面向數(shù)控加工的酥油燈智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)

周遠(yuǎn)揚(yáng)，趙 兵，2，代 文

（1.青海大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海大學(xué)智能制造車間，青海 西寧 810016）

0 引言

目前青海省藏族人口大約137.50 萬人，約占青海省總?cè)丝诘?4.44%，青海省寺廟數(shù)量多，其中藏傳佛教寺廟有十幾座，并且大多數(shù)藏民基本都信奉佛教，酥油燈的產(chǎn)值約1.8 億，其利潤(rùn)也接近7000 萬元。除此之外，每年來青海的旅游人口也將近122 萬人次，其中塔爾寺一天的游客接待量近6 萬人，經(jīng)調(diào)查，初步估計(jì)游客購(gòu)買酥油燈工藝品每年能達(dá)到2 萬盞，產(chǎn)值約1200 萬元。傳統(tǒng)的酥油燈，基本靠翻砂鑄造生產(chǎn)，導(dǎo)致其外表粗糙，成品率低，還造成環(huán)境污染，操作工人長(zhǎng)期吸入過多的粉塵以及有害氣體對(duì)身體健康產(chǎn)生不好的影響，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式不滿足節(jié)能環(huán)保的發(fā)展要求以及《中國(guó)制造2025》的發(fā)展規(guī)劃，亟需升級(jí)轉(zhuǎn)型。

針對(duì)傳統(tǒng)酥油燈翻砂鑄造工藝導(dǎo)致的外表粗糙、成品率低、污染環(huán)境等一系列問題，如果采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工，難以解決其復(fù)雜造型以及圖案雕刻等問題。而數(shù)控加工可以解決上述問題，故采用數(shù)控加工實(shí)現(xiàn)酥油燈生產(chǎn)加工，根據(jù)酥油燈的數(shù)控加工技術(shù)要求設(shè)計(jì)一條智能產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)浮雕、圓雕、激光雕刻等加工工藝，解決傳統(tǒng)酥油燈加工工藝的耗能污染以及危害工人身體健康等問題[1]。本研究提出酥油燈智能產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)思路，通過分析酥油燈加工工藝，從而進(jìn)行產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)以及設(shè)備選型，重點(diǎn)對(duì)產(chǎn)線工藝流程、產(chǎn)線控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，為后續(xù)酥油燈面向智能制造的升級(jí)轉(zhuǎn)型積累經(jīng)驗(yàn)并提供理論依據(jù)。

1 酥油燈智能產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

1.1 酥油燈加工工藝分析

酥油燈加工的材料為銅，將圓柱體毛坯工件按照如圖1 所示設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行加工，加工完成如圖2所示。根據(jù)其材質(zhì)的特點(diǎn)，對(duì)工件加工精度的要求，燈碗內(nèi)部的車削加工、燈體形狀的粗加工等工序需在數(shù)控車床進(jìn)行，燈體表面浮雕的粗加工、半精加工、精加工等不同工序需在五軸機(jī)床上進(jìn)行，因此，本產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案中主要工作單元為1 臺(tái)數(shù)控車床、1 臺(tái)五軸機(jī)床及一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。由于酥油燈制造材料為銅，材料粘度大，對(duì)切削速度和刀具要求較高，且造型奇特，難于裝夾，需專門設(shè)計(jì)工裝夾具。為了方便酥油燈的毛胚加工，需通過螺紋鏈接方式在酥油燈底部增加連接件，專用夾具通過裝夾增加的連接件實(shí)現(xiàn)固定，目的是使車床和五軸機(jī)床方便夾取酥油燈毛胚，也避免毛胚被夾具直接夾取造成的損害。

圖2 酥油燈實(shí)際產(chǎn)品圖

1.2 酥油燈智能產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)

酥油燈智能產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)方案如圖3 所示：

圖3 產(chǎn)線布局圖

產(chǎn)線主要包括1 臺(tái)工業(yè)機(jī)器人及機(jī)械手夾具、1臺(tái)數(shù)控車床及工裝夾具、1 臺(tái)五軸機(jī)床及工裝夾具、RFID 無線射頻識(shí)別系統(tǒng)、1 輛AGV 智能小車、4 套滾筒線、檢測(cè)設(shè)備、1 臺(tái)工件中轉(zhuǎn)臺(tái)、MES 系統(tǒng)控制臺(tái)以及相應(yīng)的安全防護(hù)裝置。

目前，數(shù)控加工技術(shù)與智能制造技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用越發(fā)廣泛，一些面向數(shù)控加工的智能制造產(chǎn)線主要根據(jù)不同工件的工藝特點(diǎn)、工藝流程，進(jìn)行一些硬件設(shè)施的配置；主要由數(shù)控車床及工裝夾具、數(shù)控機(jī)床及工裝夾具和若干臺(tái)工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備組成，然后將這些設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)組線并運(yùn)行；由PLC 的模塊化、結(jié)構(gòu)化編程來實(shí)現(xiàn)調(diào)試、監(jiān)視、診斷等功能，由MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析處理，同時(shí)滿足信息的可視化，來實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)線加工過程的自動(dòng)化，對(duì)產(chǎn)線的設(shè)備異常狀態(tài)做出快速反應(yīng)以及分析判斷，可使產(chǎn)線長(zhǎng)時(shí)間安全可靠地工作，從而解決傳統(tǒng)生產(chǎn)方式造成的酥油燈成品表面粗糙、污染環(huán)境、危害工人身體健康等問題，改變傳統(tǒng)生產(chǎn)模式。

該酥油燈智能加工產(chǎn)線是模擬實(shí)際生產(chǎn)全過程，實(shí)現(xiàn)酥油燈坯料從智能料庫(kù)出庫(kù)上線AGV 智能小車、工業(yè)機(jī)器人上料輸送、數(shù)控機(jī)床加工、檢測(cè)、五軸機(jī)床加工、檢測(cè)、工業(yè)機(jī)器人下料輸送、AGV 小車運(yùn)輸下線入庫(kù)智能料庫(kù)等生產(chǎn)工序[2]。按照“自動(dòng)化+精益化+集成化”的構(gòu)建思路，將數(shù)控車床、五軸機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、AGV 小車等硬件設(shè)備集成到智能生產(chǎn)線的“硬件”系統(tǒng)中，再將集成的“軟件”技術(shù)平臺(tái)與RFID 視覺射頻技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技結(jié)合到一起。酥油燈智能生產(chǎn)線展現(xiàn)出數(shù)控加工設(shè)備互聯(lián)、柔性化加工、生產(chǎn)過程可追溯、MES 系統(tǒng)等智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用方案[3]。

2 酥油燈工藝流程的制定

分析酥油燈的工藝流程是智能產(chǎn)線的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。首先通過與專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行溝通，確定酥油燈產(chǎn)品的加工精度以及其他的加工特點(diǎn)，再進(jìn)行整套工藝流程的制定。然后，根據(jù)酥油燈加工工藝流程的特點(diǎn)，全面考慮酥油燈在其各個(gè)工序之間所進(jìn)行的物料轉(zhuǎn)移時(shí)的信息讀取、物料定位、在數(shù)控車床以及五軸機(jī)床中的加工翻轉(zhuǎn)、工件參數(shù)的檢測(cè)等要求，并統(tǒng)計(jì)AGV小車接料所進(jìn)行的定位、運(yùn)輸?shù)葎?dòng)作所需時(shí)間，工業(yè)機(jī)器人抓取工件時(shí)的定位、夾取、放下等動(dòng)作所需時(shí)間，以及數(shù)控車床和五軸機(jī)床里的工件定位、裝卡等所需時(shí)間。最后，對(duì)以上所述的工藝節(jié)拍進(jìn)行綜合分析，最終對(duì)酥油燈智能產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過多次研究論證，最終確定酥油燈加工的工藝流程如圖4 所示。

圖4 加工流程框架圖

毛坯件→人工入庫(kù)→立體倉(cāng)→訂單下發(fā)→毛坯出庫(kù)→單工位定位臺(tái)定位讀取RFID 信息→AGV 小車接料→AGV 小車送料→雙工位定位臺(tái)接料→加工單元（機(jī)器人→車削中心→五軸加工中心→在線檢測(cè)→車削中心）→下料至雙工位定位臺(tái)→AGV 小車接料→單工位接料臺(tái)接料→入立體倉(cāng)。

確定酥油燈的加工工序：

1）數(shù)控車床加工：主要進(jìn)行進(jìn)行酥油燈燈碗的精加工與燈體形狀的粗加工。

Step1：進(jìn)行準(zhǔn)備工作，調(diào)取刀具輪盤上的推料裝置將連接件底部與夾具貼合，使夾具夾緊，毛胚完全固定。然后調(diào)取U 鉆（直徑20 mm），鉆至燈碗底部，方便燈碗的加工。

Step2：調(diào)取鏜刀（刀桿直徑10 mm，刀片角度65°，有色金屬加工專用刀片），進(jìn)行酥油燈燈碗內(nèi)部的車削加工。

Step3：調(diào)取刀具輪盤上的左偏刀（20 mm × 20 mm 刀桿，刀片35°，有色金屬加工專用刀片），進(jìn)行外輪廓的車削（進(jìn)行燈杯外輪廓的正向車削加工）。

Step4：調(diào)取右偏刀具（20 mm × 20 mm 刀桿，刀片35°，有色金屬加工專用刀片），進(jìn)行燈杯輪廓的反向加工，進(jìn)行燈體毛胚整體的完善；

2）五軸機(jī)床加工：進(jìn)行酥油燈表面浮雕精加工；

Step1：首先要完成的是酥油燈的夾緊，選擇通過氣動(dòng)膨脹心軸脹緊（便于零件加工的裝卡方式）；

Step2：機(jī)床調(diào)取D6R3 球頭刀，進(jìn)行酥油燈表面浮雕粗加工，單邊余量應(yīng)控制在0.3 mm；

Step3：機(jī)床調(diào)取D4R2 球頭刀，進(jìn)行酥油燈表面浮雕半精加工，單邊余量應(yīng)控制在0.1 mm；

Step4：機(jī)床調(diào)取D4R0.5 球頭刀，進(jìn)行酥油燈表面浮雕半精加工，單邊余量應(yīng)控制在0.03 mm；

Step5：機(jī)床調(diào)取D4R0.2 球頭刀，進(jìn)行酥油燈表面浮雕精加工，最終完成酥油燈表面浮雕加工。

生產(chǎn)流程：首先，利用RFID 無線射頻讀取上料托盤物料數(shù)據(jù)，然后與系統(tǒng)交互確認(rèn)；其次，運(yùn)用傳送帶將酥油燈毛胚運(yùn)送到AGV 小車上并由AGV 小車運(yùn)送到入料口；再次，機(jī)器人與輸送裝置、產(chǎn)線控制系統(tǒng)相結(jié)合，將各工序與數(shù)控車床加工交互上料，待對(duì)酥油燈燈碗的精加工與燈體形狀的粗加工加工完成后，在線檢測(cè)酥油燈關(guān)鍵尺寸，并反饋給總控系統(tǒng)；再由機(jī)器人將酥油燈放入五軸機(jī)床，而后進(jìn)行酥油燈表面浮雕精雕加工；最后，機(jī)器人將成品酥油燈放置到托盤，將整個(gè)加工過程中采集的數(shù)據(jù)信息反饋到MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)，成品酥油燈由AGV 小車運(yùn)輸入庫(kù)智能料庫(kù)；整個(gè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)由主控系統(tǒng)直觀顯示，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)行智能控制。

3 智能產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

由于目前大多數(shù)企業(yè)采用的是處于單機(jī)工作模式的自動(dòng)化加工設(shè)備，難以解決相應(yīng)的信息采集問題，其生產(chǎn)制造就會(huì)形成所謂的“數(shù)據(jù)孤島”。實(shí)現(xiàn)智能制造不能只滿足生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化，更重要的是信息采集、信息管理效率的提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)的MRPII、MIS 已經(jīng)逐漸趨于成熟與普及，然而處于執(zhí)行層的MES 制造執(zhí)行系在相應(yīng)軟件的研發(fā)以及應(yīng)用還未得到完善。企業(yè)應(yīng)通過MES 系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信息和數(shù)據(jù)的分析處理、集成，來提高生產(chǎn)制造的水平，對(duì)整個(gè)制造業(yè)的水平提高也具有重要意義[4]。

該智能產(chǎn)線控制系統(tǒng)的核心是MES 系統(tǒng)，通過MES 系統(tǒng)強(qiáng)大數(shù)據(jù)采集的功能，來對(duì)產(chǎn)線上各個(gè)制造環(huán)節(jié)中RFID、CNC、PLC、PC 等一些數(shù)據(jù)采集渠道進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的全面采集的功能，同時(shí)可以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。工業(yè)機(jī)器人裝配以太網(wǎng)接口，Modbus 通信協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與MES 制造系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互通信的功能。數(shù)控車床和五軸機(jī)床的控制和反饋信號(hào)可以直接連接到機(jī)床本身的I/O 模塊，其狀態(tài)可以通過網(wǎng)絡(luò)反饋到智能生產(chǎn)線主控系統(tǒng)。AGV 智能小車與料倉(cāng)、加工單位定位臺(tái)、料盤等實(shí)現(xiàn)信號(hào)自動(dòng)傳輸，依據(jù)信號(hào)指令正轉(zhuǎn)接料，反轉(zhuǎn)送料，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確定位接料；采用一種測(cè)頭對(duì)機(jī)床內(nèi)產(chǎn)品在裝夾狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量以判斷合格與否的裝置；與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量；同時(shí)應(yīng)帶有主軸保護(hù)功能。測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)可以發(fā)送到控制系統(tǒng)，然后數(shù)據(jù)分析，給機(jī)床刀具半徑以及長(zhǎng)度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)忍峁┮罁?jù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的搭建和網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)通信狀態(tài)的連接需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D對(duì)產(chǎn)線上數(shù)控車床、五軸機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備和PLC、MES系統(tǒng)等進(jìn)行端口和IP 的分配及設(shè)置。

根據(jù)產(chǎn)品的工藝流程應(yīng)對(duì)PLC 進(jìn)行調(diào)試并擴(kuò)展相應(yīng)模塊，對(duì)I/O 接口進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通訊、故障診斷及處理、安全保護(hù)等功能；進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和正確分配HMI 的寄存器、變量等數(shù)據(jù)，然后通過HMI 工控組態(tài)和相應(yīng)的PLC 梯形圖的編程，實(shí)現(xiàn)與工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控車床、五軸機(jī)床、智能料庫(kù)等各個(gè)設(shè)備之間的通信調(diào)試以及信號(hào)交互。最后完成各個(gè)設(shè)備與MES 系統(tǒng)的參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互、數(shù)據(jù)采集以及可視化管理[5]。最后通過數(shù)控云管家大數(shù)據(jù)平臺(tái)可在終端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化監(jiān)控和管理等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)酥油燈傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的升級(jí)轉(zhuǎn)型，設(shè)計(jì)了集1 臺(tái)工業(yè)機(jī)器人及夾具、1 臺(tái)車床及工裝夾具、1 臺(tái)五軸機(jī)床及工裝夾具、RFID 射頻識(shí)別系統(tǒng)、滾筒輸送線、AGV 智能小車、檢測(cè)裝置、清洗機(jī)構(gòu)、安全圍欄組、PLC 控制器及MES 制造智執(zhí)行系統(tǒng)于一體的多功能、可個(gè)性化定制的酥油燈加工智能產(chǎn)線，分析并制定酥油燈的加工流程和加工工藝。旨在解決酥油燈傳統(tǒng)翻砂鑄造生產(chǎn)方式所導(dǎo)致的耗能污染、過量的粉塵以及有害氣體對(duì)人體造成的危害、加工出來的產(chǎn)品表面粗糙等問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工的多樣性，工業(yè)機(jī)器人替代人工生產(chǎn)也能保證產(chǎn)品加工的穩(wěn)定性問題。這條產(chǎn)線的設(shè)計(jì)思路是對(duì)酥油燈加工模式升級(jí)轉(zhuǎn)型的初步探索，為實(shí)現(xiàn)酥油燈加工的工藝路線，浮雕、圓雕、激光雕刻等加工工藝，同時(shí)為解決酥油燈數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造等問題提供有效的思路方法，并通過合理的酥油燈智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)，為未來智能制造提供技術(shù)儲(chǔ)備。