彎管類零件柔性智能化生產(chǎn)線組成與應(yīng)用

張起宏,丁 寧,丁朝臣

(1.中航光電科技股份有限公司 機加分廠，洛陽 471009 ;2.中國空空導(dǎo)彈研究院 主機部，洛陽 471000)

彎管類零件是航空產(chǎn)品中常見的一類零件，這類零件通常訂貨品種多、批量小、周期短，如圖1所示，以往都應(yīng)預(yù)先備用大量偏心胎以供彎管類零件的加工使用。盡管采用不同裝夾方式進行彎管類零件加工，但都無法滿足生產(chǎn)需要，雖然不斷改進，但是始終未能脫離采用專用偏心工裝的處理方式，造成工裝制造成本高、周期長和重復(fù)利用低等問題。導(dǎo)致零件加工周期長、制造成本高的主要原因之一是加工工裝。

圖1 通常彎管類零件、工裝及加工裝夾

丁朝臣等[1]分析彎管類零件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加工工藝和數(shù)控車功能，采用特制柔性工裝，將數(shù)控車床原有的液壓三爪自定心卡盤改進為柔性四爪單動卡盤結(jié)構(gòu)，解決了彎管類零件裝夾定位難，制造偏心胎浪費時間與成本高的問題，為彎管類零件的生產(chǎn)加工提供了有效可靠的新途徑。陳陽[2]、李愛平[3]、白蕾[4]等針對軍工企業(yè)加工產(chǎn)品多品種、變批量、混線生產(chǎn)的特點，采用基于知識的機加工、裝配過程模擬與仿真、虛實融合的生產(chǎn)過程可視化監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)，建立多品種變批量混線生產(chǎn)數(shù)字化集成制造模式；毛凌翔[5]、劉洋[6]、謝暉[7]等結(jié)合先進的 MES 技術(shù)理念和系統(tǒng)建設(shè)方法，建立覆蓋組成產(chǎn)品生產(chǎn)的零件機械加工、部件裝配等各環(huán)節(jié)的一體化數(shù)字生產(chǎn)線，實現(xiàn)資源全面整合、調(diào)度高度智能、數(shù)據(jù)實時采集、物料及時配送等，提升生產(chǎn)裝的柔性和敏捷性。

中航光電科技股份有限公司雖然在原有液壓四爪單動卡盤基礎(chǔ)上對工裝進行了改進(如圖2所示)，生產(chǎn)效率有所提升，生產(chǎn)成本得到降低，但在上下料，不同品種快速轉(zhuǎn)換過程中，依然采用人工操作，機床的利用率仍有提升空間。特別是在近幾年人力成本逐年上升的情況下，為保持公司產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢，公司決定對現(xiàn)有生產(chǎn)線進行技術(shù)改造。

圖2 彎管類零件、改進的工裝及加工裝夾

1 項目需求

生產(chǎn)線改造是個系統(tǒng)工程，針對中航光電近期和未來發(fā)展需要，結(jié)合公司現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備、硬件基礎(chǔ)和軟件資源，根據(jù)工信部“兩化”融合體系架構(gòu)，以數(shù)據(jù)為核心，實現(xiàn)信息化與工業(yè)化緊密融合，打造以自動化為基礎(chǔ)，以MBD模型為支撐，基于模型可視化的智能化車間模式。丁來軍[8]、王占富[9-10]、劉俊堂[11]、王乾評[12]、劉檢華[14]、王建華[15]等采用特征建模技術(shù)，利用自頂向下控制，自下而上逐層建模實現(xiàn)的方式，對復(fù)雜軍工產(chǎn)品建模技術(shù)進行了深入研究[S2]，對基于MBD創(chuàng)建工序模型有較大影響。以信息集成為手段，實現(xiàn)制造過程中管理、工藝、資源、制造、質(zhì)量等信息的有效整合和應(yīng)用。

在自動化方面，建立工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)生產(chǎn)線全程可視化、全設(shè)備管理，全程質(zhì)量監(jiān)控，從而實現(xiàn)彎管類零件加工、物流配送、毛刺去除、在線檢測和上下料的自動化，滿足彎管類零件多品種、小批量、快速傳遞的實際要求。同時實現(xiàn)彎管類加工過程實時監(jiān)控、按需推送生產(chǎn)經(jīng)營過程的圖表，便于企業(yè)生產(chǎn)決策，降低成本、提升效率、降低勞動強度，改善現(xiàn)場執(zhí)行環(huán)境與條件。

通過彎管類零件智能生產(chǎn)線的改造，可以基本實現(xiàn)：

(1)推進制造自動化、物流自動化與信息化建設(shè)，使年產(chǎn)量提高一倍；

(2)打通企業(yè)內(nèi)部物與物、物與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)全記錄，質(zhì)量檢驗自動化技術(shù)的應(yīng)用，提升生產(chǎn)效率與穩(wěn)定性；

(3)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變由傳統(tǒng)的成批、固定數(shù)控機床和操作者的生產(chǎn)方式，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)多品種、單件流的生產(chǎn)組織模式；

(4)通過人機界面對整個生產(chǎn)線的運動狀態(tài)進行監(jiān)控，一人可控制整條生產(chǎn)線加工狀況，并負責(zé)生產(chǎn)準(zhǔn)備、線外周轉(zhuǎn)和異常處理；

(5)智能生產(chǎn)線具有較高的柔性，方便調(diào)整智能生產(chǎn)線，較容易實現(xiàn)多品種的混合生產(chǎn)；

(6)生產(chǎn)線實現(xiàn)自動上下料的輸送裝置，有加工過程節(jié)拍緩沖區(qū)，結(jié)合不同類型彎管、不同工序的加工時間和機床資源，自動推送物料到設(shè)備；

(7)具備在線檢測功能，便于對每臺機床上加工的零件進行抽檢，實現(xiàn)隨時對加工工件的檢測，實現(xiàn)與生產(chǎn)現(xiàn)場 DNC 數(shù)據(jù)傳輸，具有機床數(shù)據(jù)自動采集功能；

(8)物料機器人具有較高的定位精度和夾持穩(wěn)定性，工業(yè)機器人具有離線編程與加工模擬功能，編程方便、模擬可靠；

(9)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計，可以根據(jù)產(chǎn)能進行方便擴充工作單元，整個系統(tǒng)具有自檢測、易維護的功能。

1.1 系統(tǒng)方面需求

生產(chǎn)線改造以設(shè)計模型快速轉(zhuǎn)換制造模型并指導(dǎo)現(xiàn)場快速制造為目標(biāo)，采用“基于成熟度的并行研發(fā)模式”為指導(dǎo)，構(gòu)建一個高度仿真的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)。真正實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、工藝的虛擬實現(xiàn)到生產(chǎn)、服務(wù)的實物產(chǎn)品追蹤；實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)和維護狀態(tài)同設(shè)計狀態(tài)的符合性檢查和閉環(huán)跟蹤。虛擬工廠包含生產(chǎn)車間/生產(chǎn)線三維布局設(shè)計與優(yōu)化仿真、物流設(shè)計與優(yōu)化仿真、數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真等。通過“數(shù)字孿生”系統(tǒng)驅(qū)動現(xiàn)場操作單元，減少返工次數(shù)和生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，提升復(fù)雜零件的生產(chǎn)效率。圖3為彎管類零件柔性智能化生產(chǎn)線數(shù)字孿生業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)圖。

圖3 彎管類零件柔性智能化生產(chǎn)線數(shù)字孿生業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)圖

1.2 硬件方面需求

硬件方面需求包括數(shù)控機床6臺，上下料機器人2臺，三坐標(biāo)尺寸檢測設(shè)備1臺，總控系統(tǒng)1套，自動料倉1套，柔性快換工裝1套，如圖4所示[4]。

在現(xiàn)有DNC機床聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，增加工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，拓展現(xiàn)場零件加工和制造資源(設(shè)備、刀具等)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控；在現(xiàn)有庫存和生產(chǎn)線布局基礎(chǔ)上，增加物料傳輸機器人、物料周轉(zhuǎn)庫、上下料機器人，在有條件的機床上增加在線檢測探頭和刀具磨損檢查，實現(xiàn)加工過程質(zhì)量控制閉環(huán)。

圖4 彎管類零件柔性智能化生產(chǎn)線組成

1.3 軟件方面需求

實現(xiàn)現(xiàn)有的工藝系統(tǒng)、編程系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、現(xiàn)場管理系統(tǒng)的有效整合。對制造過程中產(chǎn)品、工藝、資源、制造、質(zhì)量、管理等信息進行集成。對現(xiàn)有MES系統(tǒng)進行功能拓展，實現(xiàn)根據(jù)生產(chǎn)計劃和制造資源實時智能排產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)線全程可視化。在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上，固化加工程序、補充加工刀具定義屬性；同時要增加在線測量程序和離線測量程序，實現(xiàn)全程質(zhì)量監(jiān)控。實現(xiàn)生產(chǎn)線的加工單元、機器人和控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通，提供人機界面對整個生產(chǎn)線的加工狀態(tài)進行監(jiān)控，及時提示補充物料。

1.4 工作流程

彎管類零件智能化是由生產(chǎn)訂單、工藝設(shè)計、生產(chǎn)計劃、物流配送、質(zhì)量管控、決策支持等功能模塊實現(xiàn)生產(chǎn)協(xié)調(diào)管理。從收到一個生產(chǎn)訂單開始，制定生產(chǎn)計劃，同時進行三維模型定義的設(shè)計工藝仿真。然后根據(jù)工藝和生產(chǎn)資源進行排產(chǎn)，下達生產(chǎn)派工單后進行加工跟蹤，針對每個管理節(jié)點確定工序基本信息,包括運行設(shè)備、工步、工位、執(zhí)行人員、檢驗信息。通過信息采集獲得車間各個設(shè)備的實際運行狀態(tài)，以及指導(dǎo)完成物料配送，刀具工裝的切換。通過在線測量實現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控報警,通過可視化的現(xiàn)場生產(chǎn)管理實現(xiàn)對突發(fā)事件、緊急狀況的處理,圖5為生產(chǎn)工作流程應(yīng)用的功能模塊。

圖5 生產(chǎn)工作流程應(yīng)用的功能模塊

2 項目系統(tǒng)方案

彎管類零件智能化生產(chǎn)線系統(tǒng)架構(gòu)分企業(yè)層、管理層、數(shù)據(jù)層、操作層、控制層和現(xiàn)場層等6層，項目系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖6所示。企業(yè)層、管理層為數(shù)字空間，操作層、控制層和現(xiàn)場層為物理空間，數(shù)字空間與物理空間之間的溝通、控制與反饋是通過中間數(shù)據(jù)層的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和物品碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)反饋。將物理世界即現(xiàn)場機床加工、物料配送、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品進度實時傳遞到數(shù)字空間，管理層和企業(yè)層的生產(chǎn)運營管理、倉庫物理管理和企業(yè)資源規(guī)劃及時做計劃調(diào)整，確保現(xiàn)場設(shè)備運轉(zhuǎn)效率最高。技術(shù)保障實時處理來自現(xiàn)場加工的技術(shù)問題，通過工藝仿真盡可能地減少制造過程的不確定性如零件加工中的零件尺寸變形等。

圖6 項目系統(tǒng)整體架構(gòu)

(1)企業(yè)層

以全生命周期管理(PLM)為主線，基于研發(fā)設(shè)計、制造和檢測一體化運行的要求，從不同層級獲取信息，通過系統(tǒng)處理，分別將生產(chǎn)計劃指令傳遞到研發(fā)設(shè)計端的產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計，并將工藝設(shè)計信息向制造和服務(wù)傳遞，制造端的產(chǎn)品制造履歷和服務(wù)端的產(chǎn)品服務(wù)過程數(shù)據(jù)向產(chǎn)品設(shè)計端閉環(huán)反饋。

(2)管理層

管理層是由零件工藝設(shè)計、工廠/生產(chǎn)線規(guī)劃、倉庫物理管理和生產(chǎn)運營管理組成。

零件工藝設(shè)計是將現(xiàn)有不同平臺的多個工藝設(shè)計系統(tǒng)進行深入集成化改造，建立統(tǒng)一的工藝數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，為多系統(tǒng)共享工藝數(shù)據(jù)創(chuàng)造條件。將CAD/CAM/仿真/工裝系統(tǒng)與工藝設(shè)計系統(tǒng)深度融合，全面提高工藝設(shè)計效率。以結(jié)構(gòu)化工藝信息模型為基礎(chǔ)，建立集成化三維工藝設(shè)計環(huán)境。基于三維模型和BOM的工藝設(shè)計是將工藝仿真流程集成在工藝設(shè)計總流程之中，使其從基于經(jīng)驗的工藝設(shè)計轉(zhuǎn)為基于數(shù)字化仿真驗證的工藝設(shè)計。改進技術(shù)人員操作界面，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化模型驅(qū)動的多視圖工藝設(shè)計，實現(xiàn)工藝結(jié)構(gòu)樹、結(jié)構(gòu)化工藝實體、“所見即所得”工藝圖表、三維工藝模型、工序路線圖表、實時BOM等多視圖的互聯(lián)互動。與工藝知識專家決策系統(tǒng)進行集成，具備基于知識快速工藝設(shè)計能力，工藝資源、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和知識的管理與應(yīng)用,涵蓋工藝業(yè)務(wù)全過程，加強多專業(yè)工藝的協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)面向整個產(chǎn)品的工藝協(xié)同管理,工藝更改管理及技術(shù)狀態(tài)管理。

建立基于模型的全專業(yè)全流程工藝設(shè)計仿真系統(tǒng)，數(shù)控加工、熱處理、表面處理、三坐標(biāo)檢測等各專業(yè)仿真與工藝設(shè)計系統(tǒng)深度集成，建立仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，提高仿真工作效率，仿真結(jié)果與工藝規(guī)程通過PBOM直接相關(guān)，作為工藝規(guī)程審批與評審依據(jù)。同時，也為工廠規(guī)劃和車間布局的提供模型基礎(chǔ)?；谀Ｐ偷墓に囋O(shè)計仿真系統(tǒng)如圖7所示。

工廠規(guī)劃在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程的所有工作環(huán)節(jié)進行統(tǒng)一建模、仿真、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。包括產(chǎn)品開發(fā)數(shù)字化、生產(chǎn)準(zhǔn)備數(shù)字化、制造數(shù)字化、管理數(shù)字化，同時運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行工廠可視化展示。依據(jù)工藝規(guī)程、生產(chǎn)計劃、能力規(guī)劃、設(shè)備間物料運輸次數(shù)進行廠房布局。圖8和表1為某一零件加工工序與加工單元布局關(guān)聯(lián)關(guān)系。系統(tǒng)綜控模塊按計劃節(jié)拍將零件推送到指定機床工位。表1中加工工序中數(shù)字為工藝規(guī)程的加工順序號，如加工順序號是指某一零件10工序、15工序可在編號1的臥式加工中心設(shè)備完成?，F(xiàn)場加工時具體在哪臺設(shè)備完成，由系統(tǒng)綜控模塊按當(dāng)時設(shè)備“忙”、“閑”統(tǒng)一協(xié)調(diào)資源進行加工。

圖7 基于模型的工藝設(shè)計仿真系統(tǒng)

倉庫物理管理是對設(shè)備、刀夾量具、物料配送等生產(chǎn)準(zhǔn)備要素建立統(tǒng)一控制與管理。建立刀具壽命管理系統(tǒng)，實現(xiàn)刀具磨損自動補償、刀具到壽自動報警等功能。建立中央刀庫，實現(xiàn)生產(chǎn)線內(nèi)設(shè)備自動換刀，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)準(zhǔn)備效率。圍繞自動化裝夾和加工過程智能調(diào)控，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)條件下的工裝快換與零件自動裝夾。

圖8 零件加工工序

表1 加工單元關(guān)系表

智能立體庫和倉儲管理系統(tǒng)的建設(shè)，主要是通過計算機、條形碼技術(shù)等手段對產(chǎn)品進行分類存儲和讀取，然后利用AGV小車進行物料配送，最終實現(xiàn)存取自動化、配送智能化。倉儲管理系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)規(guī)則和運算法則，對在制品、組合件、工裝工具等產(chǎn)品進行收貨處理、上架管理、揀貨作業(yè)、補貨管理、出貨管理等。圖9為智能物流控制工作流程。

生產(chǎn)運營管理是應(yīng)用先進的管理理念和信息技術(shù)進行的一種生產(chǎn)制造模式。它以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照訂單數(shù)量、交貨期、生產(chǎn)周期、庫存情況等信息進行自動排產(chǎn)，解決多工序、多資源的優(yōu)化調(diào)度問題，最終達到“交付期產(chǎn)能精確預(yù)測，工序生產(chǎn)與物流供應(yīng)最優(yōu)”，并使交貨期最短、生產(chǎn)效率最高、生產(chǎn)最均衡化。通過信息傳遞，對從訂單下達到完成整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理，對加工過程進行監(jiān)控，實時了解操作/任務(wù)狀態(tài)、過程參數(shù)、機器/操作員狀態(tài)等，提供連接計劃、工藝、生產(chǎn)車間和設(shè)備的橋梁，同時能對實時發(fā)生的事件及時做出反應(yīng)、報告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對他們進行指導(dǎo)和處理。

圖9 智能物流控制工作流程

生產(chǎn)運營管理是在數(shù)字化車間的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強信息管理服務(wù)，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，合理計劃排程，并通過整體的數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)運營仿真進行推理預(yù)測，實現(xiàn)生產(chǎn)全流程監(jiān)控。圖10為計劃排產(chǎn)系統(tǒng)機床狀態(tài)看板,現(xiàn)場設(shè)備狀況看板不同顏色代表機床加工狀態(tài)，如停機、等待、加工、調(diào)試等。

圖10 計劃排產(chǎn)系統(tǒng)機床狀態(tài)看板

(3)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層將原有數(shù)據(jù)存儲、信息服務(wù)逐步向知識服務(wù)演變，對現(xiàn)場各類信息進行析取、重組、創(chuàng)新、集成，提煉顯性信息，開發(fā)建設(shè)編碼庫、工藝庫、工裝庫、在制品庫、成品庫、制造資源庫，引入專家咨詢機制，逐步對公司制造經(jīng)驗進行沉淀和積累，完成對隱性信息提取，形成彎管類制造共享圖譜，同時根據(jù)特定彎管需求，實現(xiàn)主動推送加工制造服務(wù)信息，最大限度實現(xiàn)信息資源增值。

對現(xiàn)場零組件、設(shè)備、工裝、刀具等統(tǒng)一編碼是公司自動化生產(chǎn)線必備條件，是現(xiàn)場零組件實物狀態(tài)與工藝文件、生產(chǎn)簽署、配套表等保持一致的重要手段，實現(xiàn)了對制造過程中的零組件、材料、工裝和設(shè)備等制造資源的唯一標(biāo)識管理，是提高現(xiàn)場物流和零件實物狀態(tài)管控能力有效途徑。采集的零組件記錄測量的結(jié)果，并將檢測結(jié)果數(shù)據(jù)與其它加工數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)平臺實現(xiàn)集成管理，實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的分析、判斷，能夠根據(jù)檢測結(jié)果查找薄弱環(huán)節(jié)并進行改進，實現(xiàn)檢測過程的數(shù)字化和智能化，提升檢測信息的數(shù)字化管理和大數(shù)據(jù)分析能力。圖11為智能化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)流圖。

圖11 智能化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)流圖

(4)操作層

智能化車間是在數(shù)字化車間的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強信息管理服務(wù)，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，以及合理計劃排程。操作層通過整體的可視化技術(shù)進行推理預(yù)測，利用仿真及虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)全流程監(jiān)控。換句話說，智能化車間的本質(zhì)就是人與機器的相互協(xié)調(diào)合作。

物聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感設(shè)備，實施采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)連接，方便識別、管理和控制。在離散制造企業(yè)車間，數(shù)控車、銑、磨、鍛、鑄、焊、加工中心等是主要的生產(chǎn)資源。在生產(chǎn)過程中，將所有的設(shè)備及工位統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)管理，使設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與計算機之間能夠聯(lián)網(wǎng)通訊，設(shè)備與工位人員緊密關(guān)聯(lián)。目前DNC、MDC、零件自動裝配、自動去毛刺、自動洗滌等系統(tǒng)及設(shè)備均可在物聯(lián)網(wǎng)上得到應(yīng)用。圖12為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)拓撲圖。

(5)控制層

從數(shù)字化車間向智能化車間轉(zhuǎn)變的過程中，其實質(zhì)的變化就是增加了人機交互的能力。組建工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)使設(shè)備儀器等自動化設(shè)備互通互聯(lián)、融入采集技術(shù)，來搭建智能化車間底層基礎(chǔ)。

車間基礎(chǔ)建設(shè)方面搭建百兆級工業(yè)以太網(wǎng)，所有設(shè)備及工位附近均有工業(yè)以太網(wǎng)接入點，整個車間范圍內(nèi)覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)，并配備安全保密設(shè)備設(shè)施。所有設(shè)備及物流小車等在MDC和DNC系統(tǒng)的應(yīng)用下進行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)采集，并通過MES系統(tǒng)進行指令的傳輸和交互。

圖12 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)拓撲圖

以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，在工位進出口、加工單元出入口、機械手、加工設(shè)備艙門、檢驗室入口、立體庫入口、物流關(guān)鍵節(jié)點及通道安裝RFID接收樁，所有物料及人員在車間內(nèi)流動，可通過隨件或隨身的RFID電子標(biāo)簽來進行識別，并通過控制系統(tǒng)指導(dǎo)物流小車的運輸路線。所有物流信息均存儲于MES系統(tǒng)中，便于進行工藝動線的分析和生產(chǎn)進度的查詢。

就基于物聯(lián)網(wǎng)下的DNC系統(tǒng)而言，工藝員可以在自己的計算機上進行編程，將加工程序上傳至DNC服務(wù)器，設(shè)備操作者可以在生產(chǎn)現(xiàn)場通過設(shè)備控制器下載所需要的程序，待加工任務(wù)完成后，再通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)控程序回傳至服務(wù)器中，由工藝員進行比較或歸檔，并通過MDC系統(tǒng)實時監(jiān)控設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，使整個工序的加工過程實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、追溯化管理。

接入現(xiàn)場設(shè)備的工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容，但在應(yīng)用層會加入各自特有的協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)相較于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)有較多的優(yōu)點：具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠提供充足的帶寬；具有相同的通信協(xié)議，應(yīng)用Ethement和TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都能應(yīng)用到工業(yè)以太網(wǎng)上。在整個網(wǎng)絡(luò)中，運用了交互式和開放的數(shù)據(jù)存取技術(shù)，能在同一總線上運行不同的傳輸協(xié)議，從而使企業(yè)公共網(wǎng)絡(luò)平臺或基礎(chǔ)架構(gòu)具有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的設(shè)置、維護和診斷工具。允許使用不同的物理介質(zhì)和構(gòu)成不同的拓撲結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)移動單元如圖13所示。

圖13 標(biāo)準(zhǔn)移動單元

(6)現(xiàn)場層

現(xiàn)場層包括智能數(shù)控機床裝備、智能機器人裝備、自動生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)裝備(主要由智能加工工件物流管理分系統(tǒng)、智能加工刀具管理物流分系統(tǒng)、自動工件裝夾分系統(tǒng)、工件上下料分系統(tǒng)、物料編碼/掃碼分系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成)。

現(xiàn)場顯示單元能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控，保證生產(chǎn)現(xiàn)場的安全以及現(xiàn)場問題的追溯。為達到可視化管控目的，可采取車間大屏幕滾動警示、生產(chǎn)現(xiàn)場工人觸摸屏、現(xiàn)場問題警示客戶端、設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控、訂單進度實時監(jiān)控等模式來解決車間生產(chǎn)現(xiàn)場的透明度問題。圖14為現(xiàn)場監(jiān)控看板。

圖14 現(xiàn)場監(jiān)控看板

現(xiàn)場機器人選擇，根據(jù)業(yè)務(wù)流程選擇桁架機器人和行走機器人。本項目選擇機器人主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。機器人行走機構(gòu)的滑臺運行是由華大伺服電機通過行星減速機1:20的速比，帶動齒輪旋轉(zhuǎn)在齒條上來回運行，運行速度在15m/min(可調(diào))。滑臺最大載重1 000 kg，總控制系統(tǒng)采用華中8型。軌道裝置主要技術(shù)參數(shù)如表3所示,圖15為機器人和移動滑道組成圖。

表2 機器人主要技術(shù)參數(shù)

表3 軌道裝置主要技術(shù)參數(shù)

圖15 機器人和移動滑道組成圖

數(shù)控機床通過傳統(tǒng)傳感器和智能傳感器采集機床狀態(tài)信息，并經(jīng)由通訊接口傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器通過分布式計算完成大數(shù)據(jù)挖掘、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)操作、健康評估、預(yù)測、決策支持，對可能出現(xiàn)的故障進行預(yù)警。系統(tǒng)實時監(jiān)控整個生產(chǎn)線運行指標(biāo)，通過分析故障數(shù)據(jù)，對機床進行健康檢查。若檢測到故障信息，則通過知識庫及專家推理功能，遠程得出故障原因，并通過一體化終端對故障信息制定預(yù)防性的維護計劃及故障原因發(fā)送；對于需要人為協(xié)助解決的故障，則通過彈出對話框和報警燈等方式通知操作人員進行故障處理，并展示分析出來的故障原因和解決方案，以便最終達到保證機床健康運行的目的。圖16所示為柔性生產(chǎn)線遠程健康維護子系統(tǒng)。

圖16 機床遠程健康維護子系統(tǒng)

3 結(jié)論

通過項目實施,生產(chǎn)效率從改造前的56%上升到87%，產(chǎn)品合格率提高30%。過去2人開1臺機床(2班制)，改造后1人開4臺機床(3班制)，人員大幅度減少。彎管類零件柔性智能化生產(chǎn)線中計劃調(diào)度模塊科學(xué)分配工作任務(wù)，避免機床超負荷工作，減少機床空閑狀態(tài)。彎管類零件柔性智能化生產(chǎn)線項目實施后，增加了機床有效工作時間，減輕了操作工人的勞動強度，生產(chǎn)效率大幅度提升，大幅度提高分廠管理能力。