劉彩霞，王慧東

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控技術(shù)系，內(nèi)蒙 古包頭 014030）

0 引言

隨著“中國(guó)制造2025”的不斷深入發(fā)展，智能制造也漸漸被大家耳熟能詳。智能制造系統(tǒng)是包括智能裝備（數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人及其他自動(dòng)化設(shè)備）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（傳感器、機(jī)器視覺、RFID、工業(yè)以太網(wǎng)）、工業(yè)軟件（ERP、MES、DCS 等）、3D 打印以及將上述環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合的自動(dòng)化系統(tǒng)集成及生產(chǎn)線集成。我國(guó)在逐步提升工業(yè)水平，并正處于制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)階段。工業(yè)自動(dòng)化已經(jīng)成為勢(shì)不可擋的發(fā)展趨勢(shì)，很多工廠已經(jīng)擁有無人車間或只需要少量的人力就可以做很多的工作大型生產(chǎn)線。為了在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中尋求新的突破，我國(guó)一直積極發(fā)展工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。機(jī)器人給工業(yè)帶來新的動(dòng)力和發(fā)展模式。已有企業(yè)能根據(jù)各自的發(fā)展需求和加工設(shè)備的規(guī)模，來自主選擇工業(yè)機(jī)器人柔性制造智能產(chǎn)線系統(tǒng)，這不僅滿足了企業(yè)的基本生產(chǎn)需求，也保證了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。建立完整的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料的智能制造生產(chǎn)線，可以很好地解決許多生產(chǎn)線上因工件裝載勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、風(fēng)險(xiǎn)高而帶來的生產(chǎn)停滯不前的問題。同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，降低了人工成本，從而降低整個(gè)生產(chǎn)成本。加快智能制造技術(shù)的應(yīng)用和智能工廠的推廣，是落實(shí)工業(yè)化和信息化深度融合、打造制造強(qiáng)國(guó)的重要措施，也是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵所在[1]。對(duì)于學(xué)校來說，創(chuàng)建完全的柔性制造智能工廠從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、可行性等各方面來說，都是不可能的。如何能讓學(xué)生身臨其境地感受柔性制造智能工廠？本破研究應(yīng)用VisualOne 軟件以企業(yè)全真實(shí)體生產(chǎn)車間為背景，以學(xué)校現(xiàn)有各種設(shè)備為組成，以生產(chǎn)多品種、中小批量、多工序的各種箱體類零件為主線，營(yíng)造“源于現(xiàn)場(chǎng)、高于現(xiàn)場(chǎng)”的智能化生產(chǎn)情境，為智能工廠的真正落地實(shí)施提前預(yù)演，仿真其合理性和可實(shí)施性，既能讓學(xué)生體驗(yàn)柔性制造智能工廠精益化、數(shù)字化、智能化，又能滿足學(xué)生創(chuàng)建智能工廠、體驗(yàn)智能工廠所帶來成就感，學(xué)生又能進(jìn)入工作崗位的綜合素質(zhì)和職業(yè)能力增強(qiáng)。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

某公司智能工廠建設(shè)任務(wù)，具體要求：（1）主要進(jìn)行多品種、多工序箱體類零件的混流加工；（2）加工后的零件需進(jìn)行打磨；（3）打磨后的零件需裝配；（4）裝配的零件需與其他零件焊接；（5）該智能生產(chǎn)線重在多品種零件的加工，加工零件的品種可延伸性強(qiáng)；（6）加工后零件需進(jìn)行較高尺度精度檢測(cè)；（7）該智能生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)工人數(shù)不能超過4 人；（8）所有毛坯、成品件智能出庫(kù)、智能入庫(kù)，不需要人員參與；（9）流程節(jié)拍的零件自動(dòng)輸送；（10）生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)效率高。

2 自制托盤和自制手爪

根據(jù)上述設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足生產(chǎn)多品種、中小批量、多工序的各種箱體類零件的加工，需合理規(guī)劃工作流程以提高生產(chǎn)和加工效率。設(shè)計(jì)并自制的托盤和自制手爪如圖1 和圖2 所示。用于裝夾各種箱體類零件的夾具是裝夾到自制托盤上的，所以在該智能制造系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人給機(jī)床上下料不是工業(yè)機(jī)器人手爪抓取和放下工件，而是人工在上料區(qū)先將待加工工件用夾具裝夾到自制托盤上，上料時(shí)機(jī)器人將自制托盤連同工件和夾具一起從裝夾工作臺(tái)上搬運(yùn)到數(shù)控機(jī)床上并固定，下料時(shí)機(jī)器人將自制托盤連同加工完的工件搬運(yùn)到下一道工序或下一個(gè)流程的設(shè)備上，因此，數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)是采用自制托盤，不加工工件時(shí)所有托盤放在托盤庫(kù)里，上面裝置有各種夾具。機(jī)器人搬運(yùn)時(shí)手爪抓取托盤的狀態(tài)如圖3 所示。

圖1 自制托盤

圖2 機(jī)器人搬運(yùn)自制托盤的手爪

圖3 機(jī)器人搬運(yùn)時(shí)手爪抓取托盤的狀態(tài)

自制托盤在機(jī)床上的固定方式如圖4 和圖5 所示，圖4 是自制托盤的下面，圖5 是機(jī)床夾具上面，自制托盤夾在機(jī)床上。機(jī)器人上下料時(shí)用自制手爪抓取自制托盤，工件已由夾具安裝和固定在自制托盤上。當(dāng)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床完成加工零件時(shí)，工業(yè)機(jī)器人按照生產(chǎn)線的工藝流程將自制托盤運(yùn)送到下一臺(tái)機(jī)床的機(jī)床夾具上并進(jìn)行固定夾緊。自制托盤與機(jī)床夾具的定位是由機(jī)床夾具上的兩個(gè)短圓柱型定位銷實(shí)現(xiàn)粗定位，再由四個(gè)圓錐面實(shí)現(xiàn)精確定位，機(jī)床夾具圓錐形底座內(nèi)有氣爪，可以抓住自制托盤上的拉釘，從而實(shí)現(xiàn)夾緊。

圖4 自制托盤的下面

圖5 機(jī)床夾具上面

3 智能工廠設(shè)計(jì)思路

智能工廠的設(shè)計(jì)應(yīng)包括智能管理、智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能物流、智能產(chǎn)品與服務(wù)。智能生產(chǎn)需要有智能裝備。智能裝備包括智能加工裝備（數(shù)控設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線、3D 打印機(jī)等）、智能物流裝備（立體倉(cāng)庫(kù)、輸送設(shè)備、堆垛機(jī)、AGV 等）、智能檢測(cè)裝備（視覺檢測(cè)、光電檢測(cè)、計(jì)量檢測(cè)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等）、智能識(shí)別裝置（智能采集、智能儀表、智能工具等）。

根據(jù)任務(wù)要求，規(guī)劃2 臺(tái)TH6535X63A 臥式銑鏜加工中心、2 臺(tái)VMC650E 經(jīng)濟(jì)型立式加工中心實(shí)現(xiàn)各個(gè)工序的混流加工。需要4 臺(tái)機(jī)器人，其中1 臺(tái)機(jī)器人安裝自制手爪搬運(yùn)自制托盤給4 臺(tái)機(jī)床上下料，1 臺(tái)機(jī)器人將加工完的工件搬運(yùn)到輸送帶上，1 臺(tái)機(jī)器人在打磨區(qū)進(jìn)行打磨，1 臺(tái)機(jī)器人將已加工工件與其它零件焊接。需要4 輛AGV 小車，分別實(shí)現(xiàn)托盤、毛坯的出庫(kù)及托盤、成品件的入庫(kù)。利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行工件的測(cè)量。需要1 臺(tái)變位機(jī)、1 條自動(dòng)物料傳輸線、2 個(gè)快換裝置，6 個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)（包括托盤庫(kù)、毛坯庫(kù)和成品庫(kù)）。需要1 個(gè)裝夾區(qū)、1 個(gè)卸料區(qū)、1 個(gè)檢測(cè)區(qū)、一間總控室及其他輔助設(shè)施，完成所要求工件的加工、打磨、裝配、焊接。整套智能生產(chǎn)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足柔性化生產(chǎn)加工需求及自動(dòng)化流水線的設(shè)計(jì)需求。柔性化操作加工工作范圍內(nèi)，作業(yè)人數(shù)為4 人/班。裝夾區(qū)里1 人將毛坯裝配到托盤上，檢測(cè)區(qū)1 人將打磨后的工件從托盤上拆卸、搬運(yùn)到檢測(cè)區(qū)備料臺(tái)上及將檢測(cè)后的工件與其他已加工完的工件裝配并搬運(yùn)到輸送帶上，檢測(cè)區(qū)1 人負(fù)責(zé)在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上檢測(cè)工件，總控室1 人負(fù)責(zé)系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控。該智能工廠智能裝備清單見表1。

表1 智能工廠智能裝備清單

4 智能工廠場(chǎng)景搭建

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)用虛擬仿真軟件進(jìn)行場(chǎng)景搭建，本項(xiàng)目選用VisualOne 軟件。VisualOne 軟件是國(guó)際領(lǐng)先的全方位智能工廠虛擬仿真系統(tǒng)，可對(duì)智能制造過程進(jìn)行仿真、數(shù)據(jù)收集和分析，可用于智能制造生產(chǎn)線規(guī)劃和數(shù)字化車間布局設(shè)計(jì)，還可根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的仿真軌跡生成離線程序，經(jīng)過后置處理即可應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人中[2]，是一款容易掌握、易于實(shí)現(xiàn)智能工廠的軟件，可以運(yùn)用其創(chuàng)建虛擬智能工廠，并進(jìn)行流程的模擬仿真。場(chǎng)景搭建布局如圖6 所示。

圖6 場(chǎng)景搭建布局圖

5 智能工廠工作流程仿真模擬

場(chǎng)景搭建后，可以對(duì)進(jìn)行實(shí)際工件出庫(kù)、裝夾、搬運(yùn)、加工、打磨、檢測(cè)、裝配、焊接、入庫(kù)等流程進(jìn)行模擬仿真，整個(gè)仿真運(yùn)行工作流程如圖7 所示。仿真過程重點(diǎn)是對(duì)其編程、信號(hào)傳輸、接口連接等，生產(chǎn)流程達(dá)到最優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。

圖7 柔性制造智能工廠的工作流程圖

兩臺(tái)堆垛機(jī)分別將托盤和毛坯件放到兩臺(tái)AGV 小車上，一臺(tái)AGV 小車將托盤運(yùn)送到輸送帶上，由輸送帶將其運(yùn)送到裝夾臺(tái)上，另一臺(tái)AGV 小車將毛坯件運(yùn)送到工作臺(tái)上，由人搬運(yùn)到自制托盤上進(jìn)行定位裝夾。

由機(jī)器人將裝夾臺(tái)上的托盤連同工件一起搬運(yùn)到相應(yīng)工序加工的數(shù)控機(jī)床上，托盤在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、夾緊，數(shù)控機(jī)床開始加工工件，在這期間沒接到已加工完工件信號(hào)，搬運(yùn)機(jī)器人繼續(xù)搬運(yùn)其他已裝夾好的托盤到其他數(shù)控機(jī)床上。當(dāng)接到已加工完信號(hào)機(jī)器人將托盤搬運(yùn)到打磨臺(tái)上，由打磨機(jī)器人對(duì)已加工完工件進(jìn)行打磨。接受到打磨完信號(hào)后，機(jī)器人再將托盤搬運(yùn)到輸送帶上，將托盤運(yùn)送到裝卸區(qū)的工作臺(tái)上，由另一人將打磨后的工件從托盤上卸下。AGV 小車將托盤運(yùn)送到托盤庫(kù)。

每臺(tái)數(shù)控機(jī)床上配有刀具測(cè)頭系統(tǒng)，進(jìn)行刀具斷刀檢測(cè)，將其存放到刀具壽命管理系統(tǒng)中。另外，數(shù)控機(jī)床上還配有刀具庫(kù)管理系統(tǒng)，用于建立刀具損耗情況、刀具庫(kù)存情況等信息。每臺(tái)數(shù)控機(jī)床上還配有攝像機(jī)視覺系統(tǒng)，將其現(xiàn)場(chǎng)加工情況反饋到看板上，可通過看板監(jiān)視每一臺(tái)數(shù)控機(jī)床加工情況。

由人將打磨后工件搬運(yùn)到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行尺寸精度檢測(cè)。若三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)正在檢測(cè)工件，則將工件搬運(yùn)到待檢臺(tái)上。檢測(cè)完尺寸精度后，由人將工件搬運(yùn)到和輸送帶相連接的裝配臺(tái)上，將已加工完的兩個(gè)工件進(jìn)行裝配，裝配好后由輸送帶將其運(yùn)送到焊接區(qū)。由另一臺(tái)機(jī)器人將其搬運(yùn)到轉(zhuǎn)位機(jī)上，由弧焊機(jī)器人進(jìn)行焊接，焊接后由機(jī)器人將其搬運(yùn)到輸送帶上，AGV 小車將成品件運(yùn)送到堆垛機(jī)上，將其放到成品庫(kù)中。變位機(jī)負(fù)責(zé)工件的定位、回轉(zhuǎn)及翻轉(zhuǎn)。

配備門機(jī)連鎖，當(dāng)AGV 小車區(qū)、加工區(qū)有人員操作或誤開防護(hù)門時(shí)，AGV 小車、機(jī)器人停止工作，避免誤觸、誤操作及其他不當(dāng)操作對(duì)作業(yè)人員造成傷害。

主控制臺(tái)負(fù)責(zé)4 臺(tái)機(jī)器人、變位機(jī)及數(shù)控機(jī)床聯(lián)機(jī)協(xié)同工作。它配備有軟件系統(tǒng)、獨(dú)立檢測(cè)系統(tǒng)及人機(jī)交互界面。該系統(tǒng)還具有功能完善的數(shù)據(jù)處理功能，可與上位機(jī)的接口組成自診斷系統(tǒng)，滿足客戶未來的個(gè)性化需求及自動(dòng)生產(chǎn)線的升級(jí)需求。

6 結(jié)束語

智能工廠是自動(dòng)化制造業(yè)的未來，是將智能制造技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用貫穿制造業(yè)全過程。智能工廠所追求的是制造過程管控可視化[3]。本研究的柔性制造智能工廠是將現(xiàn)有設(shè)備利用起來所構(gòu)成的智能工廠的雛形。柔性制造智能工廠虛擬仿真雖非真正的實(shí)體工廠，但通過虛擬仿真軟件的場(chǎng)景搭建、工作流程仿真，初步認(rèn)識(shí)到“中國(guó)制造2025”所設(shè)計(jì)的中國(guó)制造業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型的模式。智能制造是“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的主攻方向，而工業(yè)機(jī)器人作為智能制造的集大成者，是智能制造的核心，也是基礎(chǔ)工程。推動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展，是“中國(guó)制造”強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的十大重點(diǎn)發(fā)展之一，也是促進(jìn)中國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展的標(biāo)志性工程。