教學(xué)型智能制造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)*

□ 陸晨芳1 □ 陸 江 □ 龍忠海 □ 丁中華

1. 南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京 211135 2. 南京翼馬數(shù)控機(jī)床有限公司 南京 211103

1 研究背景

隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展及經(jīng)濟(jì)全球化,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不斷加大,制造業(yè)的產(chǎn)出正從單一產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)榘a(chǎn)品在內(nèi)的增值服務(wù)和方案解決。制造業(yè)已經(jīng)成為同時(shí)對(duì)物質(zhì)、信息和知識(shí)進(jìn)行處理的新產(chǎn)業(yè)[1]。在此背景下,我國(guó)提出制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略“中國(guó)制造2025”,并發(fā)布《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》,智能制造在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了充分重視和蓬勃發(fā)展[2-10]。

為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì),翼馬公司設(shè)計(jì)并研發(fā)了一款匯集了“中國(guó)制造2025”主要技術(shù)元素的四齒魔方智能制造生產(chǎn)線,并與南京某學(xué)院進(jìn)行了合作開發(fā)。這一生產(chǎn)線既可應(yīng)用于高校教研,又可服務(wù)于企業(yè)生產(chǎn),具有良好的適應(yīng)性,應(yīng)用價(jià)值高。

2 智能制造生產(chǎn)線簡(jiǎn)介

四齒魔方智能制造生產(chǎn)線以個(gè)性化定制的四齒魔方為研究對(duì)象,利用智能制造方法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程,是一款集功能性、教學(xué)性、娛樂(lè)性和觀賞性于一體的教學(xué)型智能制造生產(chǎn)線。四齒魔方由20個(gè)零件組成,包括十個(gè)加工零件(四個(gè)齒輪、一個(gè)連接軸、一個(gè)主體、四個(gè)蓋帽)和十個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件(六個(gè)軸承、四個(gè)墊片),其總裝圖和分解圖如圖1所示。整條生產(chǎn)線由企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)系統(tǒng)及管理軟件、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、智能裝備組成。智能裝備包括立體倉(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工設(shè)備、激光打標(biāo)設(shè)備、視覺檢測(cè)設(shè)備、自動(dòng)裝配設(shè)備、物料傳輸設(shè)備等。

3 智能制造生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)

四齒魔方智能制造生產(chǎn)線的整體布局如圖2所示,主要包含ERP系統(tǒng)、MES(含手機(jī)APP個(gè)性化定制下單)、立體倉(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工設(shè)備、激光打標(biāo)設(shè)備、視覺檢測(cè)設(shè)備、自動(dòng)裝配設(shè)備、物料傳輸設(shè)備等主體單元,還可根據(jù)客戶需求加裝自動(dòng)導(dǎo)引車(AGV)。

▲圖2 四齒魔方智能制造生產(chǎn)線整體布局

3.1 ERP系統(tǒng)

ERP系統(tǒng)是指在信息技術(shù)的基礎(chǔ)上,以系統(tǒng)化的管理思想,為企業(yè)決策層及員工提供決策運(yùn)行手段的管理平臺(tái)。翼馬公司采用某航天公司的Aisino ERP.A6企業(yè)管理軟件,將財(cái)務(wù)、稅務(wù)、供應(yīng)鏈、生產(chǎn)制造、辦公協(xié)同、商業(yè)智能等集成于一體。ERP系統(tǒng)在四齒魔方智能制造生產(chǎn)線中主要用于向MES下達(dá)生產(chǎn)指令,并接收MES的生產(chǎn)反饋信息。

3.2 MES

MES是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。MES可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、工作中心(設(shè)備)管理、工具工裝管理、采購(gòu)管理、成本管理、看板管理、生產(chǎn)過(guò)程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊,為企業(yè)打造一個(gè)全面、可行的制造協(xié)同管理平臺(tái)。四齒魔方智能制造生產(chǎn)線的MES總體框架如圖3所示。

▲圖3 四齒魔方智能制造生產(chǎn)線MES總體框架

3.3 立體倉(cāng)儲(chǔ)

立體倉(cāng)儲(chǔ)包括一個(gè)原料庫(kù)(四列五層20個(gè)倉(cāng)位)、一個(gè)成品庫(kù)(四列五層20個(gè)倉(cāng)位)和一個(gè)堆垛機(jī)。為實(shí)現(xiàn)毛坯出庫(kù)和成品入庫(kù)的功能,堆垛機(jī)需完成左右X軸、前后Y軸、上下Z軸三軸運(yùn)動(dòng)。其中X軸和Z軸需要精確定位,由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，Y軸由調(diào)速器和變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。

3.4 工業(yè)機(jī)器人

自動(dòng)上下料是機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面。四齒魔方智能制造生產(chǎn)線采用廣州數(shù)控和日本FANUC生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)功能。這兩款機(jī)器人均在原機(jī)基礎(chǔ)上,增加了機(jī)械元件和電氣元件,可通過(guò)指令編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。其中,廣州數(shù)控生產(chǎn)的機(jī)器人主要負(fù)責(zé)數(shù)控車床、數(shù)控銑床和激光打標(biāo)設(shè)備的上下料工作,日本FANUC生產(chǎn)的機(jī)器人主要負(fù)責(zé)視覺檢測(cè)設(shè)備、數(shù)控滾齒機(jī)和自動(dòng)裝配設(shè)備的自動(dòng)上下料工作。

3.5 數(shù)控加工設(shè)備

為完成四齒魔方中各類零件的加工,采用了翼馬公司自主設(shè)計(jì)研發(fā)的數(shù)控車床、數(shù)控銑床和數(shù)控滾齒機(jī)這三種加工設(shè)備。數(shù)控車床用于加工軸套類零件，數(shù)控銑床用于加工盤蓋類零件，數(shù)控滾齒機(jī)用于加工齒輪,其先進(jìn)的總線式結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能可方便地與MES進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。

3.6 激光打標(biāo)設(shè)備

激光打標(biāo)設(shè)備主要用于在四齒魔方主體零件上完成激光雕刻。采用歐姆龍專業(yè)偏振鏡激光頭,結(jié)合EzCad軟件,可在40 mm×40 mm的零件表面打印出客戶要求的定制LOGO。

3.7 視覺檢測(cè)設(shè)備

視覺檢測(cè)設(shè)備主要用于檢測(cè)零件是否合格。采用歐姆龍視覺檢測(cè)設(shè)備,在具有高靈敏度、高分辨率圖像拍攝功能的相機(jī)上,安裝了高速視覺控制器,無(wú)需高級(jí)編程或設(shè)備組合,即可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的檢查測(cè)量。

3.8 自動(dòng)裝配設(shè)備

自動(dòng)裝配設(shè)備采用雙工作臺(tái)形式,通過(guò)直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相互配合,將十個(gè)加工零件和十個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件按照準(zhǔn)確放置、按壓安裝、螺紋安裝等步驟,最終組裝成四齒魔方。

3.9 物料傳輸設(shè)備

整條生產(chǎn)線采用皮帶傳輸?shù)姆绞?由調(diào)速器和變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳輸運(yùn)動(dòng),可根據(jù)客戶需求,決定是否增加AGV。

四齒魔方智能制造生產(chǎn)線的主控制器采用西門子SIMATIC S7-1500可編程序控制器(PLC),同時(shí)配置McgsTpc觸摸屏作為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)操作界面。智能制造生產(chǎn)線在運(yùn)行時(shí),既可以由MES發(fā)出控制指令，又可以由操作面板按鈕發(fā)出控制指令,還可以通過(guò)觸摸屏控制和顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

這一生產(chǎn)線具有良好的柔性,通過(guò)更改數(shù)控加工程序、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序、PLC控制程序等,可實(shí)現(xiàn)其它產(chǎn)品的下單、加工、檢測(cè)、裝配等。

4 智能制造生產(chǎn)線工作流程

四齒魔方智能制造生產(chǎn)線定制工作流程如下。

(1) 手機(jī)下單。

客戶通過(guò)手機(jī)APP下單。下單時(shí),輸入定制的LOGO,提交完成后,可在手機(jī)上跟蹤生產(chǎn)進(jìn)度。

(2) 毛坯出庫(kù)。

MES接收到客戶的訂單信息后,啟動(dòng)智能制造生產(chǎn)線,同時(shí)將LOGO信息發(fā)送至激光打標(biāo)設(shè)備。生產(chǎn)線啟動(dòng)后,堆垛機(jī)將所需毛坯從原料庫(kù)中取出,送至物料傳輸設(shè)備。

(3) 零件加工。

首先，利用工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)上下料功能,并通過(guò)物料傳輸設(shè)備的環(huán)形流水線將物料傳送到數(shù)控車床工作臺(tái)位置,完成四齒魔方中軸套類零件的加工。然后,將物料傳送到數(shù)控銑床工作臺(tái)，完成盤蓋類零件的加工。最后，物料被傳送到數(shù)控滾齒機(jī)工作臺(tái)，完成齒輪的加工。

(4) 激光打標(biāo)。

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人將零件搬運(yùn)至打碼工位時(shí),啟動(dòng)激光打標(biāo)設(shè)備。根據(jù)客戶下單時(shí)輸入的定制信息,在四齒魔方的主體上打印出定制LOGO。

(5) 視覺檢測(cè)。

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人將零件搬運(yùn)至檢測(cè)工位時(shí),啟動(dòng)視覺檢測(cè)設(shè)備。根據(jù)相機(jī)圖片及視覺控制器的處理結(jié)果,將合格零件留下，不合格零件去除。

(6) 產(chǎn)品裝配。

在經(jīng)過(guò)零件加工、激光打標(biāo)、視覺檢測(cè)之后,所有零件準(zhǔn)備就緒。此時(shí)，工業(yè)機(jī)器人將零件逐個(gè)搬運(yùn)到裝配工位,通過(guò)自動(dòng)裝配設(shè)備將20個(gè)零部件裝配成四齒魔方。裝配完成的成品再由工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)至物料傳輸設(shè)備。

(7) 成品入庫(kù)。

立體倉(cāng)儲(chǔ)接收到物料傳輸設(shè)備上傳感器的信號(hào)后,啟動(dòng)堆垛機(jī),將成品送至成品庫(kù)。成品入庫(kù)之后,向MES發(fā)送訂單完成的信息。

(8) 客戶提貨。

當(dāng)客戶在手機(jī)APP上看到訂單完成的信息,可通過(guò)手機(jī)發(fā)送提貨信息,并可選擇快遞收貨或上門自取的取貨方式。

5 結(jié)束語(yǔ)

四齒魔方智能制造生產(chǎn)線融合了ERP系統(tǒng)管理軟件操作、MES操作、機(jī)電一體化設(shè)備機(jī)械部件裝調(diào)、電氣控制電路裝調(diào)、氣動(dòng)系統(tǒng)裝調(diào)、PLC編程、觸摸屏編程、工業(yè)機(jī)器人編程、數(shù)控機(jī)床編程、激光打標(biāo)、視覺檢測(cè)、自動(dòng)生產(chǎn)線安裝與調(diào)試,貼合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn),著重體現(xiàn)真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)應(yīng)用。

智能制造生產(chǎn)線中的各個(gè)單元可分別逐次運(yùn)行,讓學(xué)習(xí)者由淺入深、漸進(jìn)全面地掌握各項(xiàng)技術(shù),幫助他們更好地理解和掌握智能制造的主要技術(shù)元素。同時(shí),各主體單元都配有三維虛擬仿真軟件,虛實(shí)結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)的細(xì)化教學(xué)實(shí)訓(xùn),并能聯(lián)網(wǎng)考核,極大地方便學(xué)習(xí)培訓(xùn)。目前,項(xiàng)目組正在積極開發(fā)與智能制造生產(chǎn)線相配套的視頻、微課等學(xué)習(xí)資源,以期后續(xù)更好地為學(xué)習(xí)者服務(wù)。