呂英杰， 趙秋玲， 周 燕

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山東 青島， 266555）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，為了更好的提高加工效率，滿足客戶的交貨期要求，無(wú)人化工廠、智能化工廠已經(jīng)成為制造業(yè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。 特別是中國(guó)提出“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略以來(lái)，智能制造行業(yè)飛速發(fā)展，智能制造融合了先進(jìn)的信息技術(shù)、制造技術(shù)、視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人等相關(guān)技術(shù)，應(yīng)用于設(shè)計(jì)、工藝、加工、裝配等各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。智能制造技術(shù)的發(fā)展離不開大量的高素質(zhì)、復(fù)合型技能人才。 作為職業(yè)院校，首先要對(duì)接企業(yè)人才需求，建設(shè)生產(chǎn)性智能制造生產(chǎn)線，深化校企合作，培養(yǎng)高素質(zhì)人才。 我校與西門子、海爾合作開發(fā)了孔明鎖全生命周期智能制造生產(chǎn)線，該條生產(chǎn)線不僅可以進(jìn)行日常的教學(xué)科研工作，還可以服務(wù)企業(yè)生產(chǎn)需求，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)原則

孔明鎖全生命周期智能制造生產(chǎn)線以個(gè)性化定制的孔明鎖產(chǎn)品為研究對(duì)象，孔明鎖產(chǎn)品由六個(gè)組件構(gòu)成，見圖1。該條生產(chǎn)線的每個(gè)工位都實(shí)現(xiàn)了與最先進(jìn)的智能制造技術(shù)的融合。 它是一條集教學(xué)、科研、生產(chǎn)于一體的的孔明鎖全生命周期智能制造生產(chǎn)線。

圖1 孔明鎖產(chǎn)品

該條生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)原則主要包含以下幾個(gè)方面：一是安全可靠穩(wěn)定原則，在硬件配置、軟件配置、系統(tǒng)管理等各個(gè)環(huán)節(jié)要確保安全可靠。二是先進(jìn)性原則，該生產(chǎn)線融合了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的智能制造技術(shù)、智能控制技術(shù)、 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。 三是可升級(jí)和兼容性原則，隨著智能制造技術(shù)的飛速發(fā)展，該生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)定期的升級(jí)改造，確保緊跟時(shí)代步伐，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)論硬件軟件，還是數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信都要符合國(guó)際及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2 智能制造生產(chǎn)線組成及主要工作流程

孔明鎖全生命周期智能制造生產(chǎn)線的整體布局見圖2 ，主要由中央控制臺(tái)、立體倉(cāng)庫(kù)，數(shù)控機(jī)床、半成品檢測(cè)、激光打標(biāo)、裝配工位、成品檢測(cè)工位、包裝噴碼工位、AGV 小車等組成。 其中，中央控制臺(tái)包括二臺(tái)服務(wù)器、三臺(tái)西門子工控機(jī)， 并安裝了MES 系統(tǒng)、PLM 系統(tǒng)等先進(jìn)的控制軟件。

圖2 孔明鎖全生命周期智能制造生產(chǎn)線整體布局

2.1 MES 系統(tǒng)

MES 系統(tǒng)即制造執(zhí)行管理系統(tǒng)， 是一套面向制造企業(yè)的生產(chǎn)信息化系統(tǒng)， 能夠讓管理者從訂單下發(fā)到產(chǎn)品完成的整個(gè)制造流程進(jìn)行優(yōu)化管理。 MES 系統(tǒng)是企業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)信息化集成的重要紐帶， 同時(shí)制造企業(yè)通過(guò)MES系統(tǒng)業(yè)可以實(shí)現(xiàn)工廠的敏捷制造。 該系統(tǒng)為用戶提供了快速反應(yīng)、精益生產(chǎn)的制造環(huán)境，為企業(yè)訂單按期交付、降低制造成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量提供了重要的支撐作用。

MES 系統(tǒng)是孔明鎖智能制造生產(chǎn)線數(shù)字化系統(tǒng)的核心。通過(guò)定制訂單的全流程可視界面，讓整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程更好透明； 通過(guò)全流程的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)展示， 讓整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)更好的管控；同時(shí)運(yùn)用智能化、自動(dòng)化的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了所有生產(chǎn)信息的集成化?？酌麈i全生命周期智能制造生產(chǎn)線的MES 總控框架圖見圖3。

圖3 MES 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 PLM 系統(tǒng)

隨著智能制造的快速發(fā)展，PLM 系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)集成的的信息化管理平臺(tái)，它覆蓋了產(chǎn)品規(guī)劃、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真分析、機(jī)械加工、產(chǎn)品裝配、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、售后服務(wù)到最終報(bào)廢產(chǎn)品回收等全流程的管理。企業(yè)通過(guò)建立自身的全生命周期管理系統(tǒng)， 能夠加強(qiáng)對(duì)各類生產(chǎn)資源的管理，不僅能夠大幅度提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，而且能夠根據(jù)采購(gòu)、設(shè)計(jì)、工藝、制造等不同崗位人員的權(quán)限來(lái)快速檢索數(shù)據(jù)。在每一個(gè)項(xiàng)目的執(zhí)行過(guò)程中，通過(guò)系統(tǒng)發(fā)布數(shù)據(jù)和電子審核，改變了傳統(tǒng)的人工審核流程，使關(guān)鍵的任務(wù)得到了有效的控制和管理， 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間的信息交換， 避免重復(fù)的設(shè)計(jì)和操作。 對(duì)于孔明鎖全生命周期智能制造生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)， 它的PLM 總體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 PLM 系統(tǒng)

2.3 立體倉(cāng)庫(kù)

立體倉(cāng)庫(kù)主要包括黑色亞克力原料區(qū)、 灰色亞克力原料區(qū)、 鋁合金原料區(qū)、孔明鎖成品區(qū)、包裝盒區(qū)，見圖5，其中孔明鎖成品、包裝盒放在立庫(kù)的左側(cè)，亞克力原料放在立庫(kù)的右側(cè)，鋁合金原料放在立庫(kù)的中間。 另外，包裝盒除立庫(kù)中擺放外，在生產(chǎn)線內(nèi)部還設(shè)有包裝盒小料庫(kù)， 包裝工位用完后，AGV 小車及配套機(jī)器人將自動(dòng)補(bǔ)貨。

圖5 立體倉(cāng)庫(kù)

立體倉(cāng)庫(kù)的上下料通過(guò)工業(yè)機(jī)器人來(lái)執(zhí)行，MES 系統(tǒng)收到客戶的生產(chǎn)訂單后，當(dāng)空載盤到達(dá)立體倉(cāng)庫(kù)限位，RFID 讀寫頭將自動(dòng)讀寫載盤信息，工業(yè)機(jī)器人將根據(jù)客戶訂單需求從立體倉(cāng)庫(kù)中抓取相應(yīng)的物料， 直接放入載盤上相應(yīng)的孔位，當(dāng)RFID 讀寫頭寫入相關(guān)數(shù)據(jù)后，載盤被放行，然后進(jìn)入下一工位，同時(shí)工業(yè)機(jī)器人將回到原點(diǎn)等待。

2.4 數(shù)控加工

為保證孔明鎖各組件的順利加工， 設(shè)備采用車銑復(fù)合機(jī)床，如圖6 所示，該機(jī)床是一種可以實(shí)現(xiàn)車削和銑削兩種功能的機(jī)床，相當(dāng)于數(shù)控車床和加工中心的復(fù)合。該機(jī)床與常規(guī)的數(shù)控機(jī)床相比，具有裝夾次數(shù)少、加工效率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。 在孔明鎖產(chǎn)品加工中，車削主要用來(lái)加工端面，保證零件的總體長(zhǎng)度，銑削主要用來(lái)加工各組件的形狀尺寸。

圖6 數(shù)控加工工位

裝有零件的載盤到達(dá)本工位的限位后， 工業(yè)機(jī)器人依次從載盤上抓取孔明鎖的單個(gè)毛坯料裝夾到機(jī)床主軸上進(jìn)行加工， 加工完成后送到超聲波清洗站進(jìn)行清洗和烘干，最后再放回到載盤原來(lái)的位置。

2.5 視覺(jué)檢測(cè)

隨著人工智能的飛速發(fā)展， 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為人工智能技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。通俗來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)就是利用相機(jī)代替人眼， 對(duì)工序加工的零件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)、圖形識(shí)別等工作。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)就是通過(guò)工業(yè)相機(jī)將被測(cè)物體轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像信號(hào)， 傳輸?shù)较鄳?yīng)的圖像處理系統(tǒng)，從而得到被測(cè)物體的形態(tài)信息。根據(jù)被測(cè)物體的顏色、亮度、像素等信息，利用數(shù)字化信號(hào)技術(shù)，通過(guò)圖像系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算， 然后進(jìn)行對(duì)比從而實(shí)現(xiàn)物體的識(shí)別和檢測(cè)。

該智能制造生產(chǎn)線視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備主要由相機(jī)、 光源及配套軟件組成，見圖7，該檢測(cè)設(shè)備主要用于檢測(cè)孔明鎖各個(gè)組件的加工尺寸是否合格。工件加工完后，裝有孔明鎖組件的載盤自動(dòng)從內(nèi)圈的總傳輸線進(jìn)入視覺(jué)檢測(cè)工位的分傳送線。機(jī)械手依次抓取孔明鎖的每一個(gè)組件，放置到檢測(cè)位置的凹槽內(nèi)進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)。 孔明鎖的六個(gè)組件中， 考慮到其中四個(gè)組件需要機(jī)加工兩個(gè)相互垂直的面，所以需要檢測(cè)兩次，即進(jìn)行一次檢測(cè)后， 旋轉(zhuǎn)組件90°再檢測(cè)一次，檢測(cè)完成后放回載盤。然后再抓取下一個(gè)組件檢。若孔明鎖所有的組件檢測(cè)合格，則進(jìn)入激光打碼工位進(jìn)行打碼；若檢測(cè)不合格，則不進(jìn)行激光打碼。

圖7 視覺(jué)檢測(cè)

2.6 激光打碼

激光加工是根據(jù)光熱效應(yīng)原理來(lái)進(jìn)行加工的， 使用透鏡把光的能量進(jìn)行聚焦， 從而使焦點(diǎn)上的能量密度非常高。 由于激光加工無(wú)需其它的工具， 加工效率高， 工件表面變形小， 因此可加工很多材料。 使用激光束可以對(duì)很多材料進(jìn)行各種各樣的加工，如：切割加工、工件打孔、工件焊接、材料熱處理等。

該生產(chǎn)線利用激光打標(biāo)機(jī)對(duì)六根孔明鎖組件進(jìn)行打標(biāo)，見圖8，若載盤上的孔明鎖組件經(jīng)視覺(jué)檢測(cè)合格后，將在激光打碼工位擋停定位， 激光打標(biāo)機(jī)將在六根孔明鎖頂部依次打標(biāo)數(shù)字1～6。 由于該條生產(chǎn)線可以定制化孔明鎖長(zhǎng)度在75～100mm 范圍內(nèi)變化， 考慮到激光打標(biāo)機(jī)無(wú)法直接容納25mm 的焦距變化， 所以在激光設(shè)備上設(shè)置自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，根據(jù)訂單信息自動(dòng)調(diào)整焦距，之后再激光打碼。然后載盤轉(zhuǎn)出激光打碼分支輸送線，回到生產(chǎn)線內(nèi)部的主輸送線。

圖8 激光打碼

2.7 孔明鎖裝配

孔明鎖裝配是通過(guò)雙臂機(jī)器人代替人的雙手來(lái)完成孔明鎖的裝配，雙臂機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是有兩只手臂，且非常靈活。為了更好的發(fā)揮雙臂機(jī)器人的性能，要求雙臂機(jī)器人在裝配過(guò)程中動(dòng)作最少，效率最高，那么就需要提前對(duì)載盤上各零部件的擺放方位進(jìn)行鎖定。另外，為了更好的裝配，優(yōu)化機(jī)器人的動(dòng)作，在本工位設(shè)置了裝配平臺(tái)，即雙臂機(jī)器人在裝配平臺(tái)上， 依次完成孔明鎖各組件的裝配，裝配過(guò)程見圖9。

圖9 孔明鎖裝配

2.8 孔明鎖成品檢測(cè)

孔明鎖成品檢測(cè)工位見圖10，主要由相機(jī)、環(huán)形光源及配套軟件組成，檢測(cè)原理與孔明鎖組件的視覺(jué)檢測(cè)原理基本一樣，該工位相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，只需要對(duì)孔明鎖成品的外形尺寸進(jìn)行檢測(cè)即可，檢測(cè)合格后方可沿著傳輸線自動(dòng)進(jìn)入包裝工位，若檢測(cè)不合格則直接運(yùn)輸?shù)搅?kù)工位，由機(jī)械手抓取不合格成品放到廢品位置。

圖10 孔明鎖成品檢測(cè)

2.9 孔明鎖包裝和噴碼

孔明鎖包裝和噴碼工位見圖11，除本工位的輸送線外，還包括直角坐標(biāo)系機(jī)器人和包裝盒上料機(jī)構(gòu)。其中直角坐標(biāo)系機(jī)器人設(shè)置了包裝盒搬運(yùn)裝置、 包裝盒開蓋裝置、 孔明鎖夾持裝置、噴碼裝置。一旦包裝工位的包裝盒數(shù)量不足，AGV 小 車 及上部機(jī)械手將自動(dòng)從包裝盒小料庫(kù)抓取包裝盒并補(bǔ)充到該工位中。 當(dāng)孔明鎖成品檢測(cè)合格后， 載有孔明鎖的載盤將自動(dòng)轉(zhuǎn)到包裝和噴碼工位，載盤到到限位停止后，底部的頂出氣缸把包裝盒頂出， 直角坐標(biāo)系機(jī)器人的開蓋裝置利用負(fù)壓原理把包裝盒的上蓋取下后暫存在旁邊的暫存工位， 孔明鎖夾持裝置把孔明鎖從載盤上取下并放置到包裝盒里， 再利用包裝盒的開蓋裝置把上蓋蓋好； 然后包裝盒搬運(yùn)裝置把含有孔明鎖的包裝盒取下放到運(yùn)輸載盤上， 此時(shí)噴碼裝置將對(duì)包裝盒的上蓋側(cè)面噴條形碼。 然后載盤從包裝噴碼工位轉(zhuǎn)出進(jìn)入主輸送線，把產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)降搅?kù)工位，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人將包裝盒整體抓取入成品庫(kù)。

圖11 孔明鎖包裝噴碼

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以大家熟知的孔明鎖產(chǎn)品為載體， 分析了全生命周期智能制造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)原則， 詳細(xì)闡述了智能制造生產(chǎn)線的組成部分和生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)流程。 該條生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了智能制造技術(shù)相關(guān)硬件和軟件的有機(jī)融合， 為職業(yè)院校培養(yǎng)智能制造專業(yè)群技術(shù)人才提供了重要的保證，為其它院校提供了可借鑒的案例，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。