海克斯康智能制造綜合教學平臺系統(tǒng)

甄明吉

摘要：海克斯康智能制造綜合教學平臺系統(tǒng)是針對學校教學實踐而建設的既能滿足學校教學實訓，又能滿足科研、生產和社會培訓需要的一站式綜合實踐平臺。該平臺包括設計仿真、倉儲物流、加工制造、質量檢驗、MES系統(tǒng)、數據管理與分析、信息與控制系統(tǒng)和數據展示等智能制造領域的全部要素，可根據教學需求進行靈活組線，貼近工業(yè)化生產，有利于學生參與和實踐教學。

關鍵詞：智能制造；仿真；倉儲物流；質量檢驗；MES系統(tǒng)

1 系統(tǒng)概況及建設目標

本教學平臺系統(tǒng)從學校的實際需求出發(fā)，圍繞“工業(yè)4.0”及“中國制造2025”進行項目方案設計。

1.1 系統(tǒng)建設的目的

（1）以智慧工廠和智能制造為主題，為學校建設一個智能制造綜合教學平臺系統(tǒng)。

（2）確保項目既能滿足學校教學實訓，又能滿足科研、生產和社會培訓的需要，為產學研提供一站式綜合實踐平臺。

（3）努力建設成在全國具有標桿意義的“智能制造工廠”。

1.2 系統(tǒng)具有的技術亮點

本系統(tǒng)包括設計仿真、倉儲物流、加工制造、質量檢驗、MES系統(tǒng)、數據管理與分析、信息與控制系統(tǒng)和數據展示等模塊，包含智能制造領域的全部要素，是一個較為完整的標準數字化自動生產系統(tǒng)，同時也是一個內容豐富的教學應用系統(tǒng)。

（1）該系統(tǒng)可承擔數據采集與分析、生產任務一鍵式下發(fā)、生產信息化實時顯示（數字化生產看板系統(tǒng)）、設備狀態(tài)實時監(jiān)控等任務，可有效地實現(xiàn)制造層與計劃層的信息交互。同時實現(xiàn)了工業(yè)軟件系統(tǒng)和智能機器設備的軟硬結合，從本質上實現(xiàn)了人機一體化。

（2）可以根據教學、生產需求，進行靈活組線，滿足多品種、小批量精密機械零部件的柔性制造需求。

（3）安全防護等級高：系統(tǒng)配置安全光柵、上下料安全光柵、安全門鎖和位置傳感器等安全防護裝置，確保系統(tǒng)和人身安全。

（4）所有的單元設備均可進行單項教學和部分系統(tǒng)聯(lián)機教學，有利于學生的廣泛參與和實踐教學活動的開展。

（5）系統(tǒng)雖為教學系統(tǒng)，但所有單元設備乃至整個系統(tǒng)都采用了標準工業(yè)級裝備和集成技術，非常貼近工業(yè)化生產配置。

（6）共有15個功能模塊，可用于教學演示。該系統(tǒng)還設有教學功能區(qū)。

2 硬件系統(tǒng)總架構

硬件系統(tǒng)主要包括立體倉儲與物流系統(tǒng)、加工制造執(zhí)行系統(tǒng)、六軸機器人及導軌系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、安全與防護和教學功能區(qū)，如圖1所示。

3 系統(tǒng)總體層級架構、信息流總架構

系統(tǒng)總體層級架構圖如圖2所示，共分為三個層級架構，分別為設備層、控制層和MES執(zhí)行層。

智慧工廠方案信息流總架構如圖3所示。

構建真正意義上的“工業(yè)4.0”新型工作模式，使整個柔性制造系統(tǒng)既源于生產實際、又符合教學規(guī)律要求，便于教師帶領學生開展多項專業(yè)教學實驗。

4 立體倉儲與物流系統(tǒng)

自動化立體倉庫在國內各行業(yè)得到越來越廣泛的應用和迅猛發(fā)展，成為企業(yè)現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要組成部分，具有節(jié)約用地、減輕勞動強度、避免貨物損壞或遺失、消除差錯、提高倉儲自動化水平及物流效率等諸多優(yōu)點。

立體倉儲與物流系統(tǒng)（圖4）主要包括高層立體貨架、升降堆垛機、AGV 輸送系統(tǒng)、AGV接貨平臺、AGV充電站、AGV 調度系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)和智能倉庫實時管控系統(tǒng)。

（1）高層立體貨架（圖5）。

根據加工零點的特點，系統(tǒng)采用低層立體庫，總高度約3 m。系統(tǒng)采用單元貨格式立體庫，設有自動叉車。

（2）升降堆垛機。

升降堆垛機是一個在立體倉庫貨架內搬運物品的專用機械設備，可進行橫向與縱向兩個方向的快速移動，并配有前后伸縮的貨叉平臺。

通動移動貨叉平臺可以到立體倉庫的任意一個庫位，從而可以實現(xiàn)快速將工件從貨架中取出或存入。

升降堆垛機具有如下特點：具有過電流和過熱保護裝置，擁有堆垛機尋址控制系統(tǒng)；以總線通信方式與上位機通信，可與ERP、WMS管理軟件實現(xiàn)無縫對接；在堆垛機的控制面板上設有自動/單機開關以選擇工作方式；在手動方式上，用戶可使用操作面板上的相應按鈕直接控制堆垛機的水平運動；載貨臺的上下升降及貨叉的左右伸縮功能方便了用戶的安裝調試和維修。

（3）AGV輸送系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用磁導式AGV小車，以便完成自動接貨、卸貨及運輸。其主要特點有：速度快、噪聲小、效率高、故障率低和壽命長。智能制造示范車間 AGV小車的輸送路線如圖6所示。

（4）AGV接貨平臺。

本系統(tǒng)配置有AGV接貨平臺，置于各個設備正前方，用于暫時存放AGV機器人放置的物料托盤。

各設備在成線加工時，可以從接貨平臺上直接取料到對應設備中進行作業(yè)，加工完成后物料由移動機器人放回接貨平臺。

AGV機器人會根據任務管理系統(tǒng)的指令將加工完成的物料搬運到下一個站點。

在每一個設備前方都設有AGV接貨平臺，當零件在加工或測量過程中，接貨平臺上的托盤工件處于上料或等待狀態(tài)，這樣可以最大限度地節(jié)約生產等待時間。

（5）AGV調度及監(jiān)控系統(tǒng)。

本系統(tǒng)配置有AGV調度及監(jiān)控系統(tǒng)，可完成AGV的基本操作、物料的傳輸、目標站點的任務配送、常見故障的排除、報警解除等功能。

監(jiān)控系統(tǒng)可動態(tài)監(jiān)控AGV小車的運行狀態(tài)，對遠程參數進行監(jiān)控，對電量進行檢測，并具有遠程呼叫、調度等功能。同時還具有實時監(jiān)控功能。

（6）智能倉庫實時管控系統(tǒng)。

智能倉庫實時管控系統(tǒng)可實時顯示立體倉庫的倉位庫存，實時顯示當前執(zhí)行的任務及排隊的任務、出入庫記錄和報警記錄等。

B/S架構可通過WiFi用手機、平板電腦等設備進行遠程出庫、移庫、出料操作，并實時監(jiān)控任務的執(zhí)行情況。所有出入庫、移庫操作自動在倉庫管理系統(tǒng)中生成出入庫單據。本系統(tǒng)可以與MES系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)無縫對接。

本系統(tǒng)配置有立體倉庫信息終端，立體倉庫信息終端采用觸摸式人機界面，可通過信息終端對立體倉庫進行點動操作、自動操作和復位操作等，是管理立體倉庫控制器的重要部件。

本系統(tǒng)配置有立體倉庫LED顯示屏，用于實時顯示立體倉庫的動態(tài)庫存、作業(yè)信息，主要顯示的信息包括當前任務單信息、庫位信息、物料名稱、物料編碼和出入庫倉位等。

5 加工制造執(zhí)行系統(tǒng)

加工制造執(zhí)行系統(tǒng)的總體方案布置如圖7所示，具體加工零件時需要根據學校的實際需求來定，圖7所示的方案采用2臺數控加工中心、1臺數控車床及1臺清洗干燥設備。

具體加工工藝流程、加工工序及夾具系統(tǒng)，可以根據工件的實際需求進行調整。

6 六軸機器人及導軌系統(tǒng)

六軸機器人系統(tǒng)主要包括六軸機器人、第七軸導軌及機器人控制系統(tǒng)，如圖8所示。

第七軸導軌系統(tǒng)，機器人移動滑軌用于帶動六自由度機器人來回于系統(tǒng)各個機床之間，由伺服電動機、高精密減速機、直線滑軌、齒輪齒條和編碼器等組成，采用全鋼結構設計制作，它與六自由度機器人組合成靈活柔性的上下料智能作業(yè)裝置，如圖9所示。

本平臺的導軌系統(tǒng)具有如下技術特點：系統(tǒng)重復定位精度高；導軌基座結構強度高，承載能力強；系統(tǒng)穩(wěn)定性強，可以滿足高速運行的需求，可大大提高系統(tǒng)效率；導軌系統(tǒng)可以直接與機器人集成，直接作為機器人第七軸使用。

7 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)負責完成零件的自動檢測，主要由三坐標測量機及防護機罩組成。

7.1 三坐標測量機

三坐標測量機（圖10）能夠根據個性化的需要進行調整，以滿足不同的測量和檢測需求。

三坐標測量機可以滿足工件在不同裝夾姿態(tài)時的測量需求，能夠適合絕大多數零部件的測量需要。

7.2 測量機機罩

（1）測量機機罩（圖11）為安裝在生產線旁邊的測量機提供潔凈的環(huán)境，并可根據被測工件的檢測需要及車間溫度環(huán)境的實際狀況，調整機罩內的工作溫度。

（2）機罩系統(tǒng)可選配專門的操作機柜，以便有效整合控制柜、測頭控制器、計算機和打印機等測量機外部設備，為現(xiàn)場操作提供方便。

（3）測量機機罩系統(tǒng)由機罩殼體、窗機構、門機構、照明系統(tǒng)、空調系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)組成。

測量機機罩的特點包括：主體結構為框架結構，墻體、頂板和底板采用高性能的保溫板，具有防銹、防火、保溫的特點。

前窗便于工件進出，左窗便于操作員調整測頭更換架和測量校準球的位置；窗戶的上下運動由PLC操作面板按鈕控制，窗戶的上下運動與手動上下料的運動互鎖邏輯由PLC控制。

右面的三個門中，前后門方便操作員對測量機進行維護，中間門只有在搬家移動測量機時開啟。所有門上安裝有位置傳感器，任何門窗處于開啟狀態(tài)時，出于安全和溫度考慮，測量機將暫停工件的測量工作?？缮荡坝煽箯澢涂箘潅母咝阅芡该靼宀闹瞥?。

其相關部件還有機柜系統(tǒng)、空調系統(tǒng)。機柜是機罩系統(tǒng)的可選項，機柜集成測量機控制柜、打印機和計算機系統(tǒng)，為內置的設備提供防塵、散熱的工作環(huán)境，以使其達到IP55的防護等級要求。空調系統(tǒng)采用專業(yè)工業(yè)空調，可以根據需要對車間環(huán)境溫度進行調整，并保證測量機按所需的溫度波動與梯度要求工作在不同溫度下。溫度控制要求：t=18～22 ℃，2 ℃/24 h，1 ℃/1 h。

8 柔性制造系統(tǒng)軟件

柔性制造系統(tǒng)軟件是一套與工業(yè)自動化設備同步對接的企業(yè)管理、生產管理及質量系統(tǒng)管理軟件。該軟件跟蹤制造業(yè)從產品設計，到采購、生產、質量檢驗，到最終發(fā)貨的生產經營全過程，是數字化柔性制造工廠的信息管理、生產任務執(zhí)行和質量數據管理的實時管控平臺。

柔性制造系統(tǒng)軟件包括CAM加工仿真系統(tǒng)、MES制造執(zhí)行系統(tǒng)、統(tǒng)計分析質量管理系統(tǒng)軟件。

8.1 CAM加工仿真系統(tǒng)

配置CAM加工仿真軟件，實現(xiàn)數控編程及加工仿真。CAM作為應用性、實踐性極強的專業(yè)技術軟件，直接面向數控生產實際。

8.2 MES制造執(zhí)行系統(tǒng)

MES是面向機械加工車間執(zhí)行層的生產信息化管理系統(tǒng)，MES是處于計劃 （ERP） 層和現(xiàn)場過程控制（PCS）層之間的執(zhí)行層管理系統(tǒng)，主要負責車間生產管理和調度執(zhí)行，是制造企業(yè)實現(xiàn)敏捷化和全局優(yōu)化的關鍵系統(tǒng)。

MES通過信息的傳遞，對從訂單下達到完成產品的整個生產過程進行優(yōu)化管理，對車間發(fā)生的實時事件及時作出相應的反應和報告，并用當前準確的數據指導、處理車間生產活動，能夠對生產條件的變化做出迅速的響應，提高效率。

MES的主要模塊有生產任務及排產管理、資源分配與狀態(tài)監(jiān)控、生產計劃安排、數據監(jiān)控與采集、工藝過程管理、質量管理、數據分析與報表和產品跟蹤。

MES可以使用統(tǒng)一的數據庫和通過網絡同時為生產部門、質檢部門、工藝部門和物流部門等提供車間管理信息服務。

（1）MES的主要任務包括：從學校（或公司）ERP系統(tǒng)接受生產訂單；將庫存的可用物料分配給生產訂單；由生產訂單產生作業(yè)計劃；根據作業(yè)計劃建立生產指令并分發(fā)給相應的過程計算機系統(tǒng)（各班組或操作執(zhí)行端）；進行作業(yè)調度并控制和監(jiān)視工廠生產全貌；收集過程數據、質量數據和事件數據；控制和評估產品的質量；將生產情況和質量結果發(fā)送給公司ERP系統(tǒng)；完成工廠生產報表。

（2）MES與系統(tǒng)層級架構。MES在生產過程中所處的位置及總體層級架構如圖12所示。系統(tǒng)共分為三個層級架構，分別為設備層、控制層和MES執(zhí)行層。

（3）MES的組成如圖13所示。

（4）MES的數據采集。柔性制造車間的數控機床及加工中心均有工業(yè)以太網或串口通信功能，通過聯(lián)網或串口讀取， MES可以采集如下信息。

機床開機關機時間、空閑時間、空轉時間、加工時間和報警時間；機床的工作狀態(tài)。實時顯示機床當前所處的工作狀態(tài)，如編輯狀態(tài)、自動運行狀態(tài)、MDI狀態(tài)（手動數據輸入方式）、試運行狀態(tài)和在線加工狀態(tài)等；程序信息。正在運行哪個程序（零件），程序運行到哪行等；零件加工數量；當前刀具號；當前機床轉速、進給速度、倍率、主軸負載；機床坐標信息。能夠實時反饋機床當前的坐標情況，包括：絕對坐標、機床坐標、相對坐標和剩余移動量等；報警信息。能夠實時反饋機床是否有報警，報警號及報警內容。

（5）MES的教學實訓功能說明。MES按照經營目標、管理目標、生產組織、工藝過程、加工中心任務目標、技術原理和工作過程等線索組織知識點，通過機械車間的運行，向學生和參觀者展示相關的專業(yè)知識。

在常規(guī) MES 功能教學的基礎上，設置專用的教學展示用現(xiàn)場終端，用于專業(yè)知識展示和支持學員與系統(tǒng)交互。

8.3 統(tǒng)計分析質量管理軟件

該平臺使用的統(tǒng)計分析質量管理軟件提供了制造和生產各階段質量數據評估的集成解決方案。它通過結構化的圖、表和統(tǒng)計分析系統(tǒng)提供了可視化的過程行為和對過程的“正確透視”；并實時監(jiān)控生產過程的質量狀態(tài)，對生產過程進行有效分析。

9 信息與控制系統(tǒng)

信息與控制系統(tǒng)（圖14）負責整個系統(tǒng)的信息收集、匯總、通信和監(jiān)控等方面的工作，由管理員負責操作與管理，它擁有電源總控制系統(tǒng)、PLC總控系統(tǒng)，各生產線的數據均可從總控制臺收集獲取，并可通過總控調度分配各個模塊的工作職能，與MES系統(tǒng)集成。

系統(tǒng)支持多種通信協(xié)議：包括：RS232/485、Profibus、TCP/IP、（Modbus/TCP）和OPC等。

（1）PLC控制系統(tǒng)。PLC 控制系統(tǒng)負責各生產單元設備的邏輯動作控制、機床與機器人及檢測清洗設備的生產協(xié)調與控制。

PLC控制系統(tǒng)涉及以太網、現(xiàn)場總線、工業(yè)無線等多種通信網絡技術，負責將生產現(xiàn)場的數控機床、機器人、立體倉庫、各種傳感器、執(zhí)行器和伺服驅動器等連接起來，并將指令向下傳遞給 PLC 控制的執(zhí)行設備系統(tǒng)，以及將生產現(xiàn)場的執(zhí)行設備的有關信息向上傳遞給總控制系統(tǒng)和MES。

（2）智慧工廠-RFID系統(tǒng)。RFID用于記錄工件的加工信息、加工路徑等信息，產品的追溯化管理，由RFID標簽和RFID讀寫器組成。RFID標簽安裝在工件上，RFID讀寫器安裝在工件附近的工位上，當工件到達該工位時系統(tǒng)可通過讀寫器，識別該工件的運輸及加工途徑。每個工件都安裝有RFID標簽，每個加工工位上的物料都需要進行識讀操作，并將讀到的信息通過串口網絡傳輸給服務器，實時跟蹤物料位置和倉儲位置，做到物料、成品和半成品的可追溯性管理。

（3）總控制系統(tǒng)與可視化電子看板系統(tǒng)。自動化生產線設計了中央控制室，它是車間精益生產管理體系中的一個重要組成部分， 不僅可以收集車間的生產、設備的各種信息，供車間管理人員及技術人員進行生產管理時參考，還可以通過系統(tǒng)了解運行情況及產品質量，極大地提高了機械加工車間的生產及實訓效率。

車間的電子看板系統(tǒng)采用 LED、液晶屏、警告燈等硬件設備，結合PDA、PLC 等采集手段，通過系統(tǒng)接口與MES管理平臺相銜接，以報表、圖文及聲光報警的方式展現(xiàn)生產現(xiàn)場的設備狀態(tài)、產品質量、生產計劃、生產進度、作業(yè)指導及生產工藝等信息。

10 系統(tǒng)安全與防護說明

為確保系統(tǒng)的安全性及實訓過程中的安全性，整個智能制造系統(tǒng)的安全布置如圖15所示。

系統(tǒng)安全與防護功能主要包括：安全防護圍欄為高檔亞克力板，也可根據需要選擇金屬圍欄圍欄可配置安全門及門鎖；數控車床、加工中心及清洗設備及測量機上下料位置布置了安全光幕測量機上下料位置布置安全光幕；系統(tǒng)支持自動及手動操作，可以根據實訓需要進行切換；系統(tǒng)帶安全防護警示標識。

11 教學功能區(qū)說明

本系統(tǒng)右側為教學功能區(qū)，包括三個功能區(qū)域，分別為應用實訓區(qū)、設計及過程仿真區(qū)和創(chuàng)新功能討論區(qū)，布置方案如圖16所示。

本系統(tǒng)包含15處可用于教學及展示的內容，如圖17所示。各教學功能區(qū)能實現(xiàn)的教學功能見表1。