回轉(zhuǎn)式數(shù)控自動制瓶機的智能制造

胡 偉，楊家軍，鄧家輝，汪 雷，黃 圣

(1 華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2 荊門市楚大機電有限公司，湖北 荊門 448000)

設(shè)計與機電產(chǎn)品動態(tài)設(shè)計

回轉(zhuǎn)式數(shù)控自動制瓶機的智能制造

胡 偉1，楊家軍1，鄧家輝1，汪 雷2，黃 圣2

(1 華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2 荊門市楚大機電有限公司，湖北 荊門 448000)

針對國內(nèi)回轉(zhuǎn)式制瓶機現(xiàn)狀，以“工業(yè)4.0”的概念為指導(dǎo)，將計算機技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件等在回轉(zhuǎn)式制瓶機上深度融合，形成全新的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅延續(xù)原有的全自動化控制，并且構(gòu)建了人機交互平臺，具有實時監(jiān)控、在線調(diào)整和故障診斷等功能，顯著提升其柔性制造能力，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)式制瓶機產(chǎn)品全生命周期和生產(chǎn)流程的數(shù)字化、信息化，促進制瓶產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

回轉(zhuǎn)式制瓶機； 智能制造； 人機交互； 實時監(jiān)控； 故障診斷

當(dāng)前正是國家大力推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時刻，德國提出的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略與我國的“兩化”(信息化、工業(yè)化)有類似之處。所以，借鑒德國的成功戰(zhàn)略對我國制瓶行業(yè)的發(fā)展有重大意義。德國所謂的工業(yè)4.0是利用物聯(lián)信息系統(tǒng)將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，達到快速、有效、個人化的產(chǎn)品供應(yīng)。目前國內(nèi)的制瓶工業(yè)仍存在不足，回轉(zhuǎn)式制瓶機的控制系統(tǒng)存在地區(qū)性差異，大部分地區(qū)已達到全自動化水平，其他則處于半自動化階段[1]?？刂葡到y(tǒng)多采用單片機或PLC控制，只能實現(xiàn)對設(shè)備的單向、封閉式控制，無復(fù)雜信息的反饋，生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控、在線控制、故障診斷等仍處于空白。玻璃制品的需求和制瓶設(shè)備技術(shù)的差異，迫使智能化程度更高的生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)品的出現(xiàn)。本文將“智能工廠”的理念引入回轉(zhuǎn)式制瓶機控制系統(tǒng)，以人機交互的方式將信息空間與人們生活的物理空間相互融合，基于運動控制卡構(gòu)建人機交互平臺，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控、調(diào)整、診斷等，為制瓶行業(yè)步入“工業(yè)4.0”時代建立基礎(chǔ)。

1 回轉(zhuǎn)式制瓶機系統(tǒng)

1.1 回轉(zhuǎn)式制瓶機制瓶工藝流程

玻璃原材料在熔料盆中經(jīng)過高溫熔化，通過供料機構(gòu)供料，伺服減料機構(gòu)剪下料滴；料滴經(jīng)過分料機構(gòu)運輸?shù)竭_初成型模，在初成型模中完成初成型，再通過翻轉(zhuǎn)機構(gòu)將初成型料滴翻轉(zhuǎn)至成型模；成型后經(jīng)過冷卻再由鉗瓶機構(gòu)將瓶子運送到輸送帶上(圖1)。

圖 1 制瓶工藝流程圖

一條生產(chǎn)線通常由3至4臺回轉(zhuǎn)式制瓶機及一個高溫熔爐構(gòu)成，各制瓶設(shè)備之間也有緊密聯(lián)系，形成一個有序運轉(zhuǎn)的整體。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的單片機或PLC控制系統(tǒng)只有少部分信息在控制系統(tǒng)中進行交互，系統(tǒng)閉塞，難以與用戶形成高效、自然的信息交互，給操作、維護和生產(chǎn)帶來了極大的不便；此外，制瓶系統(tǒng)的工藝環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密，故障的發(fā)生會嚴(yán)重影響生產(chǎn)質(zhì)量與效率，而封閉的控制系統(tǒng)對故障診斷與排除不利。

1.2 人機交互內(nèi)容

制瓶設(shè)備中需要控制的單元眾多。要對生產(chǎn)線上的控制節(jié)點進行全面有效監(jiān)控，就必須明確其控制節(jié)點種類、數(shù)量和各節(jié)點的控制要求及控制參數(shù)等。從而更好確定人機交互的信息內(nèi)容，避免漏控等問題。

要確定交互的信息內(nèi)容，就需要先分類統(tǒng)計控制對象，其主要的分類原則有：1)將相互獨立的控制對象按照所屬的子系統(tǒng)進行分類，在子系統(tǒng)中對其數(shù)量和運行參數(shù)等要求進行統(tǒng)計。2)將子系統(tǒng)中的控制對象按照模擬量、數(shù)字量、數(shù)據(jù)等控制類型進行分類，有助于確定控制方式和精度等信息。工作臺人機交互內(nèi)容如表1所示。

表1 工作臺人機交互內(nèi)容

2 智能制造技術(shù)難點與突破

2.1 技術(shù)難點分析

以回轉(zhuǎn)式制瓶機工作臺的人機交互控制為例。制瓶機工作臺的結(jié)構(gòu)如圖3所示，工作臺上一共有4個工位：初成型胚料入模工位、冷卻工位、成型瓶出模工位和過渡工位。每個工位對應(yīng)有一個成型模具。在這4個工位中，對模具定位要求最高的是初成型胚料入模工位，因為在初成型料滴經(jīng)過伺服翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進入該工位的過程中，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)夾具的中心與模具的中心的同心度直接影響了瓶罐外形尺寸精度。4個模具會循環(huán)進入該工位，必須保證4個模具在運行到該工位時都具有良好的定位精度。而工作臺的質(zhì)量較大，且需要頻繁的啟停，其傳動系統(tǒng)采用的是渦輪蝸桿和齒輪減速，在長期啟停運轉(zhuǎn)后傳動系統(tǒng)精度會受到較大影響，蝸桿渦輪傳動容易磨損而出現(xiàn)間隙。所以工作臺可靠精準(zhǔn)的定位是其主要技術(shù)難點。

圖 3 工作臺結(jié)構(gòu)圖

為了讓工作臺具有較高的定位精度，首先將原方案中使用的渦輪蝸桿齒輪減速改為諧波齒輪減速，盡量減少傳動環(huán)節(jié)，且諧波齒輪減速器具有高穩(wěn)定性、高可靠性和高精度的特點。另外，為補償其傳動系統(tǒng)中出現(xiàn)的傳動間隙，需要利用伺服編碼器及定位傳感器對其程序進行誤差修正，并實時監(jiān)測與顯示修正情況。為了提高可靠性，預(yù)防故障的發(fā)生，需要對減速器的狀態(tài)進行監(jiān)測。利用振動傳感器實時監(jiān)測減速器的運轉(zhuǎn)振動情況，處理信號，當(dāng)減速器振動異常時就會向交互系統(tǒng)發(fā)出警報以提醒用戶。

2.2 智能化控制方式

回轉(zhuǎn)式制瓶機的人機交互平臺搭建是基于PC機且利用運動控制卡來實現(xiàn)設(shè)備的控制的。用戶可以通過人性化人機交互軟件對生產(chǎn)設(shè)備中的控制信息進行實時監(jiān)控與調(diào)整，軟件可以捕捉傳感器信號，顯示生產(chǎn)線狀態(tài)及故障情況。

以回轉(zhuǎn)工作臺的人機交互控制為例來簡單闡述其運動控制過程及信號反饋和信號處理方式(圖4)。

圖 4 工作臺人機交互控制

通過上位機中的人機交互軟件控制下位機運動控制卡，再通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動工作臺轉(zhuǎn)動。由于工作臺的質(zhì)量較重，且頻繁啟動，對減速器的要求較高，減速器常存在壽命短、精度下降快的問題，傳統(tǒng)的控制方式很難檢測和顯示這類問題。加速度傳感器可以檢測減速器的振動異常，分析出減速器的故障情況，最終將減速器的故障情況顯示給用戶，并提供解決方案。另外傳動誤差可以通過伺服編碼器及工作臺定位傳感器的反饋得出傳動系統(tǒng)的誤差值，并將誤差實時顯示，當(dāng)誤差超差時發(fā)出警報。

工作臺的人機交互系統(tǒng)是通過PC機與機械系統(tǒng)的信息交互實現(xiàn)機器間的交互，再將信息通過文字圖表等方式在PC機中顯示出來，實現(xiàn)機器與用戶的交互。操作人員也可以通過PC機的輸入設(shè)備對控制系統(tǒng)的信息進行設(shè)置，從而形成人機信息交互。

3 制瓶設(shè)備的智能制造

制瓶設(shè)備的智能生產(chǎn)步驟如下：第一步，客戶提出制瓶要求，系統(tǒng)分析要求的可行性，并儲存客戶信息和產(chǎn)品要求信息，建立“產(chǎn)品個人身份”；第二步，系統(tǒng)根據(jù)制瓶要求自動更換模具，調(diào)整玻璃料滴大小及制瓶工藝；第三步，制瓶的各個工藝環(huán)節(jié)可以利用圖像識別等技術(shù)檢測產(chǎn)品是否滿足制瓶要求，并將加工進度實時反饋給客戶；第四步，對瓶子進行質(zhì)量檢測，確保產(chǎn)品符合客戶要求，最后將產(chǎn)品發(fā)送給客戶。

制瓶設(shè)備的智能生產(chǎn)除了設(shè)備內(nèi)部的信息交互和人機交互外，生產(chǎn)線的柔性化和模塊化也是非常關(guān)鍵的。生產(chǎn)線上有著不同性能的組件模塊，各個模塊符合不同客戶的需求，實際生產(chǎn)過程中根據(jù)客戶的需求進行自動更換，并隨時對產(chǎn)品進行調(diào)整。

設(shè)備的遠程監(jiān)控主要通過聯(lián)網(wǎng)的交互平臺進行信息傳遞，客戶端的交互平臺通過設(shè)備的控制系統(tǒng)、輸入輸出設(shè)備采集其信息，再將信息通過交互平臺發(fā)送至企業(yè)端(圖5)。

圖 5 遠程控制結(jié)構(gòu)圖

制瓶設(shè)備的監(jiān)控方式主要是保持型的遠程監(jiān)控方式。這需要各地客戶端的制瓶設(shè)備具有較高的智能化水平，設(shè)備本身具有完整的控制能力和對突發(fā)事件的應(yīng)對能力。遠程監(jiān)控系統(tǒng)僅僅是監(jiān)控制瓶設(shè)備的生產(chǎn)情況，并在必要時對遠程制瓶設(shè)備進行干預(yù)。制瓶設(shè)備會不斷地通過互聯(lián)網(wǎng)向遠程控制系統(tǒng)發(fā)送運行信息，在遠程制瓶設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)會及時處理或暫停任務(wù)，等待現(xiàn)場人員確定或遠程監(jiān)控系統(tǒng)來解決。這種控制模式可以實現(xiàn)制瓶設(shè)備的無人控制[2]。

4 制瓶設(shè)備的轉(zhuǎn)型升級

雖然回轉(zhuǎn)式制瓶設(shè)備的智能生產(chǎn)正處于發(fā)展初期，但其生產(chǎn)模式必將隨著信息化、工業(yè)化的浪潮迅猛發(fā)展。其發(fā)展方向主要有以下幾個方面。

1)全球化發(fā)展趨勢

在互聯(lián)網(wǎng)十分普及的今天，全球化的信息交互已經(jīng)不再是新鮮的事，但在制瓶設(shè)備領(lǐng)域，信息化還未完全普及。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的制瓶設(shè)備基本都是能完成生產(chǎn)任務(wù)并能處理簡單故障的獨立個體，各個體之間并沒有信息交互與聯(lián)系，對設(shè)備的監(jiān)控維修也只能通過現(xiàn)場勘查來完成。這種現(xiàn)狀終將被新的趨勢取代。所以制瓶設(shè)備的全球化發(fā)展，制瓶設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化是其主要發(fā)展趨勢。各地的制瓶設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接成為一個生產(chǎn)制造的整體，這對設(shè)備中的故障排除與故障應(yīng)對起到了至關(guān)重要的作用。

2)多媒體與超媒體的交互方式

多媒體展示技術(shù)是在智能用戶界面和自然交互技術(shù)取得突破之前的一種過渡技術(shù)。在多媒體用戶界面出現(xiàn)之前，用戶界面經(jīng)過了從文本向圖形的過渡，特別是引入了音頻和視頻媒體，大大豐富了計算機表現(xiàn)信息的形式，提高了用戶接受信息的效率。目前，制瓶設(shè)備中的人機交互平臺界面主要應(yīng)用的是文本和圖形的信息形式。在不遠的未來，制瓶設(shè)備勢必將引入音頻視頻等媒體手段對產(chǎn)品進行顯示和檢測[3]。

超媒體技術(shù)即計算機的輸出形式不再限于單一的文本，而是文本、圖形、圖像、聲音、動畫或影視等多種媒體的集成。超媒體打破了傳統(tǒng)的單一媒體界限和傳統(tǒng)思維，將平面媒體、電波媒體、網(wǎng)絡(luò)媒體整合形成能夠左右一個區(qū)域乃至整個社會的超級力量。

人機交互技術(shù)中的聲控技術(shù)應(yīng)用得越來越廣泛。制瓶設(shè)備中也可以采取類似的交互技術(shù)，操作人員和設(shè)計者可以直接與機器交談，大大提高了交互的直觀程度和效率。

三維成像技術(shù)是近期興起的交互技術(shù)。在制瓶設(shè)備中，可以通過三維成像技術(shù)將生產(chǎn)的模型直觀展示給制造者和設(shè)備設(shè)計者。

[1] 姜豐英.多軸伺服制瓶機控制系統(tǒng)[J].玻璃與搪瓷,2010,38(05):17-21.

[2] 朱志浩，樊留群.設(shè)備遠程監(jiān)控的研究[J].2001,23(01):47-50.

[3] 周 波，楊京玲.人機交互技術(shù)在現(xiàn)代展示設(shè)計中的應(yīng)用[J].2011,32(20):46-49.

[責(zé)任編校： 張 眾]

Intelligent Manufacturing of Rotary CNC Automatic Bottle-making Machine

HU Wei1,YANG Jiajun1, DENG Jiahui1, WANG Lei2, HUANG Sheng2

(1SchoolofMechanicalSci.andEngin.,HuazhongUniv.ofSci.andTech.,Wuhan430074,China;2JingmenChudamechanical&electricalCO.,LTD,Jingmen448000,China)

This paper established a new intelligent control system of rotary CNC automatic bottle-making machine on the basis of “Industry 4.0”. Computer technology and information technology and network technology were included in this system, which is an automatic system as before, but with the interactive platform. The new system has the function of online monitoring and online adjustment and fault diagnosis and so on. These functions greatly improve the flexible manufacturing ability of bottle-making machine. This system digitalizes and informatizes he life cycle and production process of bottle-making machine, and promotes the upgrading of bottle-making industry.

rotary CNC automatic bottle-making machine; intelligent manufacturing; interactive platform; online monitoring; fault diagnosis

2015-04-20

胡 偉(1990-)，男，湖北黃岡人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向為智能機械與計算機仿真，機電創(chuàng)新

1003-4684(2015)04-0092-04

TP23

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