用于行星齒輪支架加工的核心零件智能生產(chǎn)線

袁建軍 徐萃彧 張小紅 秦磊 朱家洲 杜向陽 王清運

摘? ?要： 行星齒輪支架零件是車輛的核心零件之一。為了高效率、低成本、高質(zhì)量實現(xiàn)行星齒輪支架零件的自動機械加工目標，設計了核心零件智能生產(chǎn)線。對生產(chǎn)線的生產(chǎn)布局、上下料方式、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控進行了總體規(guī)劃，制定了生產(chǎn)準備、上料、加工、下料等工藝流程;對生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進行了詳細設計，形成了集機床系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、人工檢測系統(tǒng)、激光打標系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)于一體的自動化控制體系，尤其是在SCADA系統(tǒng)中實現(xiàn)了對系統(tǒng)權限、生產(chǎn)任務、過程監(jiān)控、質(zhì)量數(shù)據(jù)、報表統(tǒng)計等方面的管理。通過對生產(chǎn)線的技術改造，提升了車間生產(chǎn)計劃管理、質(zhì)量管理的信息化水平，達到了預期目標。

關鍵詞： 行星齒輪支架;核心零件;智能生產(chǎn)線;PLC控制系統(tǒng);SCADA系統(tǒng)

中圖分類號：U468.2+3? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-010-09

工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.003

引言

行星齒輪支架是車輛的核心零件之一。目前，行星齒輪支架零件的傳統(tǒng)制造主要依靠人工完成，或配合一些半自動化設備離線完成[1-3]。通過對生產(chǎn)線的技術改造，提升了效率，降低了對工人操作水平的依賴[4-6]，但還沒有實現(xiàn)工藝過程的高度連續(xù)性，沒有實現(xiàn)大批量、整體化、高質(zhì)量的生產(chǎn)流程工藝，對生產(chǎn)線的智能化、柔性化和可靠性提出了尤為迫切的要求。

本公司提出了核心零件智能生產(chǎn)線（以下簡稱“生產(chǎn)線”）建設項目，目的在于高效率、低成本、高質(zhì)量完成行星齒輪支架零件的自動機械加工（以下簡稱“機加”）任務，滿足行星齒輪支架生產(chǎn)的智能化需求。本文首先提出生產(chǎn)線結構設計的總體規(guī)劃;其次介紹生產(chǎn)線的總體布局，明確制造工藝流程;最后對生產(chǎn)線控制系統(tǒng)開展相關軟件和硬件設計，以期實現(xiàn)提升生產(chǎn)能力、降低制造成本等目標。

1? 生產(chǎn)線總體規(guī)劃

按照生產(chǎn)線建設目標，需要實現(xiàn)全封閉、上下料自動控制、投料班次等要求，故提出七個方面的規(guī)劃方案：

（1）生產(chǎn)線采取全封閉的自動化生產(chǎn)形式。生產(chǎn)線可根據(jù)計劃指令，實現(xiàn)對設備、零件、夾具、刀具、程序等生產(chǎn)資源的智能調(diào)度與管理，同時與現(xiàn)有的DNC、MES等系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與交換，將需要交互的數(shù)據(jù)形成開放數(shù)據(jù)庫，并共享數(shù)據(jù)格式。

（2）生產(chǎn)線通過機器人，實現(xiàn)機床上下料及零件在生產(chǎn)線內(nèi)的自動運行。

（3）生產(chǎn)線采用一次性集中投料、機器人自動上下料的方式。生產(chǎn)線一次投料數(shù)量滿足一個班次的自動加工需求。

（4）生產(chǎn)線可根據(jù)需要切換為手動模式。切換為手動模式時，機器人系統(tǒng)不工作，生產(chǎn)線內(nèi)各機床可由人工單獨操作進行生產(chǎn)，也可通過更換工裝加工其他零件。

（5）生產(chǎn)線上下料區(qū)域的設計需滿足一個班次的毛坯及成品件的存放，并留有足夠通道空間，保證物流叉車正常作業(yè)。

（6）生產(chǎn)線上下料區(qū)域需配置人工抽檢臺，滿足加工過程中人工抽檢產(chǎn)品的需要。

（7）生產(chǎn)線具有對設備狀態(tài)、夾具狀態(tài)、刀具狀態(tài)、零件加工質(zhì)量等信息進行實時監(jiān)控功能，若出現(xiàn)異常，自動報警。

2? 生產(chǎn)線布局和工藝流程

2.1? 布局和生產(chǎn)工作內(nèi)容

如前文所述，生產(chǎn)線需要實現(xiàn)零件的自動化上下料、自動加工、自動打標、人工抽檢等功能。據(jù)此，生產(chǎn)線主要由SCADA系統(tǒng)、車銑復合加工中心（M30）、激光打標機、機器人、物料臺、去毛刺工作站、安全門等設備或設施組成，總體布局如圖1所示。

部件功能：安全門主要用于限制或防止人員在行星架生產(chǎn)線內(nèi)活動，從而達到減輕或消除安全隱患的目的;激光打標機主要將產(chǎn)品號、批次號、流水號和批號等信息打印到零件的指定位置;去毛刺工作站由主軸旋轉配合機器人夾持零件運行相應的程序，完成去毛刺的任務。

2.2? 工藝流程

工藝流程主要分為生產(chǎn)準備、上料、加工、下料等四個部分，零件每道加工工序重復進行上述操作。

2.2.1? 生產(chǎn)準備流程

（1）生產(chǎn)線上電，系統(tǒng)自檢;

（2）掃描工單二維碼信息或人工錄入零件信息，SCADA系統(tǒng)提示該零件所用機器人夾爪、機床夾具、物料臺托盤上定位銷等信息;

（3）操作人員根據(jù)提示信息，更換機器人夾爪、機床夾具、物料臺托盤上定位銷，設置好數(shù)控加工程序;

（4）操作人員使用行吊將零件放置在物料臺上;

（5）在PLC控制系統(tǒng)確認準備完畢，啟動零件上料流程。

2.2.2? 上料流程

（1）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送抓取物料指令，機器人抓取物料臺上零件，移至機床外指定位置，反饋“到位信號”至PLC控制系統(tǒng);

（2）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送指令至機床，機床系統(tǒng)接收到PLC控制系統(tǒng)指令，機床門打開、卡盤松開，反饋“到位信號”至PLC控制系統(tǒng);

（3）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送機器人上料指令，機器人移至機床內(nèi)指定位置，機器人夾爪松開，推料機構將零件與機床夾具定位面貼平，機床卡盤夾緊，反饋“夾緊到位信號”至PLC控制系統(tǒng);

（4）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送機器人退出指令，機器人退出機床至指定位置，反饋“到位信號”至PLC控制系統(tǒng)中;

（5）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送機床門關閉指令。

2.2.3? 加工流程

（1）機床系統(tǒng)接收到機床門關閉指令，控制機床門關閉，反饋“到位信號”至PLC控制系統(tǒng);

（2）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送加工指令，機床系統(tǒng)接收到加工指令，進行各工序加工;

（3）加工過程中的檢測數(shù)據(jù)通過OPC協(xié)議傳送到PLC控制系統(tǒng)中;

（4）加工完成后，反饋“完成信號”至PLC控制系統(tǒng);

（5）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送機床門打開指令，機床門打開，反饋“機床門打開到位信號”至PLC控制系統(tǒng);

（6）加工過程中抽檢：操作人員在PLC控制系統(tǒng)界面點擊抽檢指令，機器人員將加工完成的零件送至輸送線上，輸送線把零件送至線外，操作人員將零件取至抽檢臺進行檢驗，并將檢測結果錄入PLC控制系統(tǒng)。

2.2.4? 下料流程

（1）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送機器人下料指令，機器人運動至機床內(nèi)指定位置，氣吹加工好的零件，將零件表面切屑清除，吹氣完成后反饋“完成信號”至PLC控制系統(tǒng);

（2）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送抓取零件指令至機器人系統(tǒng)，機器人夾爪抓取零件，反饋“夾緊到位信號”至PLC控制系統(tǒng);

（3）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送卡盤松開指令，機床卡盤松開，反饋“松開到位信號”至PLC控制系統(tǒng);

（4）PLC控制系統(tǒng)發(fā)送機器人放料指令，機器人移動至物料臺指定位置，夾爪松開，將物料放至物料臺上，反饋“夾爪松開到位信號”至PLC控制系統(tǒng);

（5）待零件加工完成后，生產(chǎn)線停止運行，PLC控制系統(tǒng)提示產(chǎn)品加工完成;

（6）操作人員拆除該工序所用的工裝夾具。

3? 控制系統(tǒng)設計

生產(chǎn)線控制系統(tǒng)包含機床系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、人工檢測系統(tǒng)、激光打標系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等。SCADA系統(tǒng)布置在控制終端上，能夠把數(shù)據(jù)展示在顯示大屏上。

系統(tǒng)總體架構如圖2所示。

3.1? PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)主要對行星齒輪支架線進行控制，下發(fā)生產(chǎn)任務，集中管理生產(chǎn)線運行過程中產(chǎn)生的相應數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析及展示。

現(xiàn)場總控箱由PLC、交換機、視頻模塊、空氣開關（空開）等電氣元器件組成。PLC由一套三菱Q系列PLC組成，負責處理設備的控制信號。交換機使用工業(yè)級交換機，具有通信速度快、運行穩(wěn)定、故障報警等功能。

總控箱上設有手動和自動轉換開關，可以切換為手動模式和自動模式。切換為手動模式時，機器人系統(tǒng)不工作，線內(nèi)各機床可由人工單獨操作進行生產(chǎn)，也可通過更換工裝加工其他零件;切換為自動模式時，控制系統(tǒng)可遠程控制生產(chǎn)線內(nèi)各設備。

總控箱上設有急停旋鈕開關，當生產(chǎn)線遇到緊急狀態(tài)時，按壓急停旋鈕開關能夠緊急停止生產(chǎn)線;當生產(chǎn)線緊急停止后，只有人工對急停旋鈕開關上旋鈕進行旋轉復位，才能解除急停狀態(tài)。

3.2? 機器人系統(tǒng)

機器人系統(tǒng)主要實現(xiàn)機床自動上下料及零件在產(chǎn)線內(nèi)的自動流轉，零件重量最大25 kg。為保證產(chǎn)線平穩(wěn)運行，選擇ABB品牌機器人。

機器人上安裝氣動夾爪，夾爪上安裝位置傳感器，檢測物料是否存在。當生產(chǎn)線運行時，PLC實時采集位置傳感器上的位置信息，當采集到的信息與存儲寄存器的位置信息相同時，即可判斷機器人夾爪是否抓取到物料。

機器人夾爪的抓取力是由氣動夾爪的進氣壓力決定的。當進氣壓力較低時，機器人夾爪抓取力不足，難以抓取零件，或者安全性較差。為確保機器人夾爪具有足夠的抓取力，應確保在機器人抓取零件時，進氣壓力滿足要求，因此安裝進氣壓力傳感器，用于實時檢測氣動夾爪的進氣壓力。壓力傳感器選擇SMC壓力傳感器，可實時檢測進氣壓力。PLC采集壓力傳感器信號，當進氣壓力較低時，PLC發(fā)出報警信息，機器人夾爪停止動作。

為保證機器人手指的操作安全性，需防止氣動壓力降低。在進氣管路上串聯(lián)壓力保持閥，可防止氣動夾爪排氣，從而保證了機器人手指的抓取力。

機器人與PLC通信采用CCLink通信口，通過ABB自帶的DSQC 378B通信模塊進行通信，使PLC能夠讀取、修改機器人內(nèi)部寄存器內(nèi)容。使用三菱GX Works2編程軟件進行網(wǎng)絡參數(shù)設置，設置PLC為主站，如圖3所示。

如圖4所示，通過ABB自帶的CCLink通信模塊的連接情況確定地址（例如地址為10）。在機器人系統(tǒng)中，使用ABB觸摸示教器，設置自帶CCLink通信模塊在其總線上的參數(shù)，板卡名稱（Product Name）可不修改，只需修改地址為10即可通信。

3.3? 機床系統(tǒng)

生產(chǎn)線對現(xiàn)有的數(shù)控機床M30進行智能化改造，以滿足零件自動上下料、自動裝夾、數(shù)據(jù)采集等要求。

M30可以通過數(shù)控系統(tǒng)的標準OPC-UA通信協(xié)議，采用以太網(wǎng)網(wǎng)口連接實現(xiàn)控制系統(tǒng)與機床通信，可以直接給機床發(fā)送指令控制機床加工。機床內(nèi)的I/O點滿足自動化生產(chǎn)線的使用要求，可通過系統(tǒng)的OPC-UA通信協(xié)議實現(xiàn)機床數(shù)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的通信。PLC控制系統(tǒng)接收SCADA系統(tǒng)的指令，控制I/O點進行動作，完成相關命令，同時機床的狀態(tài)信息通過I/O點、OPC-UA通信上傳至PLC控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)解析軟件讀取機床數(shù)據(jù)并進行處理，解析成SCADA系統(tǒng)能夠讀取的內(nèi)容，存儲在控制終端的數(shù)據(jù)庫中。SCADA系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，并以報表方式展示在顯示大屏上。機床展示數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)生產(chǎn)工藝流程及自動化生產(chǎn)要求，本次改造的機床I/O信號具體如表2所示。

3.4? 人工檢測系統(tǒng)

人工檢測系統(tǒng)對線上已加工完成的零件進行抽檢，人工測量零件尺寸，將測量結果錄入SCADA系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)自動判斷零件是否合格。

人工檢測系統(tǒng)主要由輸送線及抽檢臺兩部分組成。輸送線主要由光電開關、電機、傳送機構組成，用于將零件從線內(nèi)輸送到線外，并且輸送線上安裝有檔條，防止零件掉落。抽檢臺用于零件的人工檢測及量具存放。

輸送線的工作原理為：PLC給輸送線發(fā)送使能信號后，當輸送線起始光電開關檢測到零件時，輸送線開始運動，當零件運動到終止光電開關時，輸送線停止轉動。

3.5? 激光打標系統(tǒng)

激光打標系統(tǒng)將產(chǎn)品號、批次號、流水號和爐批號等信息打印到零件的指定位置，主要由激光打標機與工控機組成。

激光打標機接收到上位機打標軟件及總控PLC指令后，將零件要求的產(chǎn)品號、批次號和流水號按要求格式打印至零件指定位置。

生產(chǎn)線的零件材料有鍛件40Cr、鑄鋁ZL104，均為金屬件。激光打標機與PLC通過I/O點進行通信：PLC設置激光打標機工作站點，通過I/O點發(fā)送啟動信號（NPN）給打標機，激光打標機將狀態(tài)信號通過I/O點反饋給PLC。

3.6? SCADA系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)具有易于擴展、靈活性強、與其他程序語言之間連接方便等特點，保證了系統(tǒng)得以逐步升級和完善。

SCADA系統(tǒng)包括系統(tǒng)權限管理模塊、生產(chǎn)任務管理模塊、過程監(jiān)控管理模塊、質(zhì)量數(shù)據(jù)管理模塊、報表統(tǒng)計管理模塊，如圖5所示。系統(tǒng)權限管理模塊進行人員權限配置;生產(chǎn)任務管理模塊將生產(chǎn)任務信息錄入并存入數(shù)據(jù)庫;過程監(jiān)控管理模塊進行設備狀態(tài)信息的跟蹤顯示;質(zhì)量數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)質(zhì)檢數(shù)據(jù)錄入及相應數(shù)據(jù)查詢功能;報表統(tǒng)計管理模塊對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并通過看板顯示，能夠根據(jù)生產(chǎn)任務向PLC下發(fā)指令，通知PLC調(diào)用相應程序進行指定型號零件的加工生產(chǎn)任務。零件生產(chǎn)加工過程中，SCADA系統(tǒng)能夠針對生產(chǎn)過程信息進行實時跟蹤與顯示，同時通過該系統(tǒng)，能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的關鍵參數(shù)進行采集、顯示，從而實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化。

3.6.1? 系統(tǒng)權限管理

系統(tǒng)權限管理模塊主要進行人員權限配置，可對相應人員進行分組管理、優(yōu)先級設置、安全區(qū)劃分。分組管理是為了管理及維護，人員優(yōu)先級設置越高，則相應人員權限越高，優(yōu)先級范圍0～999。各功能模塊所有觸發(fā)點擊事件的操作均需具備一定的安全等級人員操作，同時可為所有界面設置相應的安全區(qū)，只有具備訪問該安全區(qū)的人員才可進行頁面的相關操作，

相關人員登錄成功后方可操作其權限以內(nèi)的模塊，同時主界面可顯示該設備是否正在加工中。點擊相應圖標即可進入對應界面，并且點擊注銷按鈕即可回到用戶登錄界面。

3.6.2? 生產(chǎn)任務管理

相關人員登錄進入主界面后，需要在生產(chǎn)任務管理模塊錄入當天生產(chǎn)任務信息，選擇并控制PLC對應的加工程序進行零件生產(chǎn)，如圖6所示。

3.6.3? 過程監(jiān)控管理

生產(chǎn)線啟動后，由過程監(jiān)控管理模塊對設備自身數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息進行實時跟蹤、監(jiān)控及顯示，同時也可查看設備正在加工的零件號等信息，方便操作人員了解生產(chǎn)進度，如圖7所示。

設備狀態(tài)分為“就緒”、“加工中”、“報警”三種方式，用三色燈表示。當設備就緒時，“就緒”指示燈變黃色。當設備正在加工時，“加工中”指示燈變綠色。出現(xiàn)異常時，觸發(fā)自動報警，“報警”指示燈變紅色，報警信息可形成日志文件并上傳數(shù)據(jù)庫，操作人員可下載查看該日志文件。同時每臺設備可顯示已完成的零件型號及數(shù)量，該數(shù)量可作為操作人員換刀具的參考依據(jù)。

3.6.4? 質(zhì)量數(shù)據(jù)管理

質(zhì)量數(shù)據(jù)管理模塊包含質(zhì)量檢測錄入、報警窗口、數(shù)據(jù)查詢功能。

（1）質(zhì)量檢測錄入。零件加工完成后，需對零件進行抽檢，檢驗產(chǎn)品質(zhì)量，并在質(zhì)量檢測界面錄入質(zhì)量信息，錄入完畢后信息將自動存入數(shù)據(jù)庫。只有所有檢測項都合格，產(chǎn)品方為合格，否則為不合格。若零件不合格，點擊界面中的“確定”按鈕后，彈出“不合格品描述”對話框，操作人員填寫不合格原因，再點擊“不合格品描述”對話框的“確定”按鈕，產(chǎn)品質(zhì)檢信息自動錄入數(shù)據(jù)庫。

（2）報警窗口。生產(chǎn)線加工過程中記錄報警信息，方便操作人員查看及維修設備。

（3）數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)查詢主要對歷史數(shù)據(jù)進行查詢，可根據(jù)日期、訂單號、批次號、零件圖號、零件名稱等信息進行精確查詢或者模糊查詢。

3.6.5? 報表統(tǒng)計管理

報表統(tǒng)計管理模塊包含實時看板和統(tǒng)計分析界面。

（1）實時看板。實時看板界面實時跟蹤產(chǎn)品生產(chǎn)進度，顯示當日批次的零件完成情況，當前零件預計結束時間、預計完成時間等情況。

（2）統(tǒng)計分析。根據(jù)當日生產(chǎn)信息，統(tǒng)計合格率、設備利用率、故障報警率信息。

4? 結束語

本項目結合行星齒輪支架零件制造需求，通過智能化改造，完成了核心零件智能生產(chǎn)線建設，實現(xiàn)了生產(chǎn)能力提升、制造成本降低等目標，同時提升了車間生產(chǎn)計劃管理、質(zhì)量管理的信息化水平。與現(xiàn)有技術相比，本項目的有益效果有：

（1）高度集成化。將所有生產(chǎn)工藝步驟設備通過自動化連線的方式集成起來，取代人工，提高效率。

（2）多品種組織形式。核心零件智能生產(chǎn)線以一定類型的零件組為對象，構成了一種多品種生產(chǎn)組織形式，它擁有為完成幾種同類零件的加工任務所必需的機器設備，生產(chǎn)線相關設備兼容特定范圍的產(chǎn)品。

（3）一致性好。整條生產(chǎn)線通過機床和機器人的配合完成產(chǎn)品加工，與傳統(tǒng)人工方式相比，產(chǎn)品一致性更好。

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作者簡介：

袁建軍（1983—），通信作者，男，江蘇南京人，研究生。主要從事智能制造方面的工作。

E-mail： 434692327@qq.com

（收稿日期：2020-07-13）