數(shù)控智能制造單元的改造方案設(shè)計(jì)

◎梁樹戈

一、前言

近幾年，隨著“德國工業(yè)4.0”，“中國制造2025”等新概念的提出，新一輪科技革命已經(jīng)引發(fā)了新一輪的產(chǎn)業(yè)革命，標(biāo)志著現(xiàn)代制造業(yè)進(jìn)入智能制造的時(shí)代，這是一次巨大的產(chǎn)業(yè)革命，錯(cuò)過了工業(yè)4.0也就錯(cuò)過了這個(gè)時(shí)代。在粵港澳大灣區(qū)，傳統(tǒng)的制造業(yè)也開始轉(zhuǎn)型升級，許多傳統(tǒng)的機(jī)械制造企業(yè)也紛紛耗資引進(jìn)智能制造的加工設(shè)備和先進(jìn)的制造技術(shù)，同時(shí)也催生了智能制造技術(shù)人才短缺的問題。為了順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和迎合企業(yè)對高技能人才的需求，許多職業(yè)院校數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)面向裝備制造、機(jī)械加工、智能制造產(chǎn)業(yè)增設(shè)了智能制造技術(shù)的專業(yè)方向。

職業(yè)院校要培養(yǎng)智能制造技術(shù)人才，必須要有和智能制造企業(yè)生產(chǎn)相匹配的實(shí)訓(xùn)設(shè)備。特別是珠三角發(fā)達(dá)地區(qū)的職業(yè)院校，數(shù)控專業(yè)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量和生均設(shè)備值都逐年上升，很多學(xué)校的實(shí)訓(xùn)車間堆滿了數(shù)控車床，加工中心等設(shè)備，設(shè)備的使用率低、閑置率高，如果再另外購置智能制造單元，很多學(xué)校將沒有多余的場室放置，也造成資源的浪費(fèi)。如何破解以上難題，筆者主持了學(xué)校數(shù)控專業(yè)實(shí)訓(xùn)場室改造的方案，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，利用學(xué)校原有的數(shù)控車床和加工中心等設(shè)備設(shè)計(jì)改造成為小型生產(chǎn)型智能制造單元。

二、智能制造單元設(shè)計(jì)的思路

小型生產(chǎn)型智能制造單元，以“物聯(lián)網(wǎng)+制造”為主題，生產(chǎn)企業(yè)智能工廠改造實(shí)踐為實(shí)施參考，以產(chǎn)品多樣化定制小批量生產(chǎn)為目的的工業(yè)生產(chǎn)型智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)。機(jī)床及智能制造單元是現(xiàn)代主流的先進(jìn)自動化制造單元，采用工業(yè)+教育+新模式的概念，由多個(gè)柔性加工單元組成，能夠根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求和現(xiàn)場環(huán)境變化迅速進(jìn)行重組和調(diào)配，以適應(yīng)多品種、中小批量的的生產(chǎn)作業(yè)。它包括自動搬運(yùn)系統(tǒng)、數(shù)控加工系統(tǒng)和倉儲系統(tǒng)等部分。系統(tǒng)由1套智能制造管理軟件系統(tǒng)、1臺四軸加工中心、1臺工業(yè)級工業(yè)機(jī)器人、1臺車銑復(fù)合機(jī)床、1套立體倉庫及附件為主體組成智能自動化數(shù)控加工生產(chǎn)線，應(yīng)用了互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)、高性能制造設(shè)備、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能化檢測單元，涵蓋訂單獲取、產(chǎn)品加工、產(chǎn)品檢測及物流倉儲的生產(chǎn)階段，以多軸數(shù)控加工為核心，將數(shù)控加工、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用、光電傳感技術(shù)、PLC控制、氣動與控制、交流伺服控制、機(jī)電一體化傳動、智能制造MES管理軟件技術(shù)等知識內(nèi)容緊密結(jié)合，融合到每一個(gè)模塊的學(xué)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。學(xué)生可參與多個(gè)工位的實(shí)踐教學(xué)，掌握實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0智能制造中多軸數(shù)控加工和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用等軟硬件軟件應(yīng)用等一些關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，了解基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)4.0的智能制造的流程和先進(jìn)制造技術(shù)。在教學(xué)應(yīng)用中，可以讓學(xué)生從整體角度掌握智能制造機(jī)電一體化設(shè)備的應(yīng)用和綜合集成技術(shù)。

圖1：智能制造單元效果圖

三、智能制造單元的改造方案

1.在現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)樓進(jìn)行測量環(huán)境后進(jìn)行改造，以下為根據(jù)實(shí)際場地改造布局圖。一套智能制造單元的總占地面積大約45平方米，圍欄的長度為9.2米，寬度5.2米。主要設(shè)備有1臺四軸加工中心、1臺工業(yè)機(jī)器人、1臺車銑復(fù)合車床、1套立體倉庫系統(tǒng)。2.機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)及功能。

圖2：智能制造單元改造布局圖

圖3：機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)

圖4：機(jī)器人上下料流程

3.機(jī)器人自動夾爪系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能。

根據(jù)零件的尺寸及夾持的負(fù)重設(shè)計(jì)卡爪，每套卡爪可調(diào)整的夾持直徑為10mm。

圖5：機(jī)器人氣動卡爪的功能

4.加工中心夾具設(shè)計(jì)及功能。

機(jī)器人把工件放置在三爪卡盤上，液壓卡盤收縮或張開將工件夾緊，完成裝夾。

圖6：加工中心液壓三抓自動卡盤

5.傳送機(jī)構(gòu)-地軌設(shè)計(jì)。

機(jī)器人在地上水平移動的軌道，使機(jī)器人的運(yùn)動范圍更廣。地軌為非標(biāo)設(shè)計(jì)，可以是直線型、圓環(huán)形或其他形狀，本方案根據(jù)兩臺機(jī)床自動防護(hù)門的方向設(shè)計(jì)成直線型。

圖7：地軌設(shè)計(jì)效果圖

6.立體倉庫系統(tǒng)。

考慮到示范教學(xué)的需要，料倉要用于加工零件的存放，滿足機(jī)器人及人工上下料的要求，共含有8個(gè)倉儲位，四個(gè)倉儲位配置相應(yīng)工件的料架，另外四個(gè)倉儲位預(yù)留好安裝物架的位置，料架更換便利，人工上料與機(jī)器人上下料實(shí)現(xiàn)分離式上下料，保證操作安全。

圖8：立體倉庫系統(tǒng)效果圖

7.其他輔助配置。

安全防護(hù)欄是為了保證操作人員人身安全，機(jī)械在自動化生產(chǎn)過程中是不允許有人進(jìn)去的。若是自動化過程中出現(xiàn)問題需技術(shù)人員進(jìn)入查看，在防護(hù)欄入口門處按下急停按鈕，便自動化程序停止，所有設(shè)備停止工作，裝配監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備工作情況。安全圍欄采用方管與鐵網(wǎng)絲焊接而成，配置插銷鎖，安全門鎖，可將生產(chǎn)人員及機(jī)械設(shè)備隔離起來，在生產(chǎn)過程中起到保護(hù)作用，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。圍欄高度為2m米。安全防護(hù)欄外側(cè)兩邊安裝自動化看板，展示自動生產(chǎn)單元的安全操作規(guī)范，自動化線的布局等自動化相關(guān)信息。

金屬切削過程中不可避免的伴隨著刀具磨損甚至破損的現(xiàn)象，在傳統(tǒng)的切削加工過程中，加工者一般通過切削聲音、刀具表面顏色或切屑狀態(tài)來判斷更換刀具的時(shí)機(jī)，然而這種判斷是建立在主觀經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，有時(shí)會由于更換刀具不及時(shí)，影響工件的加工表面質(zhì)量和尺寸精度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐晒ぜ膿p壞和機(jī)床故障；有時(shí)也會由于刀具更換過早，增加了刀具更換頻率，造成生產(chǎn)成本的提高和生產(chǎn)效率的下降。本方案使用接觸式的檢測方法，可以快速準(zhǔn)確判斷出斷刀，并且通過系統(tǒng)軟件控制，使機(jī)床產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信息，終止機(jī)床程序運(yùn)行，對產(chǎn)品質(zhì)量提供良好的保障。

圖9：安全護(hù)欄效果圖

8.加工中心和車銑復(fù)合機(jī)床的自動化改造。

加工中心和車銑復(fù)合機(jī)床原有的防護(hù)門是手動關(guān)閉，必須要進(jìn)行自動化改造，滿足機(jī)器人上下料的使用要求。通過增加自動門裝置，配置相應(yīng)的開關(guān)門感應(yīng)信號，增加系統(tǒng)plc控制軟件邏輯功能模塊以滿足自動門控制及與機(jī)器人配合上下料的動作要求。增加機(jī)器人I/O接頭單元，提供機(jī)器人系統(tǒng)與車床系統(tǒng)的通信。軟體功能包含：（1）M代碼的處理，及相關(guān)M代碼的完成邏輯；（2）機(jī)床請求更換條件邏輯；（3）機(jī)器人與機(jī)床相關(guān)交互信號處理；（4）機(jī)床功能部件控制邏輯；（5）機(jī)床相關(guān)報(bào)警信息。

四、智能制造單元的教學(xué)應(yīng)用及后期規(guī)劃

1.可開設(shè)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)課程。

面向數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)的智能制造方向、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)、機(jī)電技術(shù)應(yīng)用等專業(yè)開設(shè)《數(shù)控系統(tǒng)編程與操作》、《多軸數(shù)控加工技術(shù)實(shí)訓(xùn)》、《機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)》、《機(jī)器人安裝、調(diào)試與維護(hù)實(shí)訓(xùn)》、《傳感器、伺服電機(jī)控制、氣動控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)》、《PLC編程控制實(shí)訓(xùn)》、《實(shí)時(shí)交互式虛擬仿真實(shí)訓(xùn)》等智能制造課程。

2.后期規(guī)劃。

現(xiàn)代轉(zhuǎn)備制造企業(yè)的生產(chǎn)是將多套設(shè)備通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)串聯(lián)起來，打造成為一個(gè)閉環(huán)的智能制造生產(chǎn)線。當(dāng)多套智能制造單元完成改造，職業(yè)院?？梢越ㄔO(shè)智能制造專業(yè)群數(shù)字孿生教學(xué)工廠，打造工業(yè)互聯(lián)中心，建設(shè)配套智能制造單元的軟件實(shí)訓(xùn)室和技能競賽的平臺，解決教學(xué)工位不足的問題，滿足智能制造技能競賽的需求。