面向機(jī)械制造業(yè)的工業(yè)4.0 技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

謝 峰，呂玉琳，雷小寶，耿 林

（安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230601）

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)、新能源、新材料和生物技術(shù)正在以極快的速度形成巨大的產(chǎn)業(yè)能力和市場(chǎng)，將使整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)體系提升到一個(gè)新的水平。在此背景下，德國(guó)率先提出了第四次工業(yè)革命，即工業(yè)4.0，這一概念正推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域的智能化水平達(dá)到全新的高度[1-2]。工業(yè)4.0 主要是通過(guò)利用網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)和通信技術(shù)相結(jié)合的方案，將制造業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型[3]。我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，但還不是制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，為此，我國(guó)于2015 年5 月提出了全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略文件《中國(guó)制造2025》[4]，旨在打造具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的制造強(qiáng)國(guó)。

為適應(yīng)國(guó)家這一發(fā)展戰(zhàn)略，高校必須培養(yǎng)能夠支撐該項(xiàng)計(jì)劃的人才隊(duì)伍[5-6]。本文在總結(jié)工業(yè)4.0 關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建和實(shí)施了面向機(jī)械制造業(yè)的工業(yè)4.0 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，作為機(jī)械和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)類(lèi)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐工業(yè)4.0 技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)也為機(jī)電領(lǐng)域工業(yè)4.0 技術(shù)的研究提供良好的設(shè)備支撐，并對(duì)機(jī)械和自動(dòng)化相關(guān)專(zhuān)業(yè)的“新工科”建設(shè)進(jìn)行有益的教學(xué)探索。

1 工業(yè)4.0 所涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)4.0 是一種以制造業(yè)為主，以智能設(shè)計(jì)為輔的工業(yè)革命，其主要目的是使用智能化的方法，并使用通信系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)空間系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化，然后再與物理信息相契合，使現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)逐漸趨于機(jī)電一體化和人工智能化[7-8]。

智能工廠、智能生產(chǎn)和智能物流是工業(yè)4.0 的三大主題，也是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代制造業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵，為實(shí)現(xiàn)這三大主題所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、自動(dòng)物流技術(shù)及制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）技術(shù)等。

1.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的智能生產(chǎn)和智能物流，離不開(kāi)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人可代替人來(lái)完成焊接、裝配、搬運(yùn)、打磨、拋光、注塑等生產(chǎn)制造工作，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率[9]，目前工業(yè)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電子、重型機(jī)械、模具生產(chǎn)等行業(yè)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，推動(dòng)了工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)把工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為搶占制造業(yè)市場(chǎng)、提升競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑，我國(guó)《中國(guó)制造2025》也將機(jī)器人作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

1.2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別等諸多領(lǐng)域。機(jī)器視覺(jué)主要用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，不僅具有人眼功能，還具有人腦的部分功能。即從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于工件的檢測(cè)、測(cè)量和控制[10-11]。

在制造業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，可利用攝像機(jī)將具體事物圖像輸入信息處理中心，對(duì)圖像中的顏色、亮度和分布狀況進(jìn)行綜合分析，而后再將此類(lèi)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)所拾取的圖像進(jìn)行特征分析。利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，一方面可與機(jī)器人、自動(dòng)機(jī)械等裝備相協(xié)作，進(jìn)行物料的自動(dòng)拾取、搬運(yùn)、碼垛、裝配等需要精確位置確定和定位的工作，另一方面可進(jìn)行加工零件表面質(zhì)量檢測(cè)、焊縫質(zhì)量檢測(cè)等零件加工質(zhì)量檢測(cè)工作，以滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的需要。

1.3 自動(dòng)物流技術(shù)

自動(dòng)物流技術(shù)是指充分利用各種機(jī)械和運(yùn)輸設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和綜合作業(yè)協(xié)調(diào)等技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)物流系統(tǒng)的整體規(guī)劃及技術(shù)應(yīng)用，使物流的相關(guān)作業(yè)和內(nèi)容省力化、效率化、合理化，快速、精準(zhǔn)、可靠、自動(dòng)地完成工件在各工位間的輸送。

在機(jī)械制造業(yè)中，有多種形式的自動(dòng)物流設(shè)備，如：AVG 小車(chē)、桁架機(jī)械手、積放式滾筒輸送線、RGV等。其中，AVG 小車(chē)具有靈活性、智能化等特點(diǎn)，同時(shí)能夠方便地重組系統(tǒng)，達(dá)到柔性化運(yùn)輸?shù)哪康?，因而得到越?lái)越廣泛的應(yīng)用。

1.4 MES 技術(shù)

MES（manufacturing execution system）即制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)，是一套面向制造企業(yè)車(chē)間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)[12]。MES 系統(tǒng)的首要任務(wù)是建立一個(gè)扎實(shí)、可靠、全面的制造協(xié)同管理系統(tǒng)。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，MES 系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，通過(guò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)各硬件設(shè)備信號(hào)間的相互交互，從而控制每個(gè)設(shè)備機(jī)構(gòu)和閥島。

2 工業(yè)4.0 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

通過(guò)上述對(duì)工業(yè)4.0 關(guān)鍵技術(shù)的分析可知，工業(yè)4.0 技術(shù)的核心就是“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”。因此，工業(yè)4.0 背景下的“制造”的內(nèi)涵大大擴(kuò)展了，由原來(lái)強(qiáng)調(diào)單臺(tái)設(shè)備的自動(dòng)化，變成制造系統(tǒng)內(nèi)各制造單元的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化。本文據(jù)此并應(yīng)用上述分析的工業(yè)4.0 的四種關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)了面向機(jī)械制造業(yè)的工業(yè)4.0 技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 面向機(jī)械制造業(yè)的工業(yè)4.0 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括：兩臺(tái)六自由度FUNAC 機(jī)器人及其夾持裝置、一條伺服控制皮帶輸送線、一臺(tái)激光打標(biāo)機(jī)、一臺(tái)鉆銑加工中心、一輛AGV 小車(chē)（含AGV調(diào)度系統(tǒng)）及6 m×8 m 的磁道、一個(gè)數(shù)字料架等，構(gòu)成了一個(gè)面向制造業(yè)的自動(dòng)機(jī)加工系統(tǒng)?？刂圃摷庸は到y(tǒng)的MES 系統(tǒng)的硬件部分包括：一臺(tái)工控機(jī)、一套控制柜、一臺(tái) SIEMENS S7-1200 PLC、一臺(tái)SIEMENS 精簡(jiǎn)HMI、一臺(tái)55 英寸顯示屏、一套AGV車(chē)載RFID 存儲(chǔ)器，以及兩套讀寫(xiě)器。在皮帶輸送線的上方安裝了一臺(tái)FUNAC 工業(yè)相機(jī)，該相機(jī)和皮帶輸送線的伺服電機(jī)相配合，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)輸送帶上任意位置工件的自動(dòng)拾取。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備布置圖

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械零件的自動(dòng)拾取、打標(biāo)、輸送、加工、存放、加工信息存儲(chǔ)及顯示等功能，具體流程如下：

（1）將待加工件放在傳送帶上，傳送帶自動(dòng)將物料送至另一端（此過(guò)程不綁定數(shù)據(jù)）。

（2）視覺(jué)機(jī)器人根據(jù) MES 系統(tǒng)要求的加工數(shù)量，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)抓取待加工件（此時(shí)計(jì)數(shù)并比對(duì)）。

（3）帶視覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)器人將抓取的待加工件送至打標(biāo)機(jī)打標(biāo)位置，打標(biāo)機(jī)根據(jù)MES 的要求（格式和數(shù)據(jù)）打標(biāo)，打標(biāo)完成后，將打標(biāo)序列號(hào)與工件綁定，該信息存入MES 數(shù)據(jù)庫(kù)。

（4）打標(biāo)完成后，視覺(jué)機(jī)器人將工件放置在位置Ⅰ處的AGV 小車(chē)上，并通過(guò)RFID 讀寫(xiě)器將相關(guān)信息存入TAG 中，裝有工件的 AGV 小車(chē)運(yùn)行至下一工位（位置Ⅱ）。

（5）AGV 小車(chē)運(yùn)行至位置Ⅱ后，搬運(yùn)機(jī)器人抓取工件，并通過(guò)RFID 讀取TAG 數(shù)據(jù)，綁定至機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)中。搬運(yùn)機(jī)器人將加工件放入加工中心，并將加工件識(shí)別碼與加工中心的數(shù)據(jù)塊綁定在一起。

（6）加工中心根據(jù)MES 系統(tǒng)發(fā)出的加工指令和該工件所需的加工信息進(jìn)行機(jī)床工裝的控制和工件的加工。

（7）加工完成后，搬運(yùn)機(jī)器人將加工件取出，同時(shí)讀取加工數(shù)據(jù)，并與工件序列號(hào)綁定，判斷合格信息。根據(jù)合格信息，判斷加工件如何處置，將不合格件扔入廢料箱，將合格件放入數(shù)字料架，并將數(shù)字料架的信息與序列號(hào)唯一綁定，存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

（8）AGV 小車(chē)運(yùn)行至位置Ⅲ（等待位），接受MES 系統(tǒng)的出發(fā)指令，同時(shí)通過(guò)55 英寸顯示屏實(shí)時(shí)顯示整個(gè)加工過(guò)程。至此一個(gè)加工循環(huán)結(jié)束。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作流程如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作流程圖

3 工業(yè)4.0 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)的搭建

由前述可知，要保證該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各設(shè)備間信息的相互通信和有效控制，離不開(kāi)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)作為該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心，是要保證平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)扎實(shí)、可靠和全面的制造協(xié)同管理。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件部分主要包括PLC、機(jī)器人控制器以及各種傳感器等?？傮w設(shè)計(jì)分為三層：執(zhí)行層位于最上層，主要通過(guò)工控機(jī)搭建MES 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃管控、生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、物料管理和監(jiān)控；中層為控制層，PLC 為其核心，采用PROFINET 總線通信，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集，控制自動(dòng)化設(shè)備的起動(dòng)和停止；實(shí)施層為底層，通過(guò)各種自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備形成自動(dòng)生產(chǎn)線，負(fù)責(zé)完成相應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

執(zhí)行層MES 系統(tǒng)通過(guò)OPC-UA 協(xié)議與主控PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的統(tǒng)計(jì)分析模塊，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)和分析。MES 系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)狀況和數(shù)據(jù)，也可控制部分底層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的可視化、可控化?？刂茖硬捎肧IEMENS S7-1200 系列PLC 作為主控制器，支持以太網(wǎng)接口，使用PROFINET、MODBUS TCP/IP 或PROFIBUS 分布式I/O 機(jī)架與各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)直接或間接的數(shù)據(jù)交換。對(duì)于無(wú)以太網(wǎng)接口的設(shè)備，如視覺(jué)機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人，僅支持RS-232-C 接口，則采用PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)在主站和從站之間的數(shù)據(jù)交換。MES 系統(tǒng)結(jié)合主控PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備的調(diào)度和控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)柔性，實(shí)現(xiàn)了智能化生產(chǎn)。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)于2017 年10 月建成，可為“金工實(shí)習(xí)”“機(jī)器人技術(shù)”“測(cè)試技術(shù)”“機(jī)電一體化設(shè)計(jì)”等相關(guān)課程，以及“機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)”“畢業(yè)設(shè)計(jì)”提供實(shí)驗(yàn)支持。所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：

（1）工業(yè)4.0 關(guān)鍵技術(shù)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)；

（2）機(jī)器人示教編程實(shí)驗(yàn)；

（3）機(jī)器人碼垛實(shí)驗(yàn)；

（4）機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)抓取工件實(shí)驗(yàn)；

（5）AGV 小車(chē)電磁導(dǎo)引循跡控制實(shí)驗(yàn)；

（6）零件表面打標(biāo)實(shí)驗(yàn)；

（7）PLC 的編程與通信；

（8）MES 管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

上述8 類(lèi)實(shí)驗(yàn)都可在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已有的設(shè)備和控制系統(tǒng)上完成。由于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成方案來(lái)源于對(duì)現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的模擬，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容具有較強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)用性，激發(fā)了學(xué)生對(duì)工業(yè)4.0 技術(shù)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)《中國(guó)制造2025》中，智能制造、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)及高端裝備制造、集成電路、新能源等被作為大力發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，機(jī)械工程學(xué)科要主動(dòng)適應(yīng)這一國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，就要擴(kuò)展“制造”的內(nèi)涵及機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的邊界。本文介紹的面向機(jī)械制造業(yè)的工業(yè)4.0 技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，正是在這樣的背景下開(kāi)發(fā)的。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自2017 年10 月建成以來(lái)，得到學(xué)生和專(zhuān)家的一致好評(píng)，有助于學(xué)生了解機(jī)械制造業(yè)最新的工業(yè)控制技術(shù)，也有助于提高我校機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)科人才培養(yǎng)水平。