柔性制造生產(chǎn)線實訓平臺設計與應用

許鵬輝 董金梁

摘 要：隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的提出，智能制造、人工智能等產(chǎn)業(yè)受重點關(guān)注，并不斷向柔性制造系統(tǒng)或單元發(fā)展。設計的柔性生產(chǎn)線，以一臺地軌機器人和一臺關(guān)節(jié)機器人為基礎，為三臺數(shù)控機床提供上下料工作，并配有智能倉儲和AGV小車負責原材料和成品的運輸和儲藏，呈現(xiàn)真實工廠生產(chǎn)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：柔性制造;生產(chǎn)線;工業(yè)機器人;實訓平臺;MES

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.218

1 引言

柔性制造系統(tǒng)是集工業(yè)機器人、數(shù)控加工、智能控制、機電一體化等技術(shù)于一體的柔性自動化生產(chǎn)線，它滿足了小批量多品種生產(chǎn)需求，是智能制造的核心組成部分。智能制造一線技能人才主要來源是職業(yè)院校學生，本文設計的柔性生產(chǎn)線，是依據(jù)市場發(fā)展需求和教學改革要求，實現(xiàn)從技能教學為主的教學理念變?yōu)橐越炭蒲泻蜑樯鐣諡橹鞯慕虒W理念。既憑借產(chǎn)線開展形式多樣的訓練教學活動，使機械、自動化、電氣及測控等專業(yè)學生的工程能力得到充分的鍛煉，讓學生能夠真實體驗現(xiàn)代制造技術(shù)生產(chǎn)加工的全過程;又依托產(chǎn)線提高社會服務能力。

2 柔性生產(chǎn)線總體概況

該生產(chǎn)線分為車削單元、銑削單元、智能倉儲單元和智能可視化系統(tǒng)單元，它由一臺加工中心、一臺車削中心、一臺數(shù)車、一臺關(guān)節(jié)機器人、一臺地軌機器人、智能立庫、MES軟件等組成。通過MES軟件和電氣系統(tǒng)的通訊和控制，實現(xiàn)了人機交互。從產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)、存儲等方面，實現(xiàn)了加工單元的自動化和模塊化，使機械制造實現(xiàn)了數(shù)字化，使工作效率大步提高。

在教學科研領(lǐng)域，將MES（生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)）和WMS（倉庫管理系統(tǒng)）等系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，將企業(yè)管理和先進制造融于一體。先進生產(chǎn)制造系統(tǒng)融合了光、機、電、氣以及信息一體化、物流管理訓練、計算機輔助制造、工業(yè)造型、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、機器人、視覺圖像識別、數(shù)控制造等技術(shù)。

該實訓基地生產(chǎn)線能實現(xiàn)整體聯(lián)動和單模塊獨立運行。

2.1 聯(lián)動

步驟1，訂單投放，立體倉儲出料，出庫平臺上的RFID（射頻識別）讀寫器讀取工件加工任務信息;

步驟2，AGV（自動導引運輸車）物流小車運送工件至對應工序的加工設備上料區(qū)（物料存儲自動接貨平臺）;

步驟3，加工設備上料區(qū)的RFID（射頻識別）讀寫器讀取待加工零件工序任務，將其信息發(fā)送給加工設備及上下料機器人，設備自動開門，機器人根據(jù)程序選擇性的將工件放置于對應的工裝夾具上，工裝夾具自動夾緊，設備自動關(guān)門，開始自動加工;

步驟4，零件加工完，設備自動開門，機器人取出工件，放置于吹氣單元對工件進行吹干處理，機器人將工件放回物料存儲接貨平臺，將托盤送回至AGV（自動導引運輸車）物流小車上，由小車負責物流將工件傳輸?shù)较聜€加工設備區(qū)，進行下道工序的加工;

步驟5，工件所有工序完成，入庫。如果沒有，則回到步驟3，依次循環(huán)。

2.2 單模塊獨立運行

支持單個模塊獨立運行，例如智能銑削上下料工作站可以在其它工作站斷電或者離線狀態(tài)，進行正常工作，方便學生針對單個模塊進行裝調(diào)、編程、運行與維護等實訓。

3 柔性生產(chǎn)線模塊功能介紹

3.1 智能加工模塊

主要由加工中心、數(shù)控車床（配自動門、自動工裝夾具）、六自由度機器人組成。系統(tǒng)啟動后，工業(yè)機器人將坯料放入加工中心，加工中心開始零件加工，結(jié)束后工業(yè)機器人將經(jīng)過加工的零件放到自動傳輸系統(tǒng)的工裝托板上。

該模塊上下料部分主要由上下料機器人、機器人控制柜、機器人示教器、機器人抓手、機器人底座、機器人地軌式行走軸、物料存儲自動上下料平臺等組成。其中智能車削加工工作站配備地軌式行走機器人，由一臺機器人完成兩臺數(shù)控車床的上下料工作;智能銑削加工工作站配備固定式六軸工業(yè)機器人，完成加工中心的上下料工作。系統(tǒng)啟動后，工業(yè)機器人抓取毛坯料放入加工設備，結(jié)束后工業(yè)機器人將已加工好的零件放回物料存儲上下料平臺的工裝托板上，工裝托板等待AGV（自動導引運輸車）物流小車傳送至下個工位。

該工作站主要滿足學校開設的數(shù)控加工和工業(yè)機器人應用與維護等專業(yè)的教學，培養(yǎng)學生在數(shù)控加工設備工業(yè)機器人的裝調(diào)、編程、運行、設計與維護能力，以及機器人自動上下料系統(tǒng)的集成能力。

3.2 全自動物流倉儲模塊

主要由立體倉庫、WMS（倉庫管理系統(tǒng)）倉儲管理軟件、出庫平臺、入庫平臺、AGV（自動導引運輸車）智能存儲小車、阻擋定位機構(gòu)等組成。完成載貨工裝托板的輸送、定位及分揀工作。

該模塊傳輸線部分由PLC自動控制，各傳輸段的起停、頂升等動作不需用戶操作各傳輸線由交流電機拖動，配置了變頻器。變頻器的各種運行數(shù)據(jù)、報警信息均可以傳給PLC，用戶各種操作指令，也可以在系統(tǒng)操作界面上方便的下達。

每個工位設有RFID無線射頻識別系統(tǒng)，由讀寫器、電子標簽等組成。系統(tǒng)設置多個讀寫器，分別對各主要工位和工序的完成情況及重要信息進行記錄，以便對產(chǎn)品的加工信息進行采集;可與生產(chǎn)線系統(tǒng)通信，實現(xiàn)與生產(chǎn)線的信息交換。最終數(shù)據(jù)全部發(fā)送給電腦保存。

立體貨架設有原料庫和成品庫，均采用巷道式立體庫。每個巷道式立體庫主要包括巷道式堆垛機、工業(yè)型材搭建的立體庫位等組成，主要用于原材料、成品的出庫、入庫以及存儲功能。庫內(nèi)物品通過條碼系統(tǒng)、RFID（射頻識別）系統(tǒng)和WMS（倉庫管理系統(tǒng)）管理軟件來實現(xiàn)物料的信息管理和科學調(diào)配。堆垛機X、Z軸傳動機構(gòu)均采用同步帶及鏈條，由伺服電機驅(qū)動，保證了出庫與入庫動作的速度與精確性。堆垛機取料機構(gòu)采用三級貨叉，由直流電機驅(qū)動，可完成在原料庫與成品庫的雙面作業(yè)。作為擴展功能，用戶還可以對出入庫的庫位進行自定義，并且可實現(xiàn)移庫操作，體現(xiàn)了現(xiàn)代倉儲系統(tǒng)功能強、配置靈活的新理念。通過WIFI無線通訊方式與總控系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和管理。

該模塊主要滿足學校開設的機電一體化和現(xiàn)代物流等專業(yè)的教學，培養(yǎng)學生對智能制造系統(tǒng)物流傳輸線選型、自動化控制及布局設計能力，以及自動化立體倉儲系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、操作能力、維護能力。

3.3 智能總控可視化模塊

模塊主要由總控臺、大屏顯示、監(jiān)控電腦、攝像頭及MES（生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)）軟件組成。其中MES（生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)）軟件是實現(xiàn)產(chǎn)品計劃管理與工業(yè)控制之間信息管理系統(tǒng)。它為操作人員/管理人員提供計劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源的當前狀態(tài)。最終能夠達到以下要求：生產(chǎn)過程實時監(jiān)控、生產(chǎn)常規(guī)管理、生產(chǎn)優(yōu)化改進。

該模塊主要滿足物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)等專業(yè)的教學，培養(yǎng)學生對倉儲管理軟件WMS（倉庫管理系統(tǒng)）的理解與掌握能力，企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)）的認知能力。

3.4 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)設有就地控制柜，配有專用的PLC控制器及觸屏屏，PLC電氣控制及I/O通訊系統(tǒng)，主要負責加工設備、倉儲系統(tǒng)、AGV（自動導引運輸車）物流小車及機器人的I/O通訊控制，在觸摸屏的組態(tài)畫面上可以直接控制整個車間設備的運營。

該模塊主要滿足學校開設的電氣自動化設備安裝與維修等專業(yè)的教學，培養(yǎng)學生PLC的編程、運行與故障診斷能力，以及柔性制造系統(tǒng)中的自動化集成、信息對接、設備改造與維護等能力。

4 結(jié)束語

本文設計的柔性生產(chǎn)線呈現(xiàn)真實工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，完成產(chǎn)品的智能物流和自動裝配、智能倉儲，整個系統(tǒng)通過MES（生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)）生產(chǎn)管理系統(tǒng)控制完成，使工廠無人化生產(chǎn)管理得到實現(xiàn)，使人力成本、誤差得到緩解。它包含了企業(yè)管理、制造加工、物流倉儲等功能，是當代智能化工廠的縮影，局部體現(xiàn)了生產(chǎn)的某些階段，并且后期還可擴展其他工位，讓學生能夠提前走進企業(yè)中。

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