基于工業(yè)4.0的智能制造生產(chǎn)線實訓產(chǎn)品設計

◎張維平 任雪飛 李媛媛

基于工業(yè)4.0的智能制造生產(chǎn)線實訓產(chǎn)品設計

◎張維平 任雪飛 李媛媛

在“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃背景下，越來越多的企業(yè)需要掌握先進智能制造技術的高端技術技能型人才，各高校也開始積極建設工業(yè)4.0智能制造實訓室。本文設計了一條汽車輪轂智能制造生產(chǎn)性實訓產(chǎn)品，具備手機下單、智能生產(chǎn)、視覺檢測、自動打包、自動貼標與智能倉儲等功能，將工業(yè)4.0的關鍵核心技術應用于產(chǎn)品設計的不同環(huán)節(jié)，為高校搭建了一個智能生產(chǎn)的智慧工廠平臺。

2012年初，制造業(yè)強國德國提出“工業(yè)4.0”發(fā)展戰(zhàn)略，代表了未來制造業(yè)智能化發(fā)展的趨勢?！肮I(yè)4.0”是指以信息物理系統(tǒng)CPS(Cyber-Physical System)為基礎，以生產(chǎn)中的供應、制造、銷售信息高度數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡化、智能化為標志，最后達到快速、有效的、智能的個性化產(chǎn)品供應?！肮I(yè)4.0”提出了一種全集成自動化和個性化定制的創(chuàng)新生產(chǎn)模式，全集成自動化是用一種系統(tǒng)即可實現(xiàn)原來由多種系統(tǒng)搭配起來才能實現(xiàn)的所有功能，產(chǎn)品從設計到制造的所有環(huán)節(jié)都被打通，能夠與客戶保持實時溝通，并隨時根據(jù)顧客要求調(diào)整生產(chǎn)線，這樣不僅節(jié)省人才、財力，還可以降低出錯率，提高信息準確率。全集成自動化使生產(chǎn)效率大幅度提高，生產(chǎn)線上藍領員工減少，研發(fā)、設計、生產(chǎn)人員之間的交流更加扁平化，同時對員工理解生產(chǎn)流程和人機交互的能力提出了更高的要求?！肮I(yè)4.0”全集成自動化生產(chǎn)模式將傳統(tǒng)流水生產(chǎn)線轉變?yōu)椤皞€性化生產(chǎn)單元”，同一條生產(chǎn)線生產(chǎn)不同型號的定制化產(chǎn)品，實現(xiàn)更高效、更低成本的靈活個性化定制。

在“工業(yè)4.0”的推動下，中國提出實施“中國制造2025”戰(zhàn)略，目標是用30年時間推動中國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉變?！肮I(yè)4.0”和“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃離不開制造業(yè)人才的培養(yǎng)和提升，也離不開高水平的職業(yè)教育。職業(yè)教育需要應對“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”的新挑戰(zhàn)，培養(yǎng)制造業(yè)轉型升級所需要的高素質(zhì)技術人才，必須加強工業(yè)4.0實訓室建設。

智能制造生產(chǎn)線實訓產(chǎn)品設計

智能制造生產(chǎn)線實訓產(chǎn)品以“工業(yè)4.0”為背景，應用大量智能制造設備，結合了當前最前沿的工業(yè)機器人、視覺檢測、無線射頻（RFID）、數(shù)控機床、大數(shù)據(jù)、云計算、現(xiàn)場總線和信息管理等先進技術，為高校搭建了一個智能生產(chǎn)的智慧工廠平臺。本設計方案以汽車輪轂的智能生產(chǎn)全過程為對象，描述了從產(chǎn)品下單到加工、檢測、裝箱、貼標、入庫及物流的各環(huán)節(jié)，通過互聯(lián)網(wǎng)訂貨接口，用戶可以自由選擇加工產(chǎn)品的類型和個數(shù)，完成訂單提交后，可以根據(jù)訂單執(zhí)行對應該零件所設定的多項加工工序，并最終將合格產(chǎn)品放置于成品區(qū)，整個生產(chǎn)制造過程無需人為干預。

基于工業(yè)4.0的智能制造生產(chǎn)線實訓設備由總控單元、智能倉儲單元、AGV運輸單元、機器人上下料單元、智能加工單元、智能檢測單元、RFID射頻單元、包裝貼標單元以及智能物流單元等組成，各工作單元由總控臺統(tǒng)一控制、協(xié)調(diào)工作。根據(jù)教學需求，各單元還可以單獨工作，互不影響，為教學提供了便利?？刂破鬟x用西門子公司主流的S71200系列產(chǎn)品，通過Profinet現(xiàn)場總線進行主站與從站的連接。PLC及網(wǎng)絡控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

智能制造生產(chǎn)線以汽車輪轂加工為生產(chǎn)對象，完成從在線訂單生成-產(chǎn)品加工-質(zhì)量檢測（視頻檢測）-射頻身份注冊-產(chǎn)品包裝-物流運輸（或入庫）的循環(huán)工作過程。實現(xiàn)加工、檢測、包裝、貼標、倉儲及分流的無人化操作。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

（1）在線生成訂單，智能制造生產(chǎn)線能夠為客戶提供定制化服務，客戶可以根據(jù)需求在客戶端（手機或計算機）上選擇不同數(shù)量、尺寸和不同類型的輪轂。

圖1 PLC及網(wǎng)絡控制系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

（2）智能制造生產(chǎn)線接到客戶訂單后，首先判斷成品庫是否有庫存，如果有，則進行成品出庫，笛卡爾機器人將成品搬運至輸送線上進入物流系統(tǒng)，送貨至指定收貨點；如果沒有庫存，系統(tǒng)就會查詢智能倉儲料架上是否有足夠半成品料庫存，若庫存不足，控制系統(tǒng)向總控臺發(fā)送補充原料庫存提示。智能倉庫是帶位置傳感器的智能倉儲料架，不同類型的汽車輪轂已放置在指定的貨架中，具體數(shù)量可以由智能料架上的智能傳感器記錄并傳遞給總控系統(tǒng)。當庫存原料滿足生產(chǎn)后，控制系統(tǒng)會開始訂單生產(chǎn)。

1）毛坯件在原料區(qū)時，首先由笛卡爾機器人取出對應的半成品料，然后放置在AGV智能小車載物臺上的載具（帶有電子標簽）上，此時控制系統(tǒng)將該產(chǎn)品的相關信息通過RFID技術寫入到載具上的電子標簽中。

2）傳送系統(tǒng)檢測到半成品位于載具中后，1#AGV智能小車將其送到加工單元。不同的產(chǎn)品訂單，具有不同的生產(chǎn)工藝和工序。每種產(chǎn)品的加工工序在使用前已經(jīng)調(diào)試完畢并存入了總控系統(tǒng)。當接到生產(chǎn)某一產(chǎn)品的訂單時，加工中心就會根據(jù)客戶訂單對輪轂進行特定的加工。

3）在1#加工中心處，上下料機器人負責將1#AGV小車上的毛坯件搬運至加工中心，對輪轂表面的毛刺與澆口進行加工，加工完成后，再由機器人從加工中心取出重新放回1#AGV小車中。

4）1#AGV小車繼續(xù)將加工完成的半成品零部件運送至智能檢測單元，由智能相機判斷半成品零件是否符合加工標準并通過RFID進行產(chǎn)品信息寫入。NG 零配件回收至廢品箱，OK產(chǎn)品自動進入下一工序生產(chǎn)，由1#AGV小車運送至2#加工中心。

5）在2#加工中心處，上下料機器人負責將1#AGV小車上的輪轂搬運至加工中心，加工中心將對汽車輪轂的氣門孔與螺紋孔進行加工，加工完成后，再由機器人從加工中心取出重新放回1#AGV小車中運送至檢測工位。

6）1#AGV小車繼續(xù)將加工完成的零部件運送至智能檢測單元，由智能相機判斷加工后的產(chǎn)品是否符合技術要求，如加工尺寸等，并通過RFID進行產(chǎn)品信息寫入。NG 零配件回收至廢品箱，OK產(chǎn)品自動進入下一工序生產(chǎn)。

（3）智能管理系統(tǒng)。智能制造總控平臺主要實現(xiàn)智能生產(chǎn)線的實時監(jiān)控，該平臺主要負責智能制造生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)處理、控制計算、分析決策和信息交換，同時也是智能生產(chǎn)線控制操作的中心。整個平臺體現(xiàn)了工業(yè)4.0與智能制造的感知與接入，服務的封裝、全生命周期管理以及服務的按需使用等關鍵技術理念。

本文提出了一種基于工業(yè)4.0的輪轂智能制造生產(chǎn)線實訓產(chǎn)品設計方案，可以按照不同的訂單要求自動組織生產(chǎn)設備進行生產(chǎn)。生產(chǎn)過程中采用電子標簽對產(chǎn)品的加工信息進行讀、寫跟蹤；采用機器視覺技術及各類傳感器技術，實時采集生產(chǎn)信息并反饋“總控系統(tǒng)”便于實時動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)工藝；用戶可以直接參與到產(chǎn)品的定制、下單、生產(chǎn)、物流過程，可以實時獲取自己所需產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)。該方案承載了滿足了個性化需求要求的柔性制造技術，職業(yè)院校依托設備可以開發(fā)《智能制造技術應用》等課程資源，為企業(yè)培養(yǎng)更多掌握相關先進技術的高端技術技能型人才。

秦皇島職業(yè)技術學院）