基于工業4.0的智能制造生產線實訓產品設計

◎張維平 任雪飛 李媛媛

基于工業4.0的智能制造生產線實訓產品設計

◎張維平 任雪飛 李媛媛

在“工業4.0”和“中國制造2025”戰略規劃背景下，越來越多的企業需要掌握先進智能制造技術的高端技術技能型人才，各高校也開始積極建設工業4.0智能制造實訓室。本文設計了一條汽車輪轂智能制造生產性實訓產品，具備手機下單、智能生產、視覺檢測、自動打包、自動貼標與智能倉儲等功能，將工業4.0的關鍵核心技術應用于產品設計的不同環節，為高校搭建了一個智能生產的智慧工廠平臺。

2012年初，制造業強國德國提出“工業4.0”發展戰略，代表了未來制造業智能化發展的趨勢。“工業4.0”是指以信息物理系統CPS(Cyber-Physical System)為基礎，以生產中的供應、制造、銷售信息高度數據化、網絡化、智能化為標志，最后達到快速、有效的、智能的個性化產品供應。“工業4.0”提出了一種全集成自動化和個性化定制的創新生產模式，全集成自動化是用一種系統即可實現原來由多種系統搭配起來才能實現的所有功能，產品從設計到制造的所有環節都被打通，能夠與客戶保持實時溝通，并隨時根據顧客要求調整生產線，這樣不僅節省人才、財力，還可以降低出錯率，提高信息準確率。全集成自動化使生產效率大幅度提高，生產線上藍領員工減少，研發、設計、生產人員之間的交流更加扁平化，同時對員工理解生產流程和人機交互的能力提出了更高的要求。“工業4.0”全集成自動化生產模式將傳統流水生產線轉變為“個性化生產單元”，同一條生產線生產不同型號的定制化產品，實現更高效、更低成本的靈活個性化定制。

在“工業4.0”的推動下，中國提出實施“中國制造2025”戰略，目標是用30年時間推動中國從制造業大國向制造業強國轉變。“工業4.0”和“中國制造2025”戰略規劃離不開制造業人才的培養和提升，也離不開高水平的職業教育。職業教育需要應對“工業4.0”、“中國制造2025”的新挑戰，培養制造業轉型升級所需要的高素質技術人才，必須加強工業4.0實訓室建設。

智能制造生產線實訓產品設計

智能制造生產線實訓產品以“工業4.0”為背景，應用大量智能制造設備，結合了當前最前沿的工業機器人、視覺檢測、無線射頻（RFID）、數控機床、大數據、云計算、現場總線和信息管理等先進技術，為高校搭建了一個智能生產的智慧工廠平臺。本設計方案以汽車輪轂的智能生產全過程為對象，描述了從產品下單到加工、檢測、裝箱、貼標、入庫及物流的各環節，通過互聯網訂貨接口，用戶可以自由選擇加工產品的類型和個數，完成訂單提交后，可以根據訂單執行對應該零件所設定的多項加工工序，并最終將合格產品放置于成品區，整個生產制造過程無需人為干預。

基于工業4.0的智能制造生產線實訓設備由總控單元、智能倉儲單元、AGV運輸單元、機器人上下料單元、智能加工單元、智能檢測單元、RFID射頻單元、包裝貼標單元以及智能物流單元等組成，各工作單元由總控臺統一控制、協調工作。根據教學需求，各單元還可以單獨工作，互不影響，為教學提供了便利。控制器選用西門子公司主流的S71200系列產品，通過Profinet現場總線進行主站與從站的連接。PLC及網絡控制系統組成如圖1所示。

智能制造生產線以汽車輪轂加工為生產對象，完成從在線訂單生成-產品加工-質量檢測（視頻檢測）-射頻身份注冊-產品包裝-物流運輸（或入庫）的循環工作過程。實現加工、檢測、包裝、貼標、倉儲及分流的無人化操作。系統工作流程如圖2所示。

（1）在線生成訂單，智能制造生產線能夠為客戶提供定制化服務，客戶可以根據需求在客戶端（手機或計算機）上選擇不同數量、尺寸和不同類型的輪轂。

圖1 PLC及網絡控制系統組成

圖2 系統工作流程圖

（2）智能制造生產線接到客戶訂單后，首先判斷成品庫是否有庫存，如果有，則進行成品出庫，笛卡爾機器人將成品搬運至輸送線上進入物流系統，送貨至指定收貨點；如果沒有庫存，系統就會查詢智能倉儲料架上是否有足夠半成品料庫存，若庫存不足，控制系統向總控臺發送補充原料庫存提示。智能倉庫是帶位置傳感器的智能倉儲料架，不同類型的汽車輪轂已放置在指定的貨架中，具體數量可以由智能料架上的智能傳感器記錄并傳遞給總控系統。當庫存原料滿足生產后，控制系統會開始訂單生產。

1）毛坯件在原料區時，首先由笛卡爾機器人取出對應的半成品料，然后放置在AGV智能小車載物臺上的載具（帶有電子標簽）上，此時控制系統將該產品的相關信息通過RFID技術寫入到載具上的電子標簽中。

2）傳送系統檢測到半成品位于載具中后，1#AGV智能小車將其送到加工單元。不同的產品訂單，具有不同的生產工藝和工序。每種產品的加工工序在使用前已經調試完畢并存入了總控系統。當接到生產某一產品的訂單時，加工中心就會根據客戶訂單對輪轂進行特定的加工。

3）在1#加工中心處，上下料機器人負責將1#AGV小車上的毛坯件搬運至加工中心，對輪轂表面的毛刺與澆口進行加工，加工完成后，再由機器人從加工中心取出重新放回1#AGV小車中。

4）1#AGV小車繼續將加工完成的半成品零部件運送至智能檢測單元，由智能相機判斷半成品零件是否符合加工標準并通過RFID進行產品信息寫入。NG 零配件回收至廢品箱，OK產品自動進入下一工序生產，由1#AGV小車運送至2#加工中心。

5）在2#加工中心處，上下料機器人負責將1#AGV小車上的輪轂搬運至加工中心，加工中心將對汽車輪轂的氣門孔與螺紋孔進行加工，加工完成后，再由機器人從加工中心取出重新放回1#AGV小車中運送至檢測工位。

6）1#AGV小車繼續將加工完成的零部件運送至智能檢測單元，由智能相機判斷加工后的產品是否符合技術要求，如加工尺寸等，并通過RFID進行產品信息寫入。NG 零配件回收至廢品箱，OK產品自動進入下一工序生產。

（3）智能管理系統。智能制造總控平臺主要實現智能生產線的實時監控，該平臺主要負責智能制造生產線的數據處理、控制計算、分析決策和信息交換，同時也是智能生產線控制操作的中心。整個平臺體現了工業4.0與智能制造的感知與接入，服務的封裝、全生命周期管理以及服務的按需使用等關鍵技術理念。

本文提出了一種基于工業4.0的輪轂智能制造生產線實訓產品設計方案，可以按照不同的訂單要求自動組織生產設備進行生產。生產過程中采用電子標簽對產品的加工信息進行讀、寫跟蹤；采用機器視覺技術及各類傳感器技術，實時采集生產信息并反饋“總控系統”便于實時動態調整生產工藝；用戶可以直接參與到產品的定制、下單、生產、物流過程，可以實時獲取自己所需產品的生產狀態。該方案承載了滿足了個性化需求要求的柔性制造技術，職業院校依托設備可以開發《智能制造技術應用》等課程資源，為企業培養更多掌握相關先進技術的高端技術技能型人才。

秦皇島職業技術學院）