朱永波，徐利君

(1.湖南宇環(huán)智能裝備有限公司，湖南 長沙 410100；2.湖南機電職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410151)

0 引言

近年來，隨著工業(yè)機器人、3D打印以及大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)等工業(yè)和信息領域新興技術(shù)的迅速發(fā)展，制造業(yè)迎來了新一輪革命，特別作為信息化與工業(yè)化高度融合產(chǎn)物的智能制造得到了長足發(fā)展[1]。發(fā)達國家為了打造國家制造業(yè)競爭新優(yōu)勢，正積極推進高端制造業(yè)再升級，智能制造、網(wǎng)絡制造、綠色制造、服務性制造日益成為生產(chǎn)方式變革的重要方向，跨領域、協(xié)同化、網(wǎng)絡化的創(chuàng)新平臺正在重組制造業(yè)創(chuàng)新體系[2]。我國在2015年推出的“中國制造2025”戰(zhàn)略中也強調(diào)了智能制造的重要性[3]。

伴隨這一革命的到來，制造型企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)過程已經(jīng)逐步向自動化甚至智能化轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)設備也逐步趨向于集成化與信息化。設備操作管理從以往的一人負責一臺設備向一人負責多臺設備甚至整條生產(chǎn)線的方向轉(zhuǎn)變。伴隨著生產(chǎn)方式的進步，企業(yè)對于人才的要求也越來越高，傳統(tǒng)具備單一操作技能的人才已經(jīng)不能滿足企業(yè)的需求。在我國制造型企業(yè)中，技能型人才約占企業(yè)人才的五分之三，這類人才是企業(yè)健康發(fā)展的重要保障[4]。高職院校作為技能型人才的重要培養(yǎng)基地，其傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式往往圍繞某種單一設備展開，無法培養(yǎng)學生各項綜合操作技能，更加無法系統(tǒng)地向?qū)W生展示企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)過程。

為了解決這一矛盾，設計并開發(fā)集工控技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)機器人、數(shù)控加工設備、視覺檢測設備于一體的平面零件精加工自動化生產(chǎn)線教學平臺，將有助于學生更加直觀地認識未來制造過程中會使用到的各種智能裝備并掌握其操作技術(shù)。本文圍繞培養(yǎng)適應現(xiàn)代智能制造企業(yè)綜合操作技能技術(shù)人才的要求，開發(fā)并設計自動化生產(chǎn)線模擬教學平臺，對其布局設計以及控制方法進行論述。

1 生產(chǎn)線布局設計

設備是企業(yè)進行生產(chǎn)的基本單元，合理的設備布局對均衡設備能力、保持物流平衡、降低生產(chǎn)成本起著至關重要的作用。設備布局是指按照一定的原則，在設備和車間內(nèi)部空間面積的約束下，對車間內(nèi)各組成單元、工作地以及生產(chǎn)設備進行合理的布置，使它們之間的生產(chǎn)配合關系最優(yōu)，物料運送代價最小[5]。

常用的設備布局形式包括直線型布局、U型布局、環(huán)形布局。鑒于產(chǎn)品加工工藝流程特點以及場地限制，本文采用直線型、模塊化布局設計，這種布局方式可以根據(jù)不同產(chǎn)品的加工工藝要求對設備進行迅速調(diào)整。

本文以不銹鋼鈑金類零件加工為例，對該自動化生產(chǎn)線布局進行了設計。該自動化生產(chǎn)線包括1個原材料放置區(qū)、5個加工工作站、2個搬運工作站、1個檢測工作站和1個打包工作站，其整體布局如圖1所示。

如圖1所示，耗材放置區(qū)用于存放被加工鈑金原材料；5個加工工作站分別為激光切割加工、精雕機加工、磨削拋光加工、清洗烘干和噴砂處理加工；2個搬運工作站分別為多關節(jié)機器人和直角機械手；檢測工作站是一臺CCD視覺檢測設備；打包工作站是1臺自行設計的非標打包設備，包括開盒、關盒機構(gòu)和1臺SCARA機器人。

圖1 生產(chǎn)線主要設備整體布局

2 加工工藝流程

為了讓學生有序地掌握各種不同技術(shù)在制造過程中的使用，所設計的每一步加工流程都包含一種以上的現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)。

產(chǎn)品加工過程全程無需人工干預，當生產(chǎn)任務訂單下發(fā)后，多關節(jié)機器人從耗材存放區(qū)抓取原材料放置于激光切割機，在此處將完成產(chǎn)品外形切割加工；切割完成之后直角機械手將切割所得產(chǎn)品搬送至精雕機，進行產(chǎn)品表面圖案、文字雕刻；雕刻加工完成之后，直角機械手再次將工件抓取至雙端面磨床，此工位主要是去除前兩道加工工序所產(chǎn)生的毛刺；磨削加工完成之后，產(chǎn)品經(jīng)傳送帶輸送至清洗機，對產(chǎn)品表面拋光液進行清洗并進行風干處理；風干處理完成之后，對產(chǎn)品表面進行噴砂處理；噴砂處理完成之后，由CCD視覺檢測系統(tǒng)對產(chǎn)品表面進行質(zhì)量檢測，檢測合格則對產(chǎn)品進行打包裝盒，否則剔除。其加工工藝流程如圖2所示。

圖2 加工工藝流程

3 控制系統(tǒng)設計

現(xiàn)代生產(chǎn)制造系統(tǒng)變得越來越復雜，需控制的對象分散、距離遠，控制所需節(jié)點容量增大，而且控制方法又要求靈活多變，對設備集成、實時通訊、可靠性等提出了更高的要求，傳統(tǒng)的單一PLC工業(yè)控制系統(tǒng)已無法滿足需求。根據(jù)本條生產(chǎn)線的實際情況，綜合PLC、CC-Link、AJ65SBTB1-32DT型I/O模塊和以太網(wǎng)技術(shù)，建立了適用于本生產(chǎn)線的DCS分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)線中各類設備的集成、信息交互以及在線監(jiān)控，也很好地向?qū)W生展示了工控技術(shù)的綜合應用。生產(chǎn)線整體控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，分為遠程監(jiān)控層和現(xiàn)場過程控制層。

圖3 生產(chǎn)線整體控制系統(tǒng)框圖

3.1 遠程監(jiān)控層

工業(yè)以太網(wǎng)作為一種特殊的網(wǎng)絡，直接面向生產(chǎn)過程和控制，肩負著工業(yè)生產(chǎn)運行一線測量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿眨a(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運動和轉(zhuǎn)換。它能夠滿足強實時性與確定性、高可靠性與安全性、工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的適應性、總線供電與本質(zhì)安全等特殊要求[6]。

綜合生產(chǎn)線現(xiàn)場需求，基于工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建了生產(chǎn)線的遠程監(jiān)控層，它通過TCP/IP協(xié)議將網(wǎng)絡客戶端下發(fā)的訂單傳輸至服務器PC、上位機工作站，然后再將訂單所包含的產(chǎn)品外形、表面圖案等信息傳輸至數(shù)控激光切割機PC、數(shù)控精雕機PC和CCD視覺PC，這3個工作站將根據(jù)接收到的信息進行相應的加工與檢測，此外它還用于主控模塊與上位機之間的通訊。

3.2 現(xiàn)場過程控制層

生產(chǎn)現(xiàn)場各工作站之間的信息交互是DCS的關鍵，此處采用CC-Link(控制與通訊鏈接)現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)。CC-Link是由三菱電機聯(lián)合多家公司推出的以設備層為主的總線體系，具有優(yōu)良的RAS(可靠性、有效性、維護性)和高速大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，即使工作站出現(xiàn)故障，也不會影響其他站的通訊，恢復正常后可自動返回鏈接，在鏈接過程中可更換模塊，并可預留后備站[7]。

現(xiàn)場過程控制層以FX系列PLC作為CC-Link網(wǎng)絡管理的主控模塊，主要用于存儲、運行下位機控制邏輯程序,相當于下位機的中央處理器,負責整個生產(chǎn)線現(xiàn)場的過程控制。CC-Link主站模塊與主控模塊相連，幫助其處理與分布式I/O模塊、從站設備之間的通訊問題。CC-Link從站模塊與生產(chǎn)線其他設備相同系列控制器相連接，負責與主站模塊進行通訊。分布式I/O模塊與主站模塊相連接，通過CC-Link控制生產(chǎn)線上與主控箱距離較遠的工作站，確保其安全、穩(wěn)定、有序的運行。RS485通訊模塊負責主控模塊與觸摸屏之間通訊，實現(xiàn)生產(chǎn)線噴砂單元的手動/自動操作切換。

3.3 PLC控制程序設計

由于整個生產(chǎn)線包含的設備種類以及需要控制的點位數(shù)量較多，控制程序較為復雜。為了使整個控制程序邏輯關系清晰，采用模塊化程序設計方法。其邏輯關系如圖4～圖7所示，包括1個主控模塊(圖4)和3個子模塊(圖5、圖6、圖7，分別為激光切割機控制模塊、精雕機控制模塊和CDD視覺系統(tǒng)控制模塊)。同時為了便于設備調(diào)試，控制程序包括手動與自動兩種模式。在正常情況下選擇自動運行，整個生產(chǎn)線按照工藝流程進行自動生產(chǎn)。當需要對設備進行調(diào)試時，可通過上位機上的旋鈕進行切換，實現(xiàn)手動控制。

圖4 PLC控制程序主邏輯關系

圖5 激光切割機控制邏輯關系 圖6 雕銑機控制邏輯關系

圖7 視覺系統(tǒng)控制邏輯關系

4 結(jié)語

所設計的自動化生產(chǎn)線教學平臺綜合了控制、加工、檢測、傳感等技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的單機設備教學平臺而言具有涉及技術(shù)層面廣、柔性化強、更加接近企業(yè)實際生產(chǎn)過程等優(yōu)勢。學生在學習各類工業(yè)技術(shù)的同時，可以自行設計產(chǎn)品外形、圖案等，大大增加了學習的趣味性和實用性。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，該生產(chǎn)線已經(jīng)正式用于教學中，并取得了良好的效果，在今后的職業(yè)教育人才培養(yǎng)中具有較大的推廣價值。