柔性生產(chǎn)線功能單元組成及機(jī)電控制設(shè)計(jì)

劉昌鵬

(惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 惠州 516000)

0 引言

近年來，我國的社會經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展，人們的生活水平顯著提高，社會對于生產(chǎn)生活用品的需求逐漸由過去的大批量生產(chǎn)向小批量訂單式生產(chǎn)和個(gè)性化定制方向轉(zhuǎn)變，這對制造業(yè)的生產(chǎn)能力提出了更高的要求，隨著《中國制造2025》規(guī)劃的逐步實(shí)施，我國的制造業(yè)也正快速進(jìn)行技術(shù)升級與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。柔性生產(chǎn)線是制造業(yè)針對現(xiàn)代化生產(chǎn)研究和應(yīng)用的新技術(shù)，其集成了自動化、通信、智能制造、生產(chǎn)線等眾多先進(jìn)技術(shù)，通過自動控制系統(tǒng)將生產(chǎn)線上眾多機(jī)床、輸送設(shè)備、執(zhí)行單元整合起來，形成一套技術(shù)復(fù)雜但適應(yīng)性極強(qiáng)的現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)，十分適合制造業(yè)針對不同用戶需求和產(chǎn)品快速更新?lián)Q代進(jìn)行生產(chǎn)方案調(diào)整，并能實(shí)現(xiàn)同一生產(chǎn)線同時(shí)生產(chǎn)不同型號、不同規(guī)格的同類產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的最大化利用。

1 柔性生產(chǎn)線的技術(shù)優(yōu)勢

1.1 生產(chǎn)力穩(wěn)定、應(yīng)變能力強(qiáng)

柔性生產(chǎn)線的最大優(yōu)勢就是具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，針對現(xiàn)階段制造類產(chǎn)品生命周期縮短、更新?lián)Q代頻繁的情況，柔性生產(chǎn)線能有效縮短制造類產(chǎn)品更新?lián)Q代造成的生產(chǎn)力下降問題，通過多種設(shè)備的組合生產(chǎn)，智能系統(tǒng)能夠優(yōu)先選擇適宜的加工方式，減少技術(shù)更新、產(chǎn)品換代過程生產(chǎn)流程調(diào)整與設(shè)備調(diào)試時(shí)間，且有利于提升產(chǎn)品的生產(chǎn)品質(zhì)，確保新產(chǎn)品及時(shí)搶占市場，提高企業(yè)的市場競爭力。

1.2 控制管理方便、調(diào)試便捷

柔性生產(chǎn)線不僅通過現(xiàn)代化的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各個(gè)設(shè)備的控制，還能實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，設(shè)備數(shù)據(jù)集中分析，自動化設(shè)備管理等功能。生產(chǎn)線的管理人員也能夠通過柔性生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)對各個(gè)工位的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看，通過調(diào)整控制方案實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方案的調(diào)整。通過信息互聯(lián)，針對柔性生產(chǎn)條件，使用者通過對某一設(shè)備調(diào)試后，可將調(diào)試方案應(yīng)用于全部相同設(shè)備，有效縮短設(shè)備調(diào)試時(shí)間，且控制系統(tǒng)能夠監(jiān)測各個(gè)設(shè)備的故障情況，能夠提醒工作人員及時(shí)處理故障或定期維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備。

1.3 更新?lián)Q代慢、使用經(jīng)濟(jì)性好

柔性生產(chǎn)線建立后，各個(gè)系統(tǒng)形成良好的匹配關(guān)系，能夠更好適應(yīng)特定產(chǎn)品的長時(shí)間產(chǎn)品更新對制造設(shè)備的需求，生產(chǎn)線整體呈現(xiàn)極強(qiáng)的應(yīng)變能力，能夠適應(yīng)大多數(shù)技術(shù)升級需求，不需在短時(shí)間內(nèi)更換過多設(shè)備，有效減少生產(chǎn)制造企業(yè)的設(shè)備更新支出。同時(shí)，柔性生產(chǎn)線具有一條生產(chǎn)線生產(chǎn)多個(gè)系列產(chǎn)品的能力，能夠充分利用企業(yè)有限場地條件，避免了企業(yè)沒有條件建立多條生產(chǎn)線的場地問題。

2 柔性生產(chǎn)線功能單元組成

2.1 柔性生產(chǎn)線的功能單元分類

針對制造類企業(yè)的生產(chǎn)線特點(diǎn)，柔性生產(chǎn)線根據(jù)不同的產(chǎn)品種類和流程存在一定差異，但總體上看功能單元的種類大致相同。柔性生產(chǎn)線主要包括搬運(yùn)單元、產(chǎn)品特征識別單元、加工制造單元、質(zhì)量檢測單元、品質(zhì)分揀單元、輸送單元、智能倉儲單元、集成控制系統(tǒng)幾大類(圖1)[1]。

圖1 柔性生產(chǎn)線的主要功能單元

集成控制系統(tǒng)主要用于控制和協(xié)調(diào)各個(gè)生產(chǎn)工序的關(guān)系，使生產(chǎn)有序開展。大體的工作流程是，將待加工產(chǎn)品的原材料搬運(yùn)到待加工工位，產(chǎn)品特征識別單元的檢測裝置檢測和分析原材料種類特點(diǎn)后，進(jìn)行加工工藝的自動選擇，并通過加工制造單元進(jìn)行一次性或多次的原材料處理、加工制造環(huán)節(jié)。各個(gè)加工設(shè)備之間通過輸送單元的設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)加工零部件的轉(zhuǎn)移。各個(gè)工序加工完成后都有相應(yīng)的檢測設(shè)備對加工質(zhì)量進(jìn)行檢測，對于不合格產(chǎn)品由質(zhì)量分揀單元去除，加工完成的產(chǎn)品或零部件輸送到智能倉儲單元進(jìn)行自動分類存儲并記錄存儲位置、數(shù)量等信息。

2.2 各功能單元的技術(shù)特征

柔性生產(chǎn)線功能單元的場地布置關(guān)系如圖2所示，通過集成控制系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使整體生產(chǎn)線成為協(xié)調(diào)統(tǒng)一的智能控制體[2]。

圖2 柔性生產(chǎn)線功能單元現(xiàn)場布置關(guān)系

2.2.1 集成控制系統(tǒng)

集成控制系統(tǒng)是柔性生產(chǎn)線的神經(jīng)樞紐，負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程的協(xié)調(diào)工作，集成控制系統(tǒng)直接關(guān)聯(lián)各個(gè)工作設(shè)備，能夠?qū)υO(shè)備反饋的信息進(jìn)行分析處理，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)還具有良好的配合關(guān)系。集成控制系統(tǒng)的功能包括按照既定程序的自動控制，識別工作過程的特殊狀態(tài)，處理可能存在的故障問題，收集并記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，人機(jī)交互功能支持人工控制、調(diào)試、查詢數(shù)據(jù)等。

2.2.2 產(chǎn)品特征識別單元

產(chǎn)品特征識別是柔性生產(chǎn)線功能實(shí)施的重要保障，產(chǎn)品的特征識別能夠保證同一生產(chǎn)線生產(chǎn)不同產(chǎn)品生產(chǎn)過程的有效分類，有利于控制系統(tǒng)根據(jù)不同產(chǎn)品體系特征選擇適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)制造程序。特征識別單元通過視覺技術(shù)、傳感器技術(shù)、條碼識別技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品特征的有效識別。

2.2.3 搬運(yùn)單元及輸送單元

搬運(yùn)與輸送是原材料和加工產(chǎn)品轉(zhuǎn)移的兩種主要形式。搬運(yùn)單元主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有位置到目標(biāo)位置的空間轉(zhuǎn)移，包括抓取、提升、轉(zhuǎn)移、下降、釋放等動作，柔性生產(chǎn)線的搬運(yùn)工作主要通過機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的精準(zhǔn)搬運(yùn)，并實(shí)現(xiàn)物料的擺放、碼垛等功能需求；輸送單元主要是通過皮帶輸送機(jī)、輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)、鏈條輸送機(jī)等實(shí)現(xiàn)物料的水平或成角度轉(zhuǎn)移，輸送單元主要用于各個(gè)加工單元、檢測單元、分揀單元的連接，并配合完成部分生產(chǎn)加工工作。

2.2.4 加工、質(zhì)檢及分揀單元

加工、質(zhì)檢及分揀單元是配合工作的組合體。加工單元包括常規(guī)的機(jī)床設(shè)備、專用加工設(shè)備、清洗或表面處理等設(shè)備；質(zhì)檢單元包括對機(jī)械加工單元的精度檢測、表面狀態(tài)檢測、重量檢測、金屬含量檢測等；分揀單元主要用于去除生產(chǎn)線上產(chǎn)生的不合格產(chǎn)品，常用設(shè)備包括機(jī)械推板、分流輸送機(jī)、揀選機(jī)械臂等。在生產(chǎn)過程中，加工、質(zhì)檢及分揀單元的有機(jī)配合既保證了生產(chǎn)效率，又保證了生產(chǎn)質(zhì)量，是柔性生產(chǎn)線的主要工作單元。

2.2.5 智能倉儲單元

智能倉儲單元是針對生產(chǎn)線制造完成的成品進(jìn)行貯存的機(jī)械設(shè)備單元，通過現(xiàn)代化的智能倉儲技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的分類、分區(qū)存儲。具有標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、集成化特點(diǎn)，能夠完成成品或外加工完成零件的精確倉儲，并能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的倉庫自動調(diào)取、出庫等功能。

3 柔性生產(chǎn)線機(jī)電控制流程設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)的總體流程設(shè)計(jì)

柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)模式多樣化，因此，軟件系統(tǒng)的運(yùn)行流程應(yīng)充分考慮模式切換、正常狀態(tài)控制、應(yīng)急狀態(tài)處理、人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制、單機(jī)獨(dú)立控制等眾多工作條件。

軟件控制程序的編寫主要采用模塊化編寫技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)工序的正常開關(guān)機(jī)、工作邏輯控制，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、加工、檢測、分揀、輸送、智能倉儲等單元每個(gè)設(shè)備的獨(dú)立控制功能，并具備對故障設(shè)備的應(yīng)急處理能力，具備良好的人機(jī)交互開放性和程序升級空間。

3.2 系統(tǒng)的初始化功能

在整條柔性化生產(chǎn)線開機(jī)后，搬運(yùn)、加工、檢測、分揀、輸送、智能倉儲等單元的所有機(jī)械設(shè)備自動回到起始位置，如加工刀具歸位、伸縮氣缸或液壓缸歸位、機(jī)械手臂放松并歸位、輸送裝置停止、監(jiān)測裝置通電并處于待工作狀態(tài)。同時(shí)，控制系統(tǒng)會采集各個(gè)設(shè)備的初始化狀態(tài)，確定各個(gè)設(shè)備是否歸位，如有異常則發(fā)出警示，如正常則程序處于待命狀態(tài)[3]。

3.3 各個(gè)工作單元的控制功能

針對各個(gè)單元的控制采用統(tǒng)一協(xié)調(diào)和分別獨(dú)立控制的結(jié)合方式。首先，系統(tǒng)明確各個(gè)設(shè)備的位置，為設(shè)備賦予編號，將單獨(dú)設(shè)備的控制子程序連接到系統(tǒng)控制總程序中，由系統(tǒng)集中控制管理，匹配各設(shè)備的工作效率與輸送裝置的輸送效率；其次，對于各個(gè)設(shè)備的工作性能，首次使用前由工作人員進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，并將調(diào)試好的設(shè)備程序參數(shù)保存上傳至總程序。

3.4 系統(tǒng)應(yīng)急控制程序

盡管柔性化生產(chǎn)線的設(shè)備與傳統(tǒng)生產(chǎn)線相比更為先進(jìn)、可靠，但由于應(yīng)用的設(shè)備更多，配合關(guān)系要求更高，因此，為保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，必須要充分考慮突發(fā)狀況或設(shè)備故障的應(yīng)急處理方案。常見的生產(chǎn)線突發(fā)狀況包括機(jī)械設(shè)備損壞、零件在輸送過程卡滯、設(shè)備異常高溫或振動等。當(dāng)發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，系統(tǒng)首先發(fā)出警示信號，相關(guān)設(shè)備停機(jī)，系統(tǒng)分析輸送加工設(shè)備現(xiàn)狀，提供加工線路變換，繞開故障位置，或由人工進(jìn)行處理，處理完成后生產(chǎn)線程序控制在斷點(diǎn)位置繼續(xù)加工。

4 柔性生產(chǎn)線機(jī)電控制硬件選型

4.1 PLC的合理選型

現(xiàn)階段，應(yīng)用于工業(yè)控制的PLC種類較多，為滿足柔性生產(chǎn)線的復(fù)雜控制和運(yùn)算速度要求，應(yīng)重點(diǎn)選擇適配性好、功能強(qiáng)大、指令兼容性好的一線品牌，針對于生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和工作流程的復(fù)雜程度考慮，主流PLC以三菱、西門子的一線產(chǎn)品更為適宜，優(yōu)先選擇性價(jià)比更高的三菱公司Q系列、西門子S系列的PLC，對于控制要求不高的生產(chǎn)線也可考慮國產(chǎn)匯川H系列PLC[4]。

4.2 工業(yè)機(jī)器人選型

工業(yè)機(jī)器人在柔性生產(chǎn)線中應(yīng)用十分廣泛，也是生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)保障，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)具有效率高、功能可靠、程序兼容性好、精確度高等特點(diǎn)。選型時(shí)要充分考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動性能、感知技術(shù)、人機(jī)交互便捷性等因素?，F(xiàn)階段，生產(chǎn)線應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人以4軸、5軸機(jī)械臂居多，部分現(xiàn)代化柔性生產(chǎn)線也應(yīng)用了更為先進(jìn)的6軸機(jī)器人?，F(xiàn)階段性能和口碑較好的工業(yè)機(jī)器人廠家包括德國KUKA、日本ABB、國產(chǎn)新松等。

4.3 通訊網(wǎng)絡(luò)選型

通訊網(wǎng)絡(luò)的建立是柔性生產(chǎn)線機(jī)電控制功能實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，柔性化生產(chǎn)線的通訊需求是信息傳遞速度快、通信穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)容量大、兼容性好，推薦選擇基于RS485總線標(biāo)準(zhǔn)的CC-Link通信模式，通過CC-Link通信技術(shù)對各個(gè)單元的設(shè)備進(jìn)行編號和傳輸參數(shù)設(shè)定，并利用FX2N-32CCL進(jìn)行組網(wǎng)。為保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，線路傳輸速度應(yīng)設(shè)置在150 kb·s-1，確保各個(gè)功能單元實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動控制和數(shù)據(jù)傳輸[5]。

5 結(jié)語

在智能化和網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，制造業(yè)的生產(chǎn)模式已經(jīng)由傳統(tǒng)的盲目批量生產(chǎn)向定制化、精細(xì)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，柔性生產(chǎn)線技術(shù)的應(yīng)用對于提高制造生產(chǎn)的合理性，提高設(shè)備、資源、環(huán)境利用率具有積極作用，使企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品既符合用戶實(shí)際需求，又能減少企業(yè)庫存，做到最大化銷售。柔性生產(chǎn)線技術(shù)的應(yīng)用顯著改善了過去生產(chǎn)中產(chǎn)品更新?lián)Q代慢、成本高等問題，顯著提高了生產(chǎn)線的適應(yīng)能力。從現(xiàn)階段我國的制造業(yè)生產(chǎn)模式來看，柔性生產(chǎn)線的技術(shù)普及程度還有待提升，其技術(shù)優(yōu)勢正逐漸顯現(xiàn)，將成為未來自動化生產(chǎn)線技術(shù)發(fā)展的主流方向，為制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供強(qiáng)大助力。