jī)器人工作站觸摸屏操控面板， 本文主要多功能工業(yè)機(jī)器人工作站操控面板為例來介紹監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

多功能工業(yè)機(jī)器人工作站有兩個工作模式， 聯(lián)機(jī)模式和本地模式。聯(lián)機(jī)模式即通過總控臺控制，通過總控臺的調(diào)度完成相應(yīng)的作業(yè)。 本地模式即總控系統(tǒng)不參與控制，機(jī)器人工作站自身通過按鈕盒和觸摸屏控制實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制的模式。 兩種模式下均能實(shí)現(xiàn)工業(yè)小型氣缸的裝配功能。

整個監(jiān)控系統(tǒng)一共包含主界面、手動界面、參數(shù)設(shè)置界面、報(bào)警界面、機(jī)器人信息界面和I/O 表界面等6 個界面， 現(xiàn)場操作員可以通過這6 個界面來實(shí)時監(jiān)控整個工作機(jī)器人的工作狀態(tài)，便于維護(hù)系統(tǒng)。

圖3 觸摸屏主界面和手動界面

主界面可顯示當(dāng)前日期、時間、星期，并有“啟動”、“停止”、“復(fù)位”按鈕，功能與面板上操作按鈕相同，其下方有屏幕切換按鈕，可切換至其它功能界面。手動界面主要有兩種功能：①非自動運(yùn)行狀態(tài)下可操作工作站所有氣缸動作；②本地模式下有兩種操作模式：入/出料功能屏蔽與入/出料功能使用，通過長按“入/出料屏蔽”按鈕8S 以上進(jìn)行切換。

（1）入/出料功能屏蔽操作：要求接駁平臺上有托盤，操作者每次將未裝配缸體放置于托盤上，在綠色“運(yùn)行”指示燈亮情況下按“機(jī)器人直接啟動”按鈕，3S 后機(jī)器人即啟動工作， 機(jī)器人未工作完成情況下不可往托盤上放置缸體，否則機(jī)器人會有撞擊危險(xiǎn)。

（2）入/出料功能使用操作：首先長按“入/出料屏蔽”按鈕8S 以上切換至“入/出料功能使用”，此操作模式要求接駁平臺上沒有托盤，在綠色“運(yùn)行”指示燈亮情況下按“入料”按鈕，接駁平臺皮帶轉(zhuǎn)動，操作者將放有未裝配缸體的托盤放于皮帶上，皮帶到位后機(jī)器人即自動運(yùn)行。機(jī)器人加工結(jié)束，操作者在同伴協(xié)助下，一人按“出料”按鈕，一人接住托盤。

圖4 參數(shù)設(shè)置界面和報(bào)警界面

參數(shù)設(shè)置界面可設(shè)置本地模式下工藝號，上電初始化情況下默認(rèn)工藝1 即氣缸裝配，目前本工作站只開發(fā)氣缸裝配功能，因此選擇其它工藝，機(jī)器人不會執(zhí)行動作。報(bào)警界面主要用于生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的一些可能危及顯示所有報(bào)警代碼和故障信息， 方便操作人員接觸故障信息。 此外還有機(jī)器人信息界面和PLC I/O 輸入和輸出顯示界面，分別來實(shí)時監(jiān)控PLC 與機(jī)器人之間的信號交互情況及顯示PLC 的實(shí)際工作點(diǎn)，方便操作人員實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。

4 結(jié)論

該實(shí)訓(xùn)平臺以數(shù)字化工廠為框架， 采用先進(jìn)的智能制造技術(shù)來重構(gòu)實(shí)際的生產(chǎn)過程， 有助于學(xué)生了解所學(xué)知識的實(shí)際工程應(yīng)用，并對每項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際企業(yè)里的具體應(yīng)用、各環(huán)節(jié)的前后聯(lián)系和背景一目了然，有效的指導(dǎo)了學(xué)生如何理論聯(lián)系實(shí)際，有助學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的，提高學(xué)習(xí)效果。通過可視化的監(jiān)控系統(tǒng)便于學(xué)生更好的監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過數(shù)字化管理，保證了產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容真實(shí)、可靠，同時培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)字化企業(yè)思想。