蘆紅霞，周成侯，李志遠(yuǎn)

（江蘇中車數(shù)字科技有限公司，南京210031）

0 引言

職業(yè)教育與普通教育是兩種不同教育類型，具有同等重要地位。改革開放以來，職業(yè)教育為我國經(jīng)濟社會發(fā)展提供了有力的人才和智力支撐[1]。進(jìn)入新的發(fā)展階段以來，我國的工業(yè)化進(jìn)程和經(jīng)濟快速發(fā)展，各行各業(yè)對技能人才的需求量日益增長，目前已有的技能人才的的總量、結(jié)構(gòu)和素質(zhì)已不能適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展的需要，職業(yè)院校的重要地位和作用日益凸顯。但是與其他發(fā)達(dá)國家相比，目前我國職業(yè)院校的教育基礎(chǔ)薄弱、培養(yǎng)體系不完善，職業(yè)技能實訓(xùn)基地不健全等問題日益凸顯[2]。因此，響應(yīng)《中國智能制造2025》和《國家職業(yè)教育改革實施方案》的號召，積極探索職業(yè)教育產(chǎn)教結(jié)合、產(chǎn)學(xué)合作的有效機制，將網(wǎng)絡(luò)一體化和基于智能制造的實訓(xùn)車間引入到職業(yè)院校人才實訓(xùn)基地建設(shè)勢在必行。

基于以上現(xiàn)狀，本文介紹了一種職業(yè)院校智能制造車間實訓(xùn)柔性制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)是模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，通過網(wǎng)絡(luò)及軟件管理系統(tǒng)把倉儲設(shè)備、檢測運輸設(shè)備、運輸設(shè)備、數(shù)控機床、機器人等所有設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)互通，并通過數(shù)據(jù)采集、分析，實現(xiàn)自動決策和精確執(zhí)行命令的自組織生產(chǎn)的精益管理境界的車間，該實訓(xùn)系統(tǒng)可滿足高職院校自動化專業(yè)、機器人專業(yè)、機械設(shè)計專業(yè)、數(shù)控專業(yè)及物流專業(yè)等的教學(xué)實訓(xùn)需求，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐的結(jié)合，進(jìn)而實現(xiàn)產(chǎn)教結(jié)合，讓學(xué)生提前進(jìn)入企業(yè)。

1 智能制造車間實訓(xùn)系統(tǒng)總體設(shè)計

智能車間是一個龐大的生產(chǎn)系統(tǒng)，包羅了諸多先進(jìn)的技術(shù)，如通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等。傳感器、機床、機器人等智能設(shè)備的發(fā)展是智能車間中數(shù)據(jù)采集和加工制造單元智能化的關(guān)鍵[3]。本文介紹的智能制造車間實訓(xùn)制造系統(tǒng)框架如圖1所示，其通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)及MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）實現(xiàn)機器人、數(shù)控機床、AGV、物流傳輸線系統(tǒng)、RFID、倉儲管理等系統(tǒng)的互聯(lián)互通，達(dá)到全面感知狀態(tài)（客戶需求、生產(chǎn)狀況、原材料、人員、設(shè)備、生產(chǎn)工藝、環(huán)境安全等信息），實時數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，實現(xiàn)實訓(xùn)過程中柔性排產(chǎn)、精確執(zhí)行命令。系統(tǒng)主要涵蓋了企業(yè)管理、制造加工、物流倉儲等功能，是當(dāng)代智能化工廠的縮影。

圖1 實訓(xùn)制造系統(tǒng)框架

實訓(xùn)制造系統(tǒng)通過MES系統(tǒng)控制，通過自動化立體倉庫、堆垛機完成生產(chǎn)物料的智能倉儲和上下料，通過AGV、傳輸帶等完成物料的自動配送，通過機器人、數(shù)控機床完成物料的自動裝配、自動加工，實現(xiàn)車間的無人化管理和生產(chǎn)，降低人力成本和人為誤差。MES是位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)[4-5]。MES系統(tǒng)能通過數(shù)據(jù)的交互，從生產(chǎn)工單下達(dá)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)執(zhí)行、生產(chǎn)監(jiān)控，進(jìn)度管理、生產(chǎn)完工、成品入庫對整個產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行信息化管理，并通過對生產(chǎn)過程中的設(shè)備數(shù)據(jù)自動采集和上傳，對生產(chǎn)過程中發(fā)生的異常及時反饋，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，形成相應(yīng)的異常處理意見[6]。MES彌補了管理層與控制層之間的斷層，既能實時監(jiān)控車間的生產(chǎn)加工狀況，又能將車間的生產(chǎn)信息及時反饋給管理層，并且將多套系統(tǒng)集于一體，從而做到了數(shù)據(jù)統(tǒng)一和數(shù)據(jù)共享[7]。智能制造車間實訓(xùn)系統(tǒng)現(xiàn)場布局如圖2所示。

2 智能制造車間實訓(xùn)系統(tǒng)各模塊

智能制造車間實訓(xùn)制造系統(tǒng)主要由全自動加工工作站、智能倉儲物流系統(tǒng)、總控可視化系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成的柔性智能制造系統(tǒng)[8]；將加工制造、物料流、信息流三個系統(tǒng)深度融合與高度集成，在加工自動化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)物料流和信息流的自動化、數(shù)字化與智能化，是典型的信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合。如圖2所示。

圖2 智能制造實訓(xùn)車間布局

2.1 全自動加工工作站

全自動加工工作站主要完成物料的自動裝配、自動加工。該工作站主要由智能銑削自動上下料工作站和智能車削自動上下料工作站組成。智能智能銑削自動上下料工作站主要包括加工中心（配自動門、自動工裝夾具）、六自由度上下料機器人、物料存儲上下料平臺、吹氣清洗單元組成；智能車削自動上下料工作站主要由數(shù)控車床（包含斜車和臥車，配自動門、自動工裝夾具）、六自由度上下料機器人、物料存儲上下料平臺、吹氣清洗單元組成。如圖3所示。

圖3 全自動加工工作站現(xiàn)場

2.2 智能倉儲物流系統(tǒng)

智能倉儲物流系統(tǒng)主要由自動化立體倉庫、WMS倉儲管理軟件、出庫平臺、入庫平臺、AGV、阻擋定位機構(gòu)等組成，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)物料的輸送、定位、分揀、出入庫等工作。該系統(tǒng)由PLC自動控制，各傳輸段的起停、頂升等動作由后臺系統(tǒng)全程自動控制，交流電機、變頻器的各種運行數(shù)據(jù)、報警信息均可以傳給系統(tǒng)，學(xué)生各種操作指令也可以在系統(tǒng)操作界面上方便的下達(dá)。如圖4所示。

圖4 智能倉儲物流系統(tǒng)實景

自動化立體倉庫是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中迅速發(fā)展的重要組成部分，主要由高層立體貨架、巷道堆垛機、堆垛機控制器、一體式觸摸終端系統(tǒng)組成[9]，出入庫輔助設(shè)備及巷道堆垛機能夠在系統(tǒng)監(jiān)管下，完成物料的自動出庫和入庫，并實現(xiàn)在庫物料的自動化管理。

2.3 總控可視化系統(tǒng)

總控可視化系統(tǒng)主要由總控臺、大屏顯示、監(jiān)控電腦、攝像頭、網(wǎng)絡(luò)交換機、RFID無線射頻識別系統(tǒng)及MES（生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)）軟件組成。具體功能：（1）總控臺為鐵板表面噴塑處理的定制臺，臺面上擺放監(jiān)控電腦，下方柜體用于擺放電腦主機、網(wǎng)絡(luò)交換機、通訊線纜等；（2）監(jiān)控電腦用于安裝MES軟件，可監(jiān)視工廠的實時動態(tài)；（3）攝像頭用于監(jiān)視三臺機床的加工狀態(tài)以及整條生產(chǎn)線的運行狀態(tài)，實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的可視化；（4）RFID無線射頻識別系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)卡、讀寫器、電子標(biāo)簽等組成，智能制造車間每個工位設(shè)有RFID無線射頻識別系統(tǒng)，能實時采集、記錄每個工位及工序的重要信息及完成情況，并主動推送給MES系統(tǒng)，實現(xiàn)與生產(chǎn)線MES系統(tǒng)的信息交換；（5）網(wǎng)絡(luò)交換機用于生產(chǎn)線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互聯(lián)和傳輸，實施監(jiān)控和處理；（6）MES系統(tǒng)包含倉儲管理、聯(lián)機管理、系統(tǒng)監(jiān)控、系統(tǒng)管理四大模塊，如圖5所示。

圖5 MES系統(tǒng)倉儲管理模塊功能展示

其中，倉儲管理模塊主要實現(xiàn)物料的基礎(chǔ)信息管理（如物料編碼、物料名稱、物資類型等信息）、托盤管理、庫位管理、入庫管理、出庫管理和出入庫流水賬的記錄。聯(lián)機管理主要包含產(chǎn)線管理、設(shè)備模式管理、設(shè)備狀態(tài)管理、工作模式管理、訂單管理、聯(lián)機訂單看板、本地訂單看板、異常信息管理以及PLC讀寫異常管理。系統(tǒng)監(jiān)控主要展示智能車間監(jiān)控畫面，如圖6所示。

圖6 MES系統(tǒng)聯(lián)機管理模塊功能展示

2.4 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)設(shè)有3臺就地控制柜，分別為放置于總控臺區(qū)域的1臺總控電氣柜和放置于銑削、車削區(qū)域各1臺的分系統(tǒng)電氣控制柜，主要負(fù)責(zé)數(shù)控加工設(shè)備、倉儲系統(tǒng)、AGV及機器人的I/O通訊控制，在觸摸屏的組態(tài)畫面上可以直接控制整個車間設(shè)備的運營。電氣控制柜均配有專用的PLC控制器及觸摸屏，PLC電氣控制及I/O通訊系統(tǒng)，既滿足實現(xiàn)銑削、車削、倉儲分揀等單個單元的工作，又可實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的聯(lián)動。

銑削區(qū)電氣控制柜實時監(jiān)測、記錄銑削區(qū)加工中心、六自由度上下料機器人、物料存儲上下料平臺、吹氣清洗單元、物料傳輸帶等的狀態(tài)，將其反饋給總控單元（總控電氣柜）；車削區(qū)電氣控制柜實時監(jiān)測、記錄車削區(qū)數(shù)控車床（包含斜車和臥車）、六自由度上下料機器人、物料存儲上下料平臺、吹氣清洗單元、物料傳輸帶等的狀態(tài)，將其反饋給總控單元。放置于總控臺區(qū)域的總控電氣柜作為總控單元，實時監(jiān)測、記錄分系統(tǒng)（銑削、車削區(qū)域電氣控制柜）的當(dāng)前狀態(tài)，將狀態(tài)提供給MES系統(tǒng)。在需要聯(lián)動執(zhí)行時，MES系統(tǒng)獲取當(dāng)前分系統(tǒng)狀態(tài)后，下達(dá)控制命令給分系統(tǒng)，并實時接受分系統(tǒng)的反饋信息。

銑削、車削區(qū)域電氣控制柜作為分系統(tǒng)控制單元，實時發(fā)送當(dāng)前分系統(tǒng)的狀態(tài)信息，在獲得MES系統(tǒng)的執(zhí)行命令后，執(zhí)行相應(yīng)控制程序，執(zhí)行過程中的分系統(tǒng)狀態(tài)和執(zhí)行后的結(jié)果實時上報給總控單元。

電氣系統(tǒng)可滿足高校開設(shè)的電氣自動化設(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、運行與故障診斷能力，以及柔性制造系統(tǒng)中的自動化集成、信息對接、設(shè)備改造與維護等能力。

3 實訓(xùn)制造系統(tǒng)柔性工作流設(shè)計

實訓(xùn)制造系統(tǒng)工作流通過計算機化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程集中與生產(chǎn)過程自動化，并建立工作流管理系統(tǒng)從而將現(xiàn)有工作進(jìn)行分解，按照一定的規(guī)則和過程來執(zhí)行并監(jiān)控工作流程[10]。實訓(xùn)制造系統(tǒng)能實現(xiàn)智能生產(chǎn)車間各工位及工序柔性編排，學(xué)生在教學(xué)及實操過程中，可以近距離地模擬實踐智能制造車間生產(chǎn)環(huán)節(jié)中正常與異常過程工序調(diào)整，讓學(xué)生體現(xiàn)“所見即所得”的實訓(xùn)體驗感官。系統(tǒng)支持整體聯(lián)動和單步運行2種模式。

3.1 整體聯(lián)動流程

系統(tǒng)可以預(yù)置一個正常工作場景，實現(xiàn)如圖7所示的軸類件全自動加工順序：（1）訂單投放，立體倉儲出料，出庫平臺上的RFID讀寫器讀取工件加工任務(wù)信息；（2）AGV物流小車運送工件至對應(yīng)工序的加工設(shè)備上料區(qū)（物料存儲自動接貨平臺）；（3）加工設(shè)備上料區(qū)的RFID讀寫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)備及上下料機器人，設(shè)備自動開門，機器人根據(jù)程序選擇性的將工件放置于對應(yīng)的工裝夾具上，工裝夾具自動夾緊，設(shè)備自動關(guān)門，開始自動加工；（4）零件加工完，設(shè)備自動開門，機器人取出工件，放置于吹氣單元對工件進(jìn)行吹干處理，機器人將工件放回物料存儲接貨平臺，將托盤送回至AGV物流小車上，由小車負(fù)責(zé)物流將工件傳輸?shù)较聜€加工設(shè)備區(qū)，進(jìn)行下道工序的加工；（5）工件所有工序完成，入庫；如果沒有，則回到步驟（3）依次循環(huán)。通過圖形化界面設(shè)置如圖8所示的加工流程。

圖7 軸類零件成品

圖8 軸料加工流程

3.2 單步運行流程

系統(tǒng)也支持單步運行，例如智能倉儲物流模塊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)生針對單個模塊進(jìn)行裝調(diào)、編程、運行與維護等實訓(xùn)。

4 結(jié)束語

針對智能制造車間典型應(yīng)用的教學(xué)實訓(xùn)要求，本文給出了智能制造車間實訓(xùn)柔性制造系統(tǒng)的實施方案設(shè)計。該智能制造車間實訓(xùn)柔性制造系統(tǒng)融合了光、機、電、氣以及信息一體化、物流管理訓(xùn)練、計算機輔助制、工業(yè)造型、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、機器人、視覺圖像識別、數(shù)控制造等技術(shù)，在教學(xué)科研領(lǐng)域，將MES（生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)）和WMS（倉庫管理系統(tǒng)）等系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，能實現(xiàn)生產(chǎn)過程實時管控，信息可視化管理，且業(yè)務(wù)全過程自動記錄，事后可追溯，形成了全面協(xié)同的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，將企業(yè)管理和先進(jìn)制造融于一體。初步應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運行良好、性能穩(wěn)定，可較好地滿足學(xué)生實訓(xùn)實際應(yīng)用需要，培養(yǎng)了學(xué)生的編程、運行與故障診斷能力，后期可推廣至其它智能制造的實訓(xùn)基地。