智能制造生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用研究

李野

摘要：結(jié)合工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)、上下料領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，將工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化立體倉庫、AGV小車、自動(dòng)加工單元、自動(dòng)檢測(cè)單元、自動(dòng)裝配單元、PLC、信息管理系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，形成一套能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)智能生產(chǎn)的生產(chǎn)線系統(tǒng)，通過該產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)主要零件的自動(dòng)加工、檢測(cè)、標(biāo)識(shí)處理、裝配等工序，通過該生產(chǎn)線的建立，為機(jī)器人在智能制造生產(chǎn)線的教學(xué)應(yīng)用提供一種創(chuàng)新、有效的解決方案，為后續(xù)智能制造方向的人才培養(yǎng)提供一套全面有效的應(yīng)用支撐。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;生產(chǎn)線;智能制造;實(shí)訓(xùn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP309? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0197-03

0? 引言

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)方式的變革，生產(chǎn)過程不再是流水形式，而更傾向于離散式，能夠根據(jù)市場(chǎng)的需求進(jìn)行定制化生產(chǎn)，從而滿足市場(chǎng)的需求，而智能生產(chǎn)線更應(yīng)該具備靈活、高效、智能，而隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)生線線的要求也越來越高，同時(shí)對(duì)數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求也越發(fā)明顯。而在生產(chǎn)過程中勢(shì)必離不開加工、檢測(cè)、裝配、物料周轉(zhuǎn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的靈活、有機(jī)的結(jié)合，將最大程度的實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)用效率，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，通過機(jī)器人及信息管理系統(tǒng)的接入，最大限度的降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，著實(shí)的做到了提質(zhì)、降本、增效的目的[1-3]。

1? 系統(tǒng)的組成

該智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)合智能立體倉庫、物料輸送單元、全自動(dòng)加工單元、全自動(dòng)檢測(cè)單元、激光標(biāo)識(shí)單元、自動(dòng)裝配單元、AGV系統(tǒng)及信息管理系統(tǒng)形成一套完成的智能生產(chǎn)線單元，同時(shí)借助PLC系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)分系統(tǒng)的協(xié)同工作，在該系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)伺服電機(jī)的殼體、前端蓋、后端蓋、電機(jī)軸的全自動(dòng)加工過程，同時(shí)通過檢測(cè)單元能夠完成電機(jī)軸的自動(dòng)檢測(cè)，激光標(biāo)識(shí)單元能夠?qū)崿F(xiàn)智能生產(chǎn)線的定制化處理，能夠完成產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)跟蹤，自動(dòng)裝配單元能夠?qū)崿F(xiàn)軸承的全自動(dòng)壓緊裝配，同時(shí)通過直角坐標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)，能夠完成電機(jī)前端蓋、后端蓋的全自動(dòng)螺釘鎖緊裝配過程，生產(chǎn)過程的物料全部通過AGV系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)周轉(zhuǎn)。

根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)及生產(chǎn)工藝流程要求，對(duì)生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行合理的規(guī)劃，最終形成了智能存儲(chǔ)單元、智能加工單元、智能檢測(cè)與標(biāo)識(shí)單元、物流周轉(zhuǎn)單元、全自動(dòng)裝配單元、信息管理調(diào)度控制系統(tǒng)六個(gè)核心區(qū)域，系統(tǒng)布局圖如圖1所示。

通過該系統(tǒng)能夠有效的完成伺服電機(jī)的自動(dòng)加工、裝配及存儲(chǔ)過程。

1.1 智能存儲(chǔ)單元

智能存儲(chǔ)單元采用智能立體庫進(jìn)行貨物的自動(dòng)存儲(chǔ)過程，通過立體倉庫能夠?qū)崿F(xiàn)毛坯、半成品、成品、裝配過程標(biāo)準(zhǔn)件等貨物的自動(dòng)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)方式采用專用托盤結(jié)構(gòu)，不同的產(chǎn)品形態(tài)會(huì)放置到專用的托盤工裝上，托盤信息記錄采用現(xiàn)代比較流行的RFID技術(shù)，對(duì)托盤的物料信息進(jìn)行記錄，通過每道生產(chǎn)工序完成生產(chǎn)后，會(huì)自動(dòng)的更新托盤信息，托盤流轉(zhuǎn)到后續(xù)工序，通過RFID讀碼器進(jìn)行讀碼，確定物料信息，然后再根據(jù)物料信息進(jìn)行工序的生產(chǎn)。智能存儲(chǔ)單元預(yù)設(shè)有三個(gè)對(duì)接接口，可以實(shí)現(xiàn)與加工生產(chǎn)線自動(dòng)對(duì)接，同時(shí)預(yù)留兩個(gè)AGV系統(tǒng)對(duì)接接口，可以實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)產(chǎn)品的自動(dòng)出、入庫對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)物料的閉環(huán)管理。

1.2 智能加工單元

智能加工單元通過搬運(yùn)機(jī)器人與數(shù)控加工機(jī)床結(jié)合，實(shí)現(xiàn)零件的全自動(dòng)加工過程，該系統(tǒng)通過一臺(tái)配備有外部移動(dòng)軌道的六軸機(jī)器人與三臺(tái)機(jī)床（一臺(tái)數(shù)控加工中心、兩臺(tái)數(shù)控車床）實(shí)現(xiàn)四種零件的全自動(dòng)加工過程，并在加工過程配合換面模塊、對(duì)中模塊實(shí)現(xiàn)零件的方向轉(zhuǎn)換與對(duì)正，同時(shí)通過快換夾具單元實(shí)現(xiàn)不同夾手的快速更換，從而實(shí)現(xiàn)不同零件間的自動(dòng)抓取過程。通過總控模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與機(jī)床的自動(dòng)調(diào)度控制[4]，機(jī)床與總控系統(tǒng)間形成交互信息如表1所示。

1.3 智能檢測(cè)與標(biāo)識(shí)單元

智能檢測(cè)系統(tǒng)通過光學(xué)檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)軸的自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)配備自動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)，確保檢測(cè)過程中對(duì)待檢測(cè)的電機(jī)軸進(jìn)行軸向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)階梯軸各段軸徑的自動(dòng)檢測(cè)，在該檢測(cè)系統(tǒng)中采用基恩士的LS-7000傳感器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸的自動(dòng)檢測(cè)，該傳感器通過遠(yuǎn)心鏡頭HL-CCD的光學(xué)系統(tǒng)，能幫助達(dá)到常規(guī)測(cè)微計(jì)的雙倍速度和精度，測(cè)量精度可達(dá)±2μm，測(cè)量最大的檢測(cè)直徑可達(dá)65mm，將測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄到PLC系統(tǒng)中，并將數(shù)據(jù)寫入RFID卡中，為后續(xù)軸的進(jìn)一步加工提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，標(biāo)識(shí)系統(tǒng)通過激光打標(biāo)機(jī)，對(duì)伺服電機(jī)殼體進(jìn)行標(biāo)識(shí)處理，通過激光打標(biāo)機(jī)的上位機(jī)與信息管理系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)定制的標(biāo)識(shí)處理，該信息管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)寫入激光打標(biāo)機(jī)上位機(jī)系統(tǒng)中，激光打標(biāo)機(jī)上位機(jī)通過內(nèi)部軟件處理，將信息轉(zhuǎn)化成二維碼信息，并利用自身的標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二維碼打標(biāo)，完成定制化的信息輸入，后期通過掃描二維碼即可得到產(chǎn)品的信息。

1.4 物流周轉(zhuǎn)單元

物流周轉(zhuǎn)單元利用輥筒輸送機(jī)、AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、托盤站臺(tái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)獨(dú)立單元間的物料自動(dòng)周轉(zhuǎn)，AGV系統(tǒng)自帶舉升功能，實(shí)現(xiàn)物料托盤的自動(dòng)舉升與降落。AGV系統(tǒng)通過信息管理系統(tǒng)接受取貨-送貨任務(wù)指令，同時(shí)AGV系統(tǒng)采用二維碼的導(dǎo)航系統(tǒng)，僅需要在AGV的行走軌跡上粘貼關(guān)鍵點(diǎn)位二維碼即可，既不破壞地面后期維護(hù)簡(jiǎn)便。AGV系統(tǒng)與輥筒輸送機(jī)、托盤站臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)托盤的自動(dòng)裝載過程，AGV車體托舉托盤輸送到指定位置，通過車體上的舉升裝置自動(dòng)落下，將貨物托盤自動(dòng)放置到指定位置。通過AGV系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)物料托盤在多個(gè)工位間靈活傳輸，使生產(chǎn)過程更加靈活、方便，不再受限于傳輸方向的影響。

1.5 全自動(dòng)裝配單元

全自動(dòng)裝配單元，用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸的支撐軸承裝配和電機(jī)殼體與前后端蓋的自動(dòng)擰螺釘過程，電機(jī)軸的支撐軸承裝配，采用專用的軸承壓緊裝置，實(shí)現(xiàn)兩端軸承的自動(dòng)壓裝過程，通過機(jī)器人系統(tǒng)，將軸自動(dòng)放置道軸承壓緊裝置上，啟動(dòng)軸承壓緊裝置，完成兩個(gè)軸承的自動(dòng)壓緊過程。擰螺釘裝配過程，采用直角坐標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)，同時(shí)配備自動(dòng)擰緊電批，實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)淖詣?dòng)擰緊過程，螺釘通過自動(dòng)震動(dòng)料倉實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喂料，擰緊電批通過磁性批頭對(duì)螺釘進(jìn)行準(zhǔn)確抓取，并按照預(yù)定的示教位置，準(zhǔn)確的完成8棵螺釘?shù)淖詣?dòng)擰緊過程，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)殼體與前后端蓋的自動(dòng)裝配過程。

1.6 信息管理調(diào)度控制

系統(tǒng)管理調(diào)度系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)與智能存儲(chǔ)單元、AGV系統(tǒng)、智能加工單元、智能檢測(cè)標(biāo)識(shí)單元、全自動(dòng)裝配單元五個(gè)系統(tǒng)間信息傳遞與過程控制，并能對(duì)下發(fā)生產(chǎn)任務(wù)訂單進(jìn)行過程監(jiān)控，查看生產(chǎn)訂單的完成工序，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備監(jiān)控，并在該系統(tǒng)中能夠完成設(shè)備維護(hù)維修管理，并實(shí)現(xiàn)定期的信息提示。

2? 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，系統(tǒng)下發(fā)生產(chǎn)任務(wù)，生產(chǎn)任務(wù)由三部分內(nèi)容組成，分別為加工任務(wù)、檢測(cè)標(biāo)識(shí)任務(wù)、裝配任務(wù)，三個(gè)任務(wù)訂單分別對(duì)應(yīng)三個(gè)獨(dú)立的生產(chǎn)單元即智能加工單元、智能檢測(cè)與標(biāo)識(shí)單元、全自動(dòng)裝配單元，三個(gè)獨(dú)立的單元系統(tǒng)都配備有獨(dú)立的PLC系統(tǒng)，用于完成獨(dú)立單元內(nèi)的設(shè)備控制與使用，同時(shí)將信息上報(bào)給信息管理系統(tǒng)，另外信息管理系統(tǒng)通過庫存信息及生產(chǎn)訂單情況，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)度各個(gè)單元生產(chǎn)完成物料送至區(qū)域，最終完成產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。

3? 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

整個(gè)智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)通過系統(tǒng)層、控制層、執(zhí)行層三個(gè)方面進(jìn)行管理與控制，系統(tǒng)層對(duì)數(shù)據(jù)及任務(wù)進(jìn)行管理，同時(shí)下發(fā)并接受控制層上傳信息，對(duì)信息進(jìn)行分析處理及顯示，控制層對(duì)數(shù)據(jù)及任務(wù)進(jìn)行分級(jí)處理并指導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作操控，同時(shí)對(duì)完成任務(wù)進(jìn)行上傳。執(zhí)行層即最終完成與實(shí)現(xiàn)具體動(dòng)作并在完成動(dòng)作任務(wù)后進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)具體任務(wù)的上傳，通過三層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以清晰明了的進(jìn)行信息交互、指令控制、動(dòng)作反饋，從而使智能制造生產(chǎn)線能夠有機(jī)協(xié)調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖3所示。

在智能生產(chǎn)線系統(tǒng)中，各個(gè)獨(dú)立單元通過PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制過程，同時(shí)通過信息管理系統(tǒng)進(jìn)行各個(gè)單元間協(xié)調(diào)控制與調(diào)度，同時(shí)信息管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生產(chǎn)信息、生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)流程、設(shè)備狀態(tài)、機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)信息進(jìn)行跟蹤與實(shí)時(shí)顯示。在本系統(tǒng)中各個(gè)獨(dú)立單元與各設(shè)備間采用不同的網(wǎng)絡(luò)交互協(xié)議，系統(tǒng)層與控制層采用OPC、TCP/IP的交互方式，控制層與各控制單元采用profinet總線、IO的交互方式[5]，智能生產(chǎn)線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交互如圖4所示。

4? 結(jié)束語

該智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)以伺服電機(jī)為載體，能夠支持多個(gè)獨(dú)立單元的運(yùn)行，同時(shí)又能夠完成整線的自動(dòng)生產(chǎn)過程，該套系統(tǒng)中將智能制造過程中應(yīng)用的多種制造設(shè)備及生產(chǎn)工藝融合在一起，使實(shí)訓(xùn)學(xué)員能夠?qū)Χ鄠€(gè)領(lǐng)域和生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)踐實(shí)訓(xùn)，為更進(jìn)一步的理解智能制造的概念，為其后期在工作中更好的應(yīng)用智能制造方法，提供了一種良好的實(shí)踐設(shè)備。同時(shí)，該套系統(tǒng)也為智能制造方向的實(shí)訓(xùn)提供了一個(gè)系統(tǒng)、全面的生產(chǎn)應(yīng)用模式，而該模式的應(yīng)用也會(huì)對(duì)未來智能制造的發(fā)展提供一種應(yīng)用支撐。

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