面向發(fā)動機部件定制加工的矩陣式智能產(chǎn)線設(shè)計

趙國強，黃永華，韓其飛，武迎迎，張藝馨，張建

(1.山東科技職業(yè)學(xué)院機械工程系，山東濰坊 261053；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061；3.北京華航唯實機器人科技股份有限公司，北京 100089)

0 前言

伴隨激烈的市場競爭，制造企業(yè)需要快速制造個性化產(chǎn)品以滿足客戶要求，同時不斷發(fā)展的個性化定制需求也在改變傳統(tǒng)的制造業(yè)生產(chǎn)模式。在此背景下，國家提出并大力推動“中國制造2025”戰(zhàn)略落地，智能制造在各行業(yè)領(lǐng)域得到蓬勃發(fā)展[1]。對于國內(nèi)大量的機械制造企業(yè)，在現(xiàn)有生產(chǎn)基礎(chǔ)上新增智能制造生產(chǎn)線，替代單一設(shè)備為主的離散式生產(chǎn)模式，已成為制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的必然選擇[2-3]。

發(fā)動機廣泛應(yīng)用在汽車、農(nóng)業(yè)機械、工程機械等領(lǐng)域，面對復(fù)雜多變的服役工況和日益增加的個性化定制需求，制造企業(yè)亟需進行智能化升級改造以提升其運營質(zhì)量和效益。在此過程中，“智能改造難、升級效果差”、“自動化孤島、信息孤島”、“環(huán)境復(fù)雜、管理難度大”等成為發(fā)動機行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的痛點、難點[4-5]。

智能產(chǎn)線在國外工業(yè)發(fā)達國家已被大量應(yīng)用，SHAHBAZI、BYUN[6]將工業(yè)機器人與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合實現(xiàn)制造過程的多級質(zhì)量控制，但存在理論模型和實際加工誤差較大等問題。與德國等工業(yè)先進國家相比，國內(nèi)智能產(chǎn)線在智能裝備、控制軟件等方面存在較大差距。近年來，國內(nèi)學(xué)者和制造企業(yè)對智能產(chǎn)線進行大量研究與應(yīng)用：如許怡赦、朱永波[7]研究平面金屬薄板飾件精加工智能產(chǎn)線，僅獲得產(chǎn)品樣件，未見實際生產(chǎn)測試。張鑫等人[8]研究伺服電機部件加工智能產(chǎn)線，該產(chǎn)線不具備通用性，無法滿足產(chǎn)品個性化快速定制需求。

本文作者以發(fā)動機核心部件活塞連桿的智能產(chǎn)線設(shè)計為基礎(chǔ)，采用創(chuàng)新性的矩陣式布局，從產(chǎn)線的功能分析、方案設(shè)計、仿真與調(diào)試驗證等多維度完成產(chǎn)線設(shè)計與實施，融入物聯(lián)網(wǎng)、智能控制和工業(yè)機器人等先進技術(shù)，為企業(yè)提供降本、增效、安全、可靠的最優(yōu)解決方案。

1 智能產(chǎn)線功能分析

智能產(chǎn)線以制造執(zhí)行MES系統(tǒng)為核心，融合智能倉儲、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機器人、虛擬仿真等先進技術(shù)，實現(xiàn)活塞連桿的智能排產(chǎn)、定制化加工。其中，圖1為活塞連桿的總裝圖。為實現(xiàn)活塞連桿的智能化生產(chǎn)，產(chǎn)線需具備以下功能：

(1)總體功能。圍繞活塞連桿的生產(chǎn)流程，借助工業(yè)機器人等智能裝備替代人工實施自動上下料作業(yè)，通過信息化手段實現(xiàn)智能排產(chǎn)、加工、檢測、裝配和倉儲等過程，實現(xiàn)制造全流程的自動化和智能化[9]，滿足企業(yè)降本、增效、安全、可靠的要求。其中，重點涵蓋六軸工業(yè)機器人的程序編制、PLC控制檢測建立及調(diào)試、RFID電子標(biāo)簽信息銜接、數(shù)控系統(tǒng)大數(shù)據(jù)采集及處理、工件在線檢測系統(tǒng)銜接和產(chǎn)線整體聯(lián)網(wǎng)組線等。

(2)產(chǎn)線效率。約240 s加工一個零件、裝配效率為15件/h。

(3)裝備組成。以活塞連桿加工過程為核心，包括數(shù)控加工、檢測、裝配和倉儲物流等模塊單元。

圖1 活塞連桿總裝圖

2 智能產(chǎn)線方案設(shè)計

此產(chǎn)線以某發(fā)動機企業(yè)活塞連桿的智能加工、檢測、裝配和倉儲為技術(shù)路線，基于工件物流需求設(shè)計工作流程，實現(xiàn)多品種小批量產(chǎn)品的混流加工、自動檢測和裝配，并通過AGV送至倉庫。產(chǎn)線采用矩陣式布局，各模塊單元既能獨立運行，也可根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)要求將多個單元自由組合進行串聯(lián)式定制化生產(chǎn)，具有較高的生產(chǎn)柔性。其工作流程如圖2所示。

圖2 智能產(chǎn)線工作流程

2.1 模塊單元設(shè)計

(1)智能倉儲物流單元

倉儲物流單元配置以工件加工流程和產(chǎn)線整體需求為設(shè)計基礎(chǔ)，包括1個智能立體原料庫、1個智能立體成品庫、AGV小車(含調(diào)度系統(tǒng))和RFID等部件，實現(xiàn)活塞連桿的毛坯出庫和成品入庫、物流運輸及信息跟蹤。其中，智能立體原料庫設(shè)計如圖3所示，智能立體成品庫設(shè)計如圖4所示。

圖3 智能立體原料庫

圖4 智能立體成品庫

智能立體原料庫用于存儲發(fā)動機部件毛坯，由巷道倉儲架、巷道堆垛機、AGV對接機構(gòu)、倉儲管理平臺、PLC控制單元、HMI單元、監(jiān)控系統(tǒng)、臺架及其他配件等組成。毛坯出庫流程為：MES系統(tǒng)發(fā)出取料指令→堆垛機對相應(yīng)料盤準(zhǔn)確定位并取出、放至AGV對接機構(gòu)→讀取RFID電子標(biāo)簽信息→AGV小車運走毛坯料盤。

智能立體成品庫用于存放發(fā)動機部件成品，由環(huán)形倉貨架、工業(yè)機器人、AGV對接機構(gòu)、倉儲管理平臺、PLC控制單元、HMI單元、監(jiān)控系統(tǒng)、臺架及其他配件等組成。成品入庫流程為：MES系統(tǒng)發(fā)出入庫指令→AGV小車運送成品料盤至接駁輸送機→RFID讀寫器讀取料盤RFID標(biāo)簽信息，獲取產(chǎn)品信息(包括產(chǎn)品型號、批次、數(shù)量、生產(chǎn)日期等)→機器人將料盤放置對應(yīng)貨架、寫入相應(yīng)信息→AGV小車離開。

(2)智能加工單元

智能加工單元基于活塞連桿的加工工藝過程和產(chǎn)線整體需求配置，分為3個加工子單元：單元1和2采用數(shù)控車+數(shù)控銑組合方式完成活塞加工(圖5、圖6)，單元3采用數(shù)控銑削方式完成連桿加工(圖7)，實現(xiàn)AGV小車物料托盤自動接駁、機器人自動上下料、數(shù)控機床加工、超聲波清洗、RFID等功能。

圖5 數(shù)車加工單元 圖6 四軸加工中心單元 圖7 加工中心單元

活塞加工流程：MES系統(tǒng)發(fā)出加工指令→AGV小車將活塞毛坯料盤送至加工單元1(AGV對接機構(gòu)將料盤運至輸送機、輸送機上RFID讀寫器讀取料盤信息)→機器人上料至數(shù)控車床粗加工活塞→機器人下料至超聲波清洗機進行清洗烘干→機器人取烘干后零件放入料盤、AGV對接機構(gòu)將托盤送至AGV小車→AGV運送托盤至加工單元2(AGV對接機構(gòu)將料盤運至輸送機、輸送機上RFID讀寫器讀取料盤信息)→機器人上料至四軸加工中心精加工活塞→機器人下料至超聲波清洗機進行清洗烘干→機器人取烘干后零件放入料盤、AGV對接機構(gòu)將托盤送至AGV小車→AGV運送料盤至檢測工位。

連桿加工流程：MES系統(tǒng)發(fā)出加工指令→AGV小車將連桿毛坯料盤送至加工單元3(AGV對接機構(gòu)將料盤運至輸送機、輸送機上RFID讀寫器讀取料盤信息)→機器人上料至三軸加工中心加工連桿→機器人下料至超聲波清洗機進行清洗烘干→機器人取烘干后零件放入料盤、AGV對接機構(gòu)將托盤送至AGV小車→AGV運送料盤至檢測工位。

(3)后部生產(chǎn)單元

以成品存儲量作為設(shè)計基礎(chǔ)，包括立體庫、六軸機器人、三坐標(biāo)測量機、AGV小車、裝配機、打標(biāo)機、RFID等部件，實現(xiàn)對活塞連桿的自動檢測、裝配、打標(biāo)、物流和信息追溯等功能。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

(1)MES系統(tǒng)

制造執(zhí)行MES系統(tǒng)面向制造企業(yè)的生產(chǎn)監(jiān)控與管理，對上能與ERP等計劃管理系統(tǒng)連接，對下可與生產(chǎn)、倉庫、搬運等設(shè)備聯(lián)機[10-11]。因此，MES作為產(chǎn)線控制系統(tǒng)的核心，涵蓋在制品、物料、質(zhì)量、設(shè)備、工具、對外整合界面等各層面，通過RFID、PLC、CNC等貫通產(chǎn)線的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，具備強大的數(shù)據(jù)實時采集功能[12]。此產(chǎn)線的MES系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。

圖8 MES系統(tǒng)架構(gòu)

(2)控制系統(tǒng)

智能產(chǎn)線配置總控單元，每個模塊單元均配備獨立的控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)多品種產(chǎn)品的智能排產(chǎn)、數(shù)據(jù)采集、可視化等功能[8，13-14]。其中，電氣控制系統(tǒng)由一個總控系統(tǒng)和各模塊單元的單控系統(tǒng)構(gòu)成。產(chǎn)線工作時，由總控系統(tǒng)控制各單元的單控系統(tǒng)協(xié)同運行。在單元工作時，由其單控系統(tǒng)控制所屬設(shè)備運轉(zhuǎn)?？偪叵到y(tǒng)采用全分步式架構(gòu)以實現(xiàn)整條產(chǎn)線的自動化控制，實現(xiàn)功能如下：①網(wǎng)絡(luò)通信。支持Modbus TCP通信協(xié)議，提供Profinet協(xié)議擴展遠程IO、控制伺服驅(qū)動器，基于S7協(xié)議實現(xiàn)與數(shù)控機床、三坐標(biāo)等設(shè)備通信。②設(shè)備互聯(lián)。主要由設(shè)備、IO連接、網(wǎng)絡(luò)連接、總線連接等組成，產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。③邏輯控制?？刂普麠l產(chǎn)線內(nèi)執(zhí)行機構(gòu)與設(shè)備間的動作、信號交互[8]，實現(xiàn)流程控制的自動化。 ④安全防護。利用安全門鎖、安全光幕、聯(lián)鎖信號等安全控制部件，建立完備的安全防錯系統(tǒng)，避免安全事故的發(fā)生。 ⑤人機交互。通過HMI界面查看產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、報警信息等，同時為故障處理提供信息支持。⑥數(shù)據(jù)采集。借助數(shù)控機床、三坐標(biāo)設(shè)備、激光打標(biāo)設(shè)備、傳感器、RFID等實時采集所需數(shù)據(jù)，既能用于邏輯控制，又可作為MES、仿真等軟件的輸入。⑦故障診斷。通過自檢功能檢測執(zhí)行機構(gòu)、現(xiàn)場傳感器、生產(chǎn)設(shè)備、總線網(wǎng)絡(luò)等故障，上傳故障信息，發(fā)出聲光報警，提示人工進行故障處理。

2.3 整體設(shè)計

此產(chǎn)線采用矩陣式生產(chǎn)布局，包括總控、智能倉儲、智能加工、智能檢測、智能裝配、質(zhì)檢打標(biāo)、智能物流等單元，各加工單元既能獨立運行，又可根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)要求將多個單元自由組合進行串聯(lián)定制化生產(chǎn)。產(chǎn)線融合工業(yè)機器人、AGV物流、三坐標(biāo)測量、智能倉儲、電子看板、PLC、HMI、RFID、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、IoT、MES等先進技術(shù)，并預(yù)留軟硬件拓展接口，實現(xiàn)活塞連桿多品種小批量的智能化生產(chǎn)。其中，產(chǎn)線布局如圖10所示。

產(chǎn)線配備的MES系統(tǒng)以工業(yè)互聯(lián)為基礎(chǔ)，整合生產(chǎn)現(xiàn)場制造資源，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)采集與分析處理等功能，可實時監(jiān)控生產(chǎn)過程、報警設(shè)備故障、分析量化質(zhì)量指標(biāo)。通過IoT技術(shù)，全方位鏈接產(chǎn)線自身及外部的各種智能裝備，打破信息孤島，實現(xiàn)互聯(lián)互通，是整條產(chǎn)線的整合樞紐。

智能加工單元以活塞連桿的加工工藝過程為設(shè)計基礎(chǔ)，由3個子單元組成，每個加工單元均配備工業(yè)機器人自動上下料。倉儲物流單元由智能立體庫和AGV小車(含調(diào)度系統(tǒng))組成，高效完成倉庫和生產(chǎn)單元間的物流活動，保證整條產(chǎn)線物流管控的數(shù)字化、智能化?？偪貑卧渲肁GV調(diào)度、WMS等控制軟件，實現(xiàn)整條產(chǎn)線的遠程控制。

此智能產(chǎn)線僅需配備1名作業(yè)人員，相較原有生產(chǎn)需配備8名作業(yè)人員(3臺數(shù)控機床配備3人、物料搬運工1人、檢驗員1人、裝配2人、打標(biāo)1人)，不僅節(jié)約7/8作業(yè)人員，上下料、物料搬運等自動化作業(yè)也保證加工效率提高1倍以上。同時，整個產(chǎn)線高度智能化作業(yè)，保證加工合格率達到99.9%以上。

圖9 智能產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖10 智能產(chǎn)線布局

3 智能產(chǎn)線工藝仿真與調(diào)試驗證

3.1 工藝仿真

首先，基于智能產(chǎn)線的設(shè)計方案，利用NX三維軟件建立優(yōu)化后的場地布局模型；其次，利用西門子Process Simulate仿真軟件對產(chǎn)線各模塊單元作業(yè)進行虛擬仿真；最后，在Process Simulate仿真平臺上加載工件、夾具、VGA接口等資源，按照預(yù)設(shè)參數(shù)進行產(chǎn)線調(diào)試，通過仿真手段驗證產(chǎn)線設(shè)計合理性和運行穩(wěn)定性?；钊麛?shù)控車削虛擬仿真調(diào)試如圖11所示。

圖11 活塞數(shù)控加工虛擬仿真調(diào)試

3.2 調(diào)試驗證

通過工藝仿真手段對產(chǎn)線虛擬調(diào)試完成后，按照調(diào)試結(jié)果搭建并測試真實生產(chǎn)線，新建的智能產(chǎn)線生產(chǎn)現(xiàn)場如圖12所示?，F(xiàn)場實踐表明：產(chǎn)線設(shè)計合理，能較好實現(xiàn)活塞連桿的智能化加工，加工效率較原有產(chǎn)線提高1倍以上，滿足制造企業(yè)多品種小批量產(chǎn)品定制化生產(chǎn)需求。

圖12 智能產(chǎn)線生產(chǎn)現(xiàn)場布局

4 結(jié)語

為實現(xiàn)發(fā)動機部件活塞連桿的多品種小批量定制化生產(chǎn)，開發(fā)一種矩陣式智能產(chǎn)線，涵蓋總控、智能倉儲、智能加工、智能檢測、智能裝配、質(zhì)檢打標(biāo)、智能物流等過程，融合工業(yè)機器人、數(shù)控機床、AGV、三坐標(biāo)測量、智能倉儲、電子看板、PLC、HMI、RFID、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、IoT、MES等先進技術(shù)以實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的智能化。目前產(chǎn)線已投入使用，實踐結(jié)果表明產(chǎn)線設(shè)計合理、運行穩(wěn)定，達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

此產(chǎn)線采用創(chuàng)新性的矩陣式布局，各模塊單元既可獨立運行，又可根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)要求自由組合智能單元進行定制生產(chǎn)，有效提升生產(chǎn)的柔性化、智能化，滿足多品種小批量產(chǎn)品的定制化加工需求。因此，智能產(chǎn)線的研發(fā)為有效解決制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級中的痛點、難點提供有效的解決方案，具有較高的推廣應(yīng)用價值。