基于Equator的智能在線檢測實驗教學平臺開發(fā)①

熊婧輝,王 群,郭 敏,楊建新

(清華大學基礎工業(yè)訓練中心，北京 100084)

0 引 言

近年來實踐教育日益提上教學改革的日程，提高學生的動手能力，培養(yǎng)學生的操作意識，接軌企業(yè)真實的生產(chǎn)場景已經(jīng)成為教學的必然趨勢。主要介紹了基于Equator的智能在線監(jiān)測平臺進行實踐教學開發(fā)相關內容。

產(chǎn)品質量是企業(yè)的生命線，提高質量能加強企業(yè)在市場中的競爭力,并帶來相應的利潤回報。機械制造的質量控制在智能制造中起到越來越重要的作用，機械制造業(yè)對生產(chǎn)技術要求非常嚴格，產(chǎn)品必須滿足國家標準規(guī)定的幾何形狀、尺寸公差、形位公差、粗糙度等各種要求。

國內學者在在線檢測領域已有一定的研究，尚志紅等探討了第三方檢測實驗室在線檢測的業(yè)務模式，闡述了通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)在線檢測的基本流程[1]。楊嘉鑫等針對家電產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的出廠檢測環(huán)節(jié)設計了一套在線檢測系統(tǒng)，探討了出廠檢測的數(shù)據(jù)處理方案，解決了數(shù)據(jù)大量、異構、冗雜和時效性等難題[2]。周阿維等探討了在物聯(lián)網(wǎng)為基礎的數(shù)字化工廠中，可適用于多種檢測設備的數(shù)字化零件質量信息采集系統(tǒng)[3]。

1 Equator的智能在線檢測實驗平臺

新形勢下，高校課程教學需面向工程實際，強化實踐教學環(huán)節(jié)，以滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要。開發(fā)了基于Equator比對儀的智能在線檢測實驗平臺，在高校實驗教學中實現(xiàn)零件的接觸式快速批量檢測。

1.1 平臺搭建

平臺主要由Equator比對儀，人機協(xié)作機器人，視覺，控制系統(tǒng)及相應的工裝夾具等組成。分為兩大功能模塊：Equator比對儀、人機協(xié)作機器人、貨架、控制系統(tǒng)自成系統(tǒng)，便于日常教學的開展；Equator比對儀、人機協(xié)作機器人、視覺、滾筒、控制系統(tǒng)與數(shù)字化工廠的MES、AGV小車對接，保證數(shù)字化工廠的正常運行。該平臺(如圖1所示)能自動識別不同產(chǎn)品，并調取相應檢測程序進行檢測。

圖1 基于Equator的智能在線檢測平臺

1.2 原理及測量過程

基于Equator比對儀的批量檢測是一種比對測量方法，該檢測技術在某些手機制造企業(yè)、3C企業(yè)得以驗證并實際運用于生產(chǎn)中。其比對過程主要分為黃金件比對和坐標測量機(CMM)比對。如采用黃金件比對，則必須根據(jù)圖紙標稱值生產(chǎn)標準(黃金)件，比對儀會將測量結果與圖紙的標稱值進行比對后輸出結果，但實際生產(chǎn)中，很難按照繪圖標稱尺寸生產(chǎn)出標準件，實現(xiàn)起來較為困難。而采用坐標測量機比對，則相對較易實現(xiàn)，任何工件都可指定為標準件，因為比對過程中會在坐標測量機上測量標準件，以獲得“真實”尺寸，然后，將生產(chǎn)工件與坐標測量機測得的標準件“真實”尺寸進行比對。實驗教學中，采用CMM比對測量方式，測量過程如圖2所示。

圖2 CMM比對測量

1.3 工件托盤的特殊固定方式

托盤采用鋁合金材質。對于托盤的設計，考慮到工裝的通用性和穩(wěn)定性，易操作和維護，且盡可能一種托盤滿足多種工件的定位裝夾。該實驗平臺主要用到三種類型的平臺。

1.3.1 貨架上的托盤

考慮到該實驗平臺上貨架上的托盤需同時容納蝸輪蝸桿減速器端蓋和箱體兩種工件，我們設計了端蓋、箱體前后擺放結構的托盤(如圖3所示)?；谠诰€檢測需求，平臺需準確判別對應工作位置處是否有端蓋或箱體擺放在此。托盤上放置了壓力傳感器，當有端蓋或箱體時，壓力傳感器能迅速將信號傳到智能制造調度控制軟件，在相應軟件界面上能夠看到對應信息。

圖3 貨架托盤

1.3.2 比對儀上的托盤

該處托盤同樣需適應箱體、端蓋兩種工件的定位，托盤設計面積有限，每次僅可檢測一種工件。需確保托盤的三爪行程能適應箱體和端蓋的大小并夾緊工件(如圖4所示)。當機器人抓取工件放置在該托盤上時，三爪張開夾緊工件，同時氣缸將該托盤推到比對儀工作區(qū)域。

1.3.3 工件方向轉換用托盤

該平臺空間較小，對于無法設置專門的工件轉向機構，為此，在傳送帶上裝了小型托盤(如圖5所示)，專供箱體轉向使用，其設計則只需考慮箱體形狀和尺寸，但該托盤在產(chǎn)線中的固定位置一定不能妨礙線體運行，且需穩(wěn)固不可移動。

1.4 智能制造調度控制軟件

該平臺用的調度軟件基于Windows NT的實時控制軟件，實現(xiàn)工藝流程自動化控制功能。智能制造調度控制系統(tǒng)是系統(tǒng)設備層的控制中心，實現(xiàn)各單元設備的智能調度、狀態(tài)讀取、數(shù)據(jù)采集等功能。

系統(tǒng)采用MVC框架設計，運行核心機制采用狀態(tài)反饋驅動機制，支持定制化加工、柔性化調度、并行生產(chǎn)及混流生產(chǎn)等先進生產(chǎn)模式；并具備智能化和柔性化調度特點；通過Web服務開放系統(tǒng)接口，實現(xiàn)與MES系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)集成。

該檢測平臺中，軟件功能包括：(1)通過機器人、視覺、PLC系統(tǒng)、測量儀通訊接口等，實現(xiàn)機器人自動上下料調度控制及狀態(tài)獲??；(2)自動切換比對儀測量模塊進行在線測量，也可以獲取比對儀測量結果；(3)系統(tǒng)界面人機交互友好，實現(xiàn)訂單的簡單排產(chǎn)，可根據(jù)實際需要將訂單提前或者推后加工，支持智能模糊搜索訂單，實現(xiàn)訂單的可視化管理；(4)可實時掌握每個單元設備的工作狀態(tài)，能實時查看訂單生產(chǎn)進度，細化到每個工步開始時間及結束時間，對應的加工單元設備，為后續(xù)產(chǎn)品的追蹤溯源提供數(shù)據(jù)支持。

1.5 人機協(xié)作機器人

該平臺主要應用于高校實踐教學，考慮到應用場景以及平臺后續(xù)的開發(fā)拓展，基于協(xié)作機器人具有安全特性、拖曳示教、部署靈活以及簡單易用的特點[4]。工作站在設計中并沒有選用傳統(tǒng)的機器人，而是選用了人機協(xié)作機器人，它的結構緊湊，源代碼完全開放，采用標準通訊協(xié)議，提供TCP/IP和Modbus兩種通訊方式、Intera(可升級)人機協(xié)作軟件平臺，方便進行二次開發(fā)。每一個關節(jié)都有高分辨率的力度傳感器安全性以及可操作性更強。

2 平臺實踐結果

1)平臺的行走機構設計合理，在平臺的3個站點，機器人能抓取到貨架上的工件，并能放置到比對儀托盤上。有效工作行程可達1650mm。在超行程的情況下，系統(tǒng)報錯，停止運行。調至手動模式后，移動機器人，能快速糾正，保證平臺的后續(xù)運行。

2)貨架的18個工位上，將兩種不同工件放置到托盤，托盤與工件之間約1mm的間隙，機器人夾爪能正常抓取不碰撞。機器人將工件放置比對儀托盤時，托盤大小合適，且利用氣動卡盤方式，工件裝夾牢固。

3)在平臺軟件上連續(xù)下發(fā)18個訂單，工件分別為減速器端蓋和減速器殼體，平臺通過傳感器正確識別到工件，命令機器人抓取，放置Equator上進行檢測，測完后，機器人將工件放置合格/不合格區(qū)域。整個測試過程，平臺運行穩(wěn)定，未發(fā)生信號傳輸中斷、機器人運動跑偏、比對儀程序調取失誤等情況。

4)運行后，調取檢測報告，比對平臺對18個工件合格/不合格的分揀結果。經(jīng)驗證，18個工件合格/不合格分揀結果正確。

5)平臺檢測數(shù)據(jù)上傳到現(xiàn)場監(jiān)控模塊，電子看板可實時顯示工件合格情況(如圖6所示)，如出現(xiàn)不合格件，可及時去現(xiàn)場處理。

圖6 現(xiàn)場監(jiān)控

6)每次檢測的數(shù)據(jù)自動同步到數(shù)據(jù)庫進行存儲，并定期進行SPC分析，掌握數(shù)字化工廠加工運行情況并予以改進。

3 平臺應用

基于實驗室現(xiàn)有條件及中心整體發(fā)展規(guī)劃，對于檢測實驗的設計，以融入數(shù)字化工廠的整體設計為指導思想，運用傳統(tǒng)檢測與先進檢測手段相結合的方式，實現(xiàn)對某一批工件的在線檢測，以及次品報警、可追溯管理和數(shù)據(jù)采集等數(shù)字化質量管理，在實驗教學中，加深本科生對幾何精度、過程控制、質量管理等的理解。

但受限于機器人卡爪以及工件的定位方式，不能做到產(chǎn)品的快速迭代。后期平臺實踐考慮將嘗試將機器人手爪從專用手爪調整為通用手爪，并在機器人上加裝工業(yè)相機幫助機器人精準抓取工件，實現(xiàn)硬定位到軟定位的轉換，讓平臺更智能更柔性。

課程中我們對環(huán)節(jié)和內容進行了整合、調整。以數(shù)字化工廠中產(chǎn)品——減速器，其端蓋為檢測對象，從產(chǎn)品生命周期的角度，對端蓋的手工測繪—建模—首件試切—批量生產(chǎn)—批量檢測，開展實驗教學活動，其流程見圖7。在教學過程中，讓學生了解現(xiàn)代檢測的發(fā)展，理解檢測與整個智能制造的從屬關系，以及比對檢測的適用場合。同時，注重學生對產(chǎn)品的質量進行分析，提出工藝改進建議。旨在讓學生理解檢測在智能制造中存在的意義，以及通過對生產(chǎn)過程進行分析評價。

圖7 2019年暑期金工實習檢測模塊教學流程

4 結 語

目前國內很多制造車間，檢驗現(xiàn)場仍沿用傳統(tǒng)的檢測模式，檢測工具絕大多數(shù)仍采用游標卡尺、百分表、千分尺等常規(guī)量器具進行手工檢測，檢測過程、結果受人為因素影響較大[5]。高校實驗室中，類似的實驗教學平臺較少，在本平臺的開發(fā)過程中，主要借鑒企業(yè)真實生產(chǎn)場景，結合高校教學特點進行調整，讓學生更易參與。

借助智能在線檢測實驗平臺，我們將先進的檢測技術和理念傳輸給學生。學生通過直接體驗智能制造中的先進測量技術，近距離的走進數(shù)字化測量的基本流程和應用，從而了解測量技術的發(fā)展和應用，進而培養(yǎng)學生的實踐能力和質量意識。

檢測技術是提高產(chǎn)品質量的關鍵所在，檢測技術的不斷完善，不但提升了機械制造產(chǎn)品質量，同時也促進整個機械制造業(yè)的高速發(fā)展。通過實踐學習，學生對于制造中檢測技術的應用有了直觀的認識，深入了解其背后的知識，如檢測技術發(fā)展現(xiàn)狀、質量管控在生產(chǎn)中的作用等等。隨著在線測量技術的廣泛應用，還有如高準確度傳感器的研制、測量策略和數(shù)據(jù)處理策略的優(yōu)化等問題的解決，在線測量技術會有更好的發(fā)展，教學內容也會不斷發(fā)展和更新，以適應新時期的高等教育教學要求。