基于MES的汽車空調(diào)活塞自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)*

王 軍，李 想，張 萌，倪忠進(jìn)，倪益華，姚富強(qiáng)

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院 浙江省木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311300；2.浙江易鋒機(jī)械有限公司, 浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

0 引言

面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的汽車制造產(chǎn)業(yè)，隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的崛起，汽車零部件加工業(yè)正面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)[1]。汽車空調(diào)壓縮機(jī)是汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的心臟，具有壓縮和輸送制冷劑蒸汽的作用，壓縮機(jī)活塞更是主要的樞紐部件之一[2-3]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車空調(diào)壓縮機(jī)活塞的出口需求量巨大，呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，具備大規(guī)模生產(chǎn)特征，傳統(tǒng)的單一工序相互獨(dú)立的生產(chǎn)模式已經(jīng)無法適應(yīng)大規(guī)模的生產(chǎn)要求，主要表現(xiàn)為人力成本高、生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)品合格率低和信息傳遞效率低等一系列問題[4-6]。以浙江省某汽車零部件制造企業(yè)為例，研究汽車空調(diào)活塞的加工工藝過程，設(shè)計(jì)活塞基本加工工藝流程，對(duì)活塞制造車間自動(dòng)化生產(chǎn)線總體布局以及相關(guān)組成機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，并融合信息化技術(shù)，設(shè)計(jì)了面向汽車空調(diào)活塞加工車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊，實(shí)現(xiàn)上層計(jì)劃管理與底層車間之間的信息快速響應(yīng)與交互功能，構(gòu)建了基于MES的汽車空調(diào)活塞自動(dòng)化加工生產(chǎn)線。生產(chǎn)線各工序間銜接有序，高效完成汽車空調(diào)壓縮機(jī)活塞的自動(dòng)化生產(chǎn)，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量[7-10]。

1 活塞基本加工工藝設(shè)計(jì)

汽車空調(diào)壓縮機(jī)作為空調(diào)制冷系統(tǒng)的核心零部件，主要承擔(dān)壓縮和輸送制冷劑蒸汽的作用，改善汽車內(nèi)部空氣質(zhì)量，有效提高汽車駕駛?cè)藛T駕車的舒適程度，減少事故發(fā)生概率。壓縮機(jī)工作條件相對(duì)其他零部件較為嚴(yán)酷，以至于經(jīng)常出現(xiàn)各種問題和故障，從而影響整個(gè)汽車空調(diào)系統(tǒng)的正常工作，這里面起著關(guān)鍵性作用的就是汽車空調(diào)壓縮機(jī)活塞。以PXE類型活塞為研究對(duì)象，主體結(jié)構(gòu)可分為槽、頸部、坡口、中心孔、活塞座和活塞筒等部分，具體工藝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽車空調(diào)活塞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

壓縮機(jī)活塞的加工過程比較繁雜，容易出現(xiàn)各種工藝問題。主要表現(xiàn)在：活塞的裙部和頂部壁厚較薄，切削力過大容易引起變形，降低加工精度；活塞對(duì)各加工表面尺寸和相互位置精度要求較高，極易出現(xiàn)加工誤差。因此加工過程中需要選擇合適的夾具和生產(chǎn)設(shè)備，制定合理、有效的生產(chǎn)工藝流程，保證加工過程的連續(xù)、高效和安全性。根據(jù)活塞的加工方式和工藝要求，將加工過程劃分成13道工序，30道工步，每道工序包括不同的工步，其加工工藝流程如圖2所示。

2 活塞加工車間布局設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)活塞自動(dòng)化加工生產(chǎn)線是車間布局的核心組成部分，本文研究開發(fā)的活塞自動(dòng)化加工生產(chǎn)線主要由數(shù)控組合機(jī)床、物料輸送軌道、智能AGV小車以及升降臺(tái)等機(jī)構(gòu)組成，該自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了活塞加工過程的連續(xù)、高效化，極大的提高了產(chǎn)品的加工速度和生產(chǎn)效率。根據(jù)活塞的加工工藝要求，考慮設(shè)備加工、物流運(yùn)輸以及作業(yè)空間各方面的要求，對(duì)整個(gè)活塞加工車間進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)。在經(jīng)濟(jì)實(shí)用的基礎(chǔ)上，綜合考慮生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量等多種因素，設(shè)計(jì)包括自動(dòng)化上下料、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、物流運(yùn)輸、控制中心和工作臺(tái)等現(xiàn)場(chǎng)機(jī)構(gòu)的總體平面布局圖，具體如圖3所示。

圖3 自動(dòng)化生產(chǎn)線總體布局平面圖

上述PXE活塞加工車間主要由4條自動(dòng)化加工組合生產(chǎn)線，每條線由一臺(tái)數(shù)控磨床，3臺(tái)數(shù)控銑床以及8臺(tái)數(shù)控組合車床組成，每臺(tái)組合機(jī)床控制對(duì)應(yīng)工序，單臺(tái)組合機(jī)床工序時(shí)間約為32s，其中數(shù)控組合車床4、5，7、8以及數(shù)控組合銑床2、3分別控制相同工序，對(duì)應(yīng)工序時(shí)間是其它單臺(tái)機(jī)床的兩倍，具體工序?qū)?yīng)表如表1所示。

表1 機(jī)床-加工工序?qū)?yīng)表

3 自動(dòng)化生產(chǎn)線主要組成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)化組合機(jī)床設(shè)計(jì)

現(xiàn)代自動(dòng)化組合機(jī)床集自動(dòng)上下料和加工功能于一體，主要由數(shù)控車床、數(shù)控銑床和數(shù)控磨床等不同類型的特殊加工機(jī)床，自動(dòng)化上下料機(jī)構(gòu)以及相關(guān)控制系統(tǒng)軟件組成。自動(dòng)化組合機(jī)床作為活塞自動(dòng)化加工生產(chǎn)線的核心組成部分，三維結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。該組合機(jī)床上下料機(jī)械手采用DIY-2型組合機(jī)械手，具有3個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸移動(dòng)以及在機(jī)械手爪關(guān)節(jié)處實(shí)現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)；活塞裝載設(shè)計(jì)有特殊的料盤，料盤進(jìn)入機(jī)械托盤指定位置，實(shí)現(xiàn)抓取活塞的準(zhǔn)確定位；機(jī)械托盤通過氣壓驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)待加工料盤和已加工料盤的切換，并利用輸送帶方式實(shí)現(xiàn)料盤的上料與下料動(dòng)作；機(jī)械手爪通過旋轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)料盤中已加工活塞和待加工活塞的位置轉(zhuǎn)換，保證機(jī)加工過程的連續(xù)性和高速性。

1.數(shù)控機(jī)床 2.X軸滑軌 3.Y軸滑軌 4.電箱 5.控制系統(tǒng)面板 6.底座7.機(jī)械手抓 8.PXE活塞料盤 9.機(jī)械托盤圖4 自動(dòng)化組合機(jī)床結(jié)構(gòu)模型

控制系統(tǒng)是組合機(jī)床的核心組成部分，主要作用是控制機(jī)械手對(duì)活塞的準(zhǔn)確抓取，負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)及氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，料盤進(jìn)入托盤固定位置，控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定料盤中活塞的位置坐標(biāo)，從料盤靠近機(jī)床的一端為起始點(diǎn)，按照固定的順序?qū)钊M(jìn)行抓取。料盤中存在物料時(shí)，機(jī)械手爪1在XY軸滑軌預(yù)先設(shè)定的指定方向運(yùn)動(dòng)，將料盤中的活塞抓取提升并旋轉(zhuǎn)180°，傳遞給機(jī)械手爪2，沿著X軸滑軌向機(jī)床中的夾具靠近，待裝夾完成后，進(jìn)行機(jī)加工。機(jī)加工完成，松開夾具，機(jī)械手爪2抓取加工好的零件沿著X軸退回原來位置，通過Y軸回到原來高度，通過旋轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)兩個(gè)手爪的位置轉(zhuǎn)換，將加工好的零件與待加工的活塞位置調(diào)換，然后將加工好的活塞放入料盤，并從料盤取出一個(gè)待加工活塞執(zhí)行以上循環(huán)，具體工作流程如圖5所示。

圖5 機(jī)械手工作流程

控制系統(tǒng)主要的硬件設(shè)施安置于上下料機(jī)械手上的電箱之內(nèi)，包括電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制卡、畜電器、擴(kuò)展版和伺服驅(qū)動(dòng)器等硬件設(shè)備；軟件部分采用Visual Basic程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫，用戶界面可以對(duì)操作步驟進(jìn)行程序修改，主要有“新建程序”、“打開程序”、“增加步驟”、“插入步驟”、“更新更改”、“刪除步驟”等菜單切換項(xiàng)，控制系統(tǒng)軟件界面如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)軟件界面

3.2 自動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

活塞的檢測(cè)原先是通過手工測(cè)量，首先下壓表頭，再將活塞球坑放入半球形定位片上，之后停止下壓，松手等待表頭回彈，讀出數(shù)值，最后測(cè)量活塞下球坑至底面長(zhǎng)度。手動(dòng)測(cè)量需要的時(shí)間長(zhǎng)，精度低，誤差較大，顯然不適應(yīng)工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線的運(yùn)行模式，且在定位等方面存在問題。通過對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方式的研究分析，觀察表讀數(shù)變化，準(zhǔn)確定位PXE活塞，設(shè)計(jì)出一套高效率的自動(dòng)化測(cè)量機(jī)構(gòu)，實(shí)際測(cè)量流程如圖7所示。該測(cè)量機(jī)構(gòu)不僅有效的改善測(cè)量速度與精度，而且很大程度上降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)物-模型三維對(duì)照如圖8所示。

圖7 自動(dòng)化測(cè)量方案流程

圖8 活塞測(cè)量實(shí)物-模型

3.3 物料運(yùn)輸模塊設(shè)計(jì)

物料運(yùn)輸模塊是協(xié)調(diào)加工、倉(cāng)儲(chǔ)和檢測(cè)等主要模塊的交通樞紐，活塞自動(dòng)化車間物料運(yùn)輸主要采用專業(yè)特殊料箱和I-SO型AGV自動(dòng)巡航小車，該小車具有多種可選速度，安全防撞、避障以及報(bào)警燈功能特點(diǎn)。調(diào)配系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)跟進(jìn)小車坐標(biāo)位置，精確實(shí)現(xiàn)物料輸送以及自動(dòng)巡航功能。

(1)定位算法模塊設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)是物料運(yùn)輸模塊的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)采用無線射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)進(jìn)行定位，具有成本低廉、操作方便以及定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。車間有規(guī)則的布滿RFID定位標(biāo)簽，按照網(wǎng)格劃分區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)時(shí)接收車間生產(chǎn)設(shè)備位置點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，通過DPC(Destination Point Code)聚類算法接受信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength，RSS)建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，以Bootstrap作為指紋樣本抽取工具，建立決策樹。決策樹采用網(wǎng)格搜索交叉驗(yàn)證(Grid Search Cross Validation, GSCV)的方式進(jìn)行誤差估計(jì)，并對(duì)初始隨機(jī)森林(Random Forests，RF)模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整得到最優(yōu)RF模型。實(shí)時(shí)采集待定位點(diǎn)的RSS數(shù)據(jù)，依據(jù)訓(xùn)練得到的最優(yōu)定位模型，預(yù)測(cè)生產(chǎn)設(shè)備位置，定位原理如圖9所示。

圖9 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

(2)總體調(diào)度規(guī)劃設(shè)計(jì)

根據(jù)上述定位方法原理，車間任何位置都可以依靠該定位系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，將智能巡航小車、數(shù)控機(jī)床以及行駛路徑進(jìn)行相關(guān)編號(hào)，建立數(shù)據(jù)信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)調(diào)配系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)巡航小車和機(jī)床信號(hào)的發(fā)送與接收，全局服從統(tǒng)一調(diào)度。機(jī)床進(jìn)行工件加工的過程中，向調(diào)配系統(tǒng)發(fā)送機(jī)床物料需求指令，調(diào)配系統(tǒng)接收位置機(jī)床送料指令，安排特定編號(hào)的AGV小車按預(yù)定軌道和程序運(yùn)行，完成送料指令，具體調(diào)度過程如圖10所示。

圖10 自動(dòng)巡航小車調(diào)度示意圖

4 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

系統(tǒng)的主要構(gòu)架包括數(shù)據(jù)采集層、事務(wù)處理層、功能服務(wù)層和系統(tǒng)應(yīng)用層4個(gè)主要部分。依托車間現(xiàn)場(chǎng)的傳感技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)6要素進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，通過車間局域網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)形成相應(yīng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊事件處理，連接系統(tǒng)服務(wù)接口輸出到文檔管理、權(quán)限管理、生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理和質(zhì)量管理6個(gè)主要功能模塊，具體的功能架構(gòu)如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)主要架構(gòu)

通過對(duì)汽車空調(diào)壓縮機(jī)活塞加工工藝、車間布局和生產(chǎn)線組成機(jī)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)，分析活塞加工車間的生產(chǎn)、位置、環(huán)境、機(jī)床、工藝和加工等數(shù)據(jù)類型，選用條碼技術(shù)、紅外傳感器、CCD傳感器和RFID傳感器等進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型和接口技術(shù)，優(yōu)選OPC標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee、GSM/GPRS/UMTS、Wi-Fi、Bluetooth、UWB及組態(tài)等技術(shù)，構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)獲取活塞制造車間海量、異構(gòu)數(shù)據(jù)。通過過濾與篩選，建立數(shù)據(jù)邏輯模型，提取生產(chǎn)對(duì)象的空間信息、屬性信息、時(shí)間信息以及與生產(chǎn)狀態(tài)的關(guān)系，研究生產(chǎn)監(jiān)控事件的描述方法與事件檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)活塞制造車間實(shí)時(shí)異常檢測(cè)。具體的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集如圖12所示。

圖12 車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集需要傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，作為汽車空調(diào)活塞MES主要構(gòu)架的重要組成部分之一，基本的數(shù)據(jù)庫(kù)模型包括人員、設(shè)備、物料、工藝以及作業(yè)計(jì)劃等數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基本功能，以基礎(chǔ)物料數(shù)據(jù)采集為例，設(shè)計(jì)、編寫基礎(chǔ)物料數(shù)據(jù)模型，模型關(guān)系如圖13所示。

圖13 基礎(chǔ)物料采集模型

根據(jù)汽車空調(diào)活塞自動(dòng)化加工車間的實(shí)際生產(chǎn)狀況和需求，對(duì)MES的主要功能模塊進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，開發(fā)包括基礎(chǔ)文檔、權(quán)限管理、生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理和質(zhì)量管理6個(gè)部分主要功能模塊，采用JAVA語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行程序編寫，從系統(tǒng)登陸到系統(tǒng)主界面，再到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體功能模塊，主要的軟件系統(tǒng)如圖14所示。

圖14 系統(tǒng)功能模塊軟件截圖

5 結(jié)論

針對(duì)目前企業(yè)汽車壓縮機(jī)空調(diào)活塞加工生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品不合格率高以及人力成本過高等問題，以浙江某制造企業(yè)為例，面向汽車空調(diào)活塞加工工藝，對(duì)活塞的基本加工工藝流程進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，集成自動(dòng)上下料、自動(dòng)檢測(cè)和物料運(yùn)輸技術(shù)等功能于一體，合理配置車間自動(dòng)化生產(chǎn)線布局，并以信息化為載體，設(shè)計(jì)開發(fā)出了適用于活塞生產(chǎn)加工車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息流推動(dòng)實(shí)物生產(chǎn)的目標(biāo)。依托生產(chǎn)線各模塊之間的相互協(xié)調(diào)以及信息有效的傳遞、處理，企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中取得了顯著的成效，合理的控制了生產(chǎn)成本，減少人員投入，保障了產(chǎn)品生產(chǎn)的效率和品質(zhì)，為后續(xù)自動(dòng)化、信息化和柔性化加工的研究提供了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。