王文凱，周建桂，史海清，楊啟鵬，趙岳林，汪 紅

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730060）

1 引言

《中國制造2025》提出：推進制造過程智能化，在重點領(lǐng)域試點建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間[1]，而在智能工廠建設(shè)全生命周期中分為四個階段，分別為方案階段、設(shè)計階段、建設(shè)階段、運營階段及升級再造階段，智能制造相關(guān)性最強的是規(guī)劃、運營控制和升級再造三個階段，在每一個階段，企業(yè)都面臨不同的管理問題和技術(shù)挑戰(zhàn)[2-3]。目前在運營控制和升級再造階段具有應(yīng)用模型和應(yīng)用方法，但是針對工廠規(guī)劃有待深入發(fā)掘[4]。采用虛擬仿真軟件將智能工廠中的各類智能制造裝備進行三維布局設(shè)計、工廠流程規(guī)劃、工藝分析、虛擬仿真及效果驗證，可以幫助客戶和企業(yè)在智能工廠全生命周期建設(shè)中發(fā)揮重要的作用。

VisualOne是目前全球范圍內(nèi)技術(shù)比較領(lǐng)先的智能工廠虛擬仿真平臺之一，是一款集三維模型布局搭建、工藝分析、組件屬性和行為分析、仿真運行等功能綜合性較強的智能工廠的仿真軟件。通過VisualOne智能工廠仿真軟件將智能制造生產(chǎn)線在虛擬軟件中呈現(xiàn)，從而為客戶提供超逼真、可視化的智能工廠運行效果，并在生產(chǎn)開發(fā)與建設(shè)前期，就可以進行工程及產(chǎn)能驗證。一方面為客戶減少智能工廠的規(guī)劃決策失誤和試錯成本，提高智能工廠的規(guī)劃能力；另一方面，為企業(yè)提高開發(fā)效率，加快調(diào)試運行時間，縮短開發(fā)周期，提升企業(yè)對市場競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力。

智能工廠分為虛、實兩個維度，即虛擬工廠和物理實體工廠。本文的虛擬智能制造生產(chǎn)線是在物理實體智能生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上進行虛擬搭建與仿真。設(shè)計的智能生產(chǎn)線來自實際為某企業(yè)生產(chǎn)的波紋法蘭自動化生產(chǎn)線，該波紋法蘭是差壓變送器的一個主要部件，差壓變送器主要用于石油化工、油田等領(lǐng)域流體壓力的測定。加工要求最小公差為0.02mm，深孔直徑為1.2mm，波紋法蘭十字槽槽底為波紋形狀，槽寬0.3mm，槽深0.4 mm，加工成品如圖1所示。

圖1 智能制造生產(chǎn)線加工生產(chǎn)的波紋法蘭

2 物理實際的波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線布局及方案

根據(jù)加工任務(wù)要求，波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線的基礎(chǔ)設(shè)備包括數(shù)控車工作站、數(shù)控加工中心工作站、搬運機器人、翻轉(zhuǎn)搬運機構(gòu)、智能立體倉儲、AGV智能運輸、激光打標機、上下料工位、質(zhì)量抽檢工位、總分控系統(tǒng)及顯示終端等裝備。加工中心和數(shù)控車床實現(xiàn)工件的各工序加工任務(wù)，智能倉儲單元存儲毛坯件和成品件，工件的存儲與搬運由碼垛機器人完成，另外兩臺機器人配合加工中心和數(shù)控車床完成待加工工件的上料與加工完工件的搬運，AGV用來運輸待加工的工件或成品，激光打標機完成成品工件的打標，加工過程中隨時可以對加工工件進行質(zhì)量抽檢，整條柔性生產(chǎn)線只有毛坯上料和成品下料由人工操作，滿足柔性自動化加工需求。生產(chǎn)線啟動加工前先完成毛坯上料，在加工生產(chǎn)過程中只需一人負責監(jiān)控移動終端或者是顯示終端。實際需布局要求如圖2所示。

圖2 物理實際的波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線布局

3 虛擬波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線布局搭建、虛擬仿真

3.1 虛擬波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線布局搭建

按照波紋法蘭生產(chǎn)加工要求，搭建本文的虛擬波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線。在布局虛擬智能制造生產(chǎn)線時，通常以機器人為中心布局擺放和安裝所需組件，在軟件中，由于機器人的控制器和機器人本體是單獨的組件，因此需要拖動機器人本體與控制器建立控制連接。另外需根據(jù)加工對象選擇機器人手爪，該產(chǎn)線加工的是圓盤形波紋法蘭，因此采用三爪卡盤進行抓取工件，并在“PnP”狀態(tài)下選擇手抓組件與機器人末端執(zhí)行器建立組件連接。實際產(chǎn)線需要三臺機器人，分別實現(xiàn)搬運毛坯入庫和成品出/入庫碼垛機器人、加工中心上下料搬運機器人、數(shù)控車床上下料搬運機器人。碼垛機器人為了實現(xiàn)毛坯入庫和成品出/入庫需要與導(dǎo)軌建立連接。在虛擬生產(chǎn)線布局擺放過程中，為了和實際物理智能產(chǎn)線形成映射，除機器人外還需在虛擬智能工廠中導(dǎo)入其他組件，需導(dǎo)入組件見表1，虛擬智能制造工廠的布局如圖3所示。

表1 虛擬波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線需導(dǎo)入組件

3.2 虛擬波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線布局設(shè)計方案

虛擬波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線工作流程大致分為三個過程，毛坯入庫、成品出庫和加工過程，工作實現(xiàn)流程如圖4～6所示，在整個過程中，AGV運輸至三個不同的工位，分別為1#～3#工位，運動到不同的工位機器人執(zhí)行相關(guān)的動作。

圖4 毛坯入庫流程

圖5 成品入庫流程

圖6 波紋法蘭的智能制造加工流程

3.3 虛擬波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線流動和流動組建立

在“工藝”選項下進行編譯不同的節(jié)點，節(jié)點名稱不能重復(fù)，否則會導(dǎo)致流動方向重疊或者錯誤，工藝選項下的節(jié)點布局如圖7所示。在“流動”選項下按照工件的加工工序過程進行每個流動組的流動連接，將波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線分為3個流動組，流動組一的流動過程為毛坯從上料—入庫—AGV—加工中心，流動組二的流動過程為加工中心—翻轉(zhuǎn)臺—數(shù)控車床，流動組三的流動過程為數(shù)控車床—激光打標機—AGV—成品庫。具體流動過程如如圖8所示。

圖7 虛擬波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線工藝選項下的節(jié)點

圖8 虛擬波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線流動過程

3.4 虛擬波紋法蘭智能制造生產(chǎn)線節(jié)點工序設(shè)計

按照前述的流程需對每個工藝節(jié)點進行算法編寫，加工中心和數(shù)控車床需編輯添加“改變類型”腳本， 改變之后的產(chǎn)品類型流動組添加的產(chǎn)品包括屬性，加工中心的“改變類型”為流動組二的產(chǎn)品類型，數(shù)控車床的“改變類型”為流動組三的產(chǎn)品類型，在1#工位需要增加兩個流程控制節(jié)點，分別為To Conveyor Process和Process Node，分別實現(xiàn)毛坯流出和成品入庫。毛坯入庫放置位置采用模式輸入函數(shù)TransportPatternln進行陣列放置，模式計數(shù)參數(shù)根據(jù)放置的倉儲結(jié)構(gòu)，模式步驟參數(shù)根據(jù)倉儲每一個格擋的尺寸進行設(shè)置。其他節(jié)點按照默認。

4 結(jié)束語

“中國制造2025”的主攻方向是智能制造，在實現(xiàn)智能制造中，采用智能工廠仿真軟件進行智能工廠的場景搭建與仿真運行是實際搭建智能工廠的重要技術(shù)之一?；赩isualOne進行智能工廠生產(chǎn)線設(shè)計、布局，并進行仿真運行，模擬產(chǎn)線產(chǎn)能，最大限度的降低企業(yè)試錯成本，提高效率和質(zhì)量，有助于企業(yè)帶來更優(yōu)化的規(guī)劃設(shè)計，更直接的調(diào)試，更短的轉(zhuǎn)換時間，更平穩(wěn)的運行及最優(yōu)的產(chǎn)能。利用虛擬仿真技術(shù)模擬項目布局、流程控制方案，合理安排組織施工，建設(shè)周期縮短，同時跟蹤現(xiàn)場流程和工藝節(jié)拍，實現(xiàn)安全文明生產(chǎn)和高效的產(chǎn)能輸出，為智能工廠規(guī)劃建設(shè)提供可視化決策支持。