一套柔性加工制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

顧榮，文西芹

（1.江蘇科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，江蘇 鎮(zhèn)江212000;2.淮海工學(xué)院工程訓(xùn)練中心，江蘇連云港 222005）

0 前言

近幾年，隨著中央財(cái)政和地方財(cái)政的大量投入，各高等工科院校工程訓(xùn)練中心的實(shí)踐教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施普遍得到提升。但是這種提升存在著一些不容忽視的問(wèn)題，如從整體環(huán)境上看，目前有的訓(xùn)練中心其訓(xùn)練環(huán)境愈來(lái)愈像理科的實(shí)驗(yàn)室，沒(méi)有體現(xiàn)訓(xùn)練中心的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境突出現(xiàn)場(chǎng)、突出訓(xùn)練、突出實(shí)踐、突出一線，突出基層的特點(diǎn);從局部來(lái)看，如在數(shù)控技術(shù)發(fā)展中，出現(xiàn)數(shù)控設(shè)備數(shù)量過(guò)多，單臺(tái)設(shè)備檔次過(guò)高，但由于時(shí)數(shù)的限制，在教學(xué)運(yùn)行中大多停留在演示階段，學(xué)生的工程實(shí)踐能力得不到相應(yīng)的提高，更談不上對(duì)現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)模式和組織形式的了解。同時(shí)，這種以單機(jī)訓(xùn)練和工藝方法訓(xùn)練為主的訓(xùn)練方式難以適應(yīng)社會(huì)對(duì)大學(xué)生工程實(shí)踐能力的要求，須逐漸向以工程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的訓(xùn)練方式轉(zhuǎn)變。

柔性加工制造系統(tǒng)集成了當(dāng)前工業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和控制的多項(xiàng)主流和核心技術(shù)，已成為現(xiàn)代制造企業(yè)的先進(jìn)制造模式。大學(xué)生對(duì)此應(yīng)該有所接觸，有所感知，有所實(shí)踐，有所深入［1］。由于系統(tǒng)采用工業(yè)化的元器件，貼近工業(yè)化的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，可以使學(xué)生全面認(rèn)識(shí)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的組織形式和生產(chǎn)方式。同時(shí)由于該系統(tǒng)模塊化集成的特點(diǎn)，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中，每個(gè)模塊既可以單獨(dú)運(yùn)行，方便學(xué)生入門(mén)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練;又可部分/整體聯(lián)機(jī)運(yùn)行，對(duì)學(xué)生進(jìn)行深層次的應(yīng)用學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，可以使學(xué)生學(xué)習(xí)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由淺入深、循序漸進(jìn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與要求

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

依據(jù)當(dāng)前主流成熟技術(shù)、主流成熟裝備及學(xué)校現(xiàn)有的資源（設(shè)備和軟件）進(jìn)行技術(shù)和系統(tǒng)集成，在確保每個(gè)組成單元穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上、考慮技術(shù)的先進(jìn)性和可行性，有機(jī)的將各個(gè)單元集成為具有一定創(chuàng)新性、先進(jìn)性和實(shí)用性的數(shù)字化柔性加工制造系統(tǒng)。

系統(tǒng)盡可能的貼近于工業(yè)化且又立足于教學(xué)，充分考慮學(xué)生的參與性，做到教學(xué)與工業(yè)的無(wú)縫對(duì)接。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1）集成度高:在該套系統(tǒng)中，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線形式的網(wǎng)絡(luò)通訊手段將系統(tǒng)中的所有單機(jī)設(shè)備進(jìn)行高度、高效的集成。采用符合國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和行規(guī)的ProfiBus－DP工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，將系統(tǒng)中的物流裝備和加工裝備有效地整合為一個(gè)具有極強(qiáng)實(shí)際操作能力、加工能力和二次開(kāi)發(fā)能力的全自動(dòng)生產(chǎn)加工系統(tǒng)。

2）高度開(kāi)放性:可以在最大程度上為客戶(hù)開(kāi)放，可以和工業(yè)上眾多裝備進(jìn)行接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成。軟件系統(tǒng)由于采用開(kāi)放式源代碼和通用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用戶(hù)可以以本文提供的代碼為藍(lán)本，進(jìn)行深入層次的軟件系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)，以便于開(kāi)發(fā)出適合用戶(hù)需求的系統(tǒng)調(diào)度程序和單機(jī)運(yùn)行程序，極大地方便了老師和同學(xué)課題研究工作。

3）先進(jìn)性:系統(tǒng)集成目前自動(dòng)化工業(yè)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與管理、以網(wǎng)絡(luò)通訊主線的系統(tǒng)通訊、工業(yè)級(jí)的主流物流傳輸系統(tǒng)、RFID射頻系統(tǒng)、Zigbee物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目勺匪菪怨芾淼认冗M(jìn)技術(shù)。

4）模塊化:系統(tǒng)中的單個(gè)加工執(zhí)行單元、物流傳輸線、機(jī)器人、立體倉(cāng)儲(chǔ)、檢測(cè)設(shè)備等具有“聯(lián)機(jī)/單機(jī)”兩種操作模式。所有的單元設(shè)備均可進(jìn)行單項(xiàng)教學(xué)和部分系統(tǒng)聯(lián)機(jī)教學(xué)。

5）工業(yè)化:系統(tǒng)雖為實(shí)驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)，但所有單元設(shè)備乃至整個(gè)系統(tǒng)都采用了標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)的裝備和技術(shù)集成，盡可能地貼近工業(yè)化教學(xué)和工業(yè)模式的體現(xiàn)。

6）多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):系統(tǒng)體現(xiàn)了現(xiàn)代柔性集成制造系統(tǒng)中的物流及生產(chǎn)信息流的交匯關(guān)聯(lián)過(guò)程，同時(shí)也體現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)緊密關(guān)聯(lián)。因此系統(tǒng)由管理層、控制執(zhí)行首端和末端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)組成

整系統(tǒng)有數(shù)字化設(shè)計(jì)分系統(tǒng)、加工制造分系統(tǒng)、檢測(cè)裝配分系統(tǒng)、生產(chǎn)物流分流系統(tǒng)和信息管理等5個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成，為一個(gè)自動(dòng)化集成應(yīng)用組合系統(tǒng)。包含有設(shè)計(jì)單元、加工制造單元、檢測(cè)單元、裝配單元、碼垛單元、物流單元、智能化立體倉(cāng)庫(kù)單元、系統(tǒng)中央控制單元等多個(gè)組成單元。系統(tǒng)具有可進(jìn)行小批量多品種柔性加工、無(wú)人值守加工生產(chǎn)能力等，采用數(shù)字化系統(tǒng)管理模式，每一臺(tái)設(shè)備均采用網(wǎng)絡(luò)型對(duì)外聯(lián)接，由服務(wù)器統(tǒng)一管理生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中的各種數(shù)字聯(lián)接任務(wù)，具有現(xiàn)代化柔性制造加工系統(tǒng)的特征，能充分展現(xiàn)在復(fù)合型生產(chǎn)中進(jìn)行數(shù)字化管理生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。圖1所示為系統(tǒng)布置圖，圖2所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)布置圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）設(shè)計(jì)子系統(tǒng)（圖3）:該子系統(tǒng)是一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿真、工藝編制軟件平臺(tái)，具有多文檔、多環(huán)境的特點(diǎn);包括設(shè)計(jì)軟件（三維CAD、協(xié)同管理軟件、工藝圖表、網(wǎng)絡(luò)DNC等）、工藝管理，工藝路線管理，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理與維護(hù)，并能提供標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的符合要求的工藝模板、工藝資源知識(shí)。

圖3 設(shè)計(jì)子系統(tǒng)

2）制造子系統(tǒng)（圖4）:數(shù)控車(chē)床、立式三軸加工中心、高速雕銑機(jī)、激光內(nèi)雕機(jī)、自動(dòng)裝配單元、及相關(guān)MES軟件組成，所有機(jī)床經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNC）軟件進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，主要負(fù)責(zé)對(duì)零部件的加工、裝配、整合、搬運(yùn)等工作，可同時(shí)完成對(duì)多種零件加工、裝配，制造執(zhí)行系統(tǒng)中所有加工步驟均由MES軟件進(jìn)行分配。

圖4 制造子系統(tǒng)

3）生產(chǎn)物流子系統(tǒng)（圖5）:由立體倉(cāng)庫(kù)、倍速鏈傳輸線、物料工裝板、物料升降機(jī)、RFID工位信息識(shí)別器、工位信息顯示器、物流相關(guān)軟件）組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的物料進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)輸、信息采集與顯示。傳輸物料均通過(guò)統(tǒng)一工裝板進(jìn)行運(yùn)輸，每一個(gè)工裝板安裝一個(gè)（RFID）電子標(biāo)簽，運(yùn)輸與傳送時(shí)工位識(shí)別器對(duì)（RFID）進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)調(diào)?。‥RP）軟件數(shù)據(jù)庫(kù)即分辨出該工裝板上的物品信息。

圖5 生產(chǎn)物流子系統(tǒng)

4）品質(zhì)檢測(cè)子系統(tǒng):采用五軸數(shù)控光學(xué)三維掃描系統(tǒng)對(duì)加工零部件進(jìn)行在線檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入到（ERP）軟件的質(zhì)檢模塊，由（ERP）軟件根據(jù)生產(chǎn)信息設(shè)置分析該產(chǎn)品的品質(zhì)信息，每一批次產(chǎn)品的品質(zhì)百分比在系統(tǒng)中自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，檢測(cè)項(xiàng)目由工業(yè)顯示終端顯示在該工位上，檢測(cè)人員按顯示終端所顯示內(nèi)容與操作方法對(duì)不同零部件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)由人工記錄到信息終端。

5）信息管理子系統(tǒng)（圖6）:由中央控制單元、監(jiān)控系統(tǒng)（含高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭、網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)及視頻監(jiān)控器、電子看板等）、信息管理軟件系統(tǒng)、ERP軟件（包含采購(gòu)、銷(xiāo)售、倉(cāng)儲(chǔ)、生產(chǎn)、需求等主要模塊）等，為整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理平臺(tái)。

圖6 信息管理子系統(tǒng)

3 在工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

本系統(tǒng)既能完成認(rèn)知型和綜合型實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，又能完成開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，還能實(shí)現(xiàn)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)手操作和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)同步觀測(cè)與分析相結(jié)合;對(duì)樣件具有全程演示及生產(chǎn)能力;系統(tǒng)應(yīng)具有全自動(dòng)控制功能，能充分展示現(xiàn)代工業(yè)中進(jìn)行數(shù)字化管理生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié);系統(tǒng)具有單機(jī)獨(dú)立控制、獨(dú)立運(yùn)行功能;系統(tǒng)應(yīng)具有啟?？刂?、動(dòng)態(tài)作業(yè)計(jì)劃調(diào)度、庫(kù)存資源動(dòng)態(tài)顯示、系統(tǒng)故障診斷與處理;工件位置動(dòng)態(tài)顯示等功能。圖7－圖11為工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。

圖7 制造系統(tǒng)工程實(shí)踐

圖8 機(jī)器人系統(tǒng)工程實(shí)踐

圖9 控制系統(tǒng)工程實(shí)踐

圖10 輸送系統(tǒng)工程實(shí)踐

圖11 倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)工程實(shí)踐

4 結(jié)語(yǔ)

為滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)當(dāng)代大學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的要求，利用成熟主流技術(shù)的裝備設(shè)計(jì)了一套柔性加工制造系統(tǒng)，使學(xué)生在真實(shí)的工廠環(huán)境中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)、取得了預(yù)期的效果。

［1］傅水根.再論工程訓(xùn)練中心的可持續(xù)發(fā)展［R］.華東高校工程訓(xùn)練學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)報(bào)告，2012.10.

［2］趙家文，王飚.基于實(shí)訓(xùn)任務(wù)的“柔性制造系統(tǒng)”［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，5（3）:127-128.

［3］姚松麗.柔性制造系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，5（5）:114-116.

［4］雷永鋒，王振玉，宋黎，等.柔性制造系統(tǒng)工程訓(xùn)練實(shí)踐應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，2（1）:127-129.