教學型智能制造生產線的設計*

□ 陸晨芳1 □ 陸 江 □ 龍忠海 □ 丁中華

1. 南京機電職業技術學院 南京 211135 2. 南京翼馬數控機床有限公司 南京 211103

1 研究背景

隨著制造業的飛速發展及經濟全球化,市場競爭不斷加大,制造業的產出正從單一產品轉變為包含產品在內的增值服務和方案解決。制造業已經成為同時對物質、信息和知識進行處理的新產業[1]。在此背景下,我國提出制造強國戰略“中國制造2025”,并發布《智能制造發展規劃(2016—2020年)》,智能制造在各個生產領域得到了充分重視和蓬勃發展[2-10]。

為適應這一發展趨勢,翼馬公司設計并研發了一款匯集了“中國制造2025”主要技術元素的四齒魔方智能制造生產線,并與南京某學院進行了合作開發。這一生產線既可應用于高校教研,又可服務于企業生產,具有良好的適應性,應用價值高。

2 智能制造生產線簡介

四齒魔方智能制造生產線以個性化定制的四齒魔方為研究對象,利用智能制造方法實現生產過程,是一款集功能性、教學性、娛樂性和觀賞性于一體的教學型智能制造生產線。四齒魔方由20個零件組成,包括十個加工零件(四個齒輪、一個連接軸、一個主體、四個蓋帽)和十個標準件(六個軸承、四個墊片),其總裝圖和分解圖如圖1所示。整條生產線由企業資源計劃(ERP)系統及管理軟件、制造執行系統(MES)、智能裝備組成。智能裝備包括立體倉儲、工業機器人、數控加工設備、激光打標設備、視覺檢測設備、自動裝配設備、物料傳輸設備等。

3 智能制造生產線結構

四齒魔方智能制造生產線的整體布局如圖2所示,主要包含ERP系統、MES(含手機APP個性化定制下單)、立體倉儲、工業機器人、數控加工設備、激光打標設備、視覺檢測設備、自動裝配設備、物料傳輸設備等主體單元,還可根據客戶需求加裝自動導引車(AGV)。

▲圖2 四齒魔方智能制造生產線整體布局

3.1 ERP系統

ERP系統是指在信息技術的基礎上,以系統化的管理思想,為企業決策層及員工提供決策運行手段的管理平臺。翼馬公司采用某航天公司的Aisino ERP.A6企業管理軟件,將財務、稅務、供應鏈、生產制造、辦公協同、商業智能等集成于一體。ERP系統在四齒魔方智能制造生產線中主要用于向MES下達生產指令,并接收MES的生產反饋信息。

3.2 MES

MES是一套面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統。MES可以為企業提供包括制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、工作中心(設備)管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析、上層數據集成分解等管理模塊,為企業打造一個全面、可行的制造協同管理平臺。四齒魔方智能制造生產線的MES總體框架如圖3所示。

▲圖3 四齒魔方智能制造生產線MES總體框架

3.3 立體倉儲

立體倉儲包括一個原料庫(四列五層20個倉位)、一個成品庫(四列五層20個倉位)和一個堆垛機。為實現毛坯出庫和成品入庫的功能,堆垛機需完成左右X軸、前后Y軸、上下Z軸三軸運動。其中X軸和Z軸需要精確定位,由伺服驅動器和伺服電機實現直線運動，Y軸由調速器和變頻電機實現直線運動。

3.4 工業機器人

自動上下料是機器人技術應用的一個重要方面。四齒魔方智能制造生產線采用廣州數控和日本FANUC生產的工業機器人實現搬運功能。這兩款機器人均在原機基礎上,增加了機械元件和電氣元件,可通過指令編程實現相應的動作。其中,廣州數控生產的機器人主要負責數控車床、數控銑床和激光打標設備的上下料工作,日本FANUC生產的機器人主要負責視覺檢測設備、數控滾齒機和自動裝配設備的自動上下料工作。

3.5 數控加工設備

為完成四齒魔方中各類零件的加工,采用了翼馬公司自主設計研發的數控車床、數控銑床和數控滾齒機這三種加工設備。數控車床用于加工軸套類零件，數控銑床用于加工盤蓋類零件，數控滾齒機用于加工齒輪,其先進的總線式結構以及強大的網絡功能可方便地與MES進行數據對接。

3.6 激光打標設備

激光打標設備主要用于在四齒魔方主體零件上完成激光雕刻。采用歐姆龍專業偏振鏡激光頭,結合EzCad軟件,可在40 mm×40 mm的零件表面打印出客戶要求的定制LOGO。

3.7 視覺檢測設備

視覺檢測設備主要用于檢測零件是否合格。采用歐姆龍視覺檢測設備,在具有高靈敏度、高分辨率圖像拍攝功能的相機上,安裝了高速視覺控制器,無需高級編程或設備組合,即可實現高速、高精度的檢查測量。

3.8 自動裝配設備

自動裝配設備采用雙工作臺形式,通過直線運動和旋轉運動的相互配合,將十個加工零件和十個標準件按照準確放置、按壓安裝、螺紋安裝等步驟,最終組裝成四齒魔方。

3.9 物料傳輸設備

整條生產線采用皮帶傳輸的方式,由調速器和變頻電機實現傳輸運動,可根據客戶需求,決定是否增加AGV。

四齒魔方智能制造生產線的主控制器采用西門子SIMATIC S7-1500可編程序控制器(PLC),同時配置McgsTpc觸摸屏作為生產現場的人機操作界面。智能制造生產線在運行時,既可以由MES發出控制指令，又可以由操作面板按鈕發出控制指令,還可以通過觸摸屏控制和顯示系統運行狀態。

這一生產線具有良好的柔性,通過更改數控加工程序、工業機器人運動程序、PLC控制程序等,可實現其它產品的下單、加工、檢測、裝配等。

4 智能制造生產線工作流程

四齒魔方智能制造生產線定制工作流程如下。

(1) 手機下單。

客戶通過手機APP下單。下單時,輸入定制的LOGO,提交完成后,可在手機上跟蹤生產進度。

(2) 毛坯出庫。

MES接收到客戶的訂單信息后,啟動智能制造生產線,同時將LOGO信息發送至激光打標設備。生產線啟動后,堆垛機將所需毛坯從原料庫中取出,送至物料傳輸設備。

(3) 零件加工。

首先，利用工業機器人的自動上下料功能,并通過物料傳輸設備的環形流水線將物料傳送到數控車床工作臺位置,完成四齒魔方中軸套類零件的加工。然后,將物料傳送到數控銑床工作臺，完成盤蓋類零件的加工。最后，物料被傳送到數控滾齒機工作臺，完成齒輪的加工。

(4) 激光打標。

當工業機器人將零件搬運至打碼工位時,啟動激光打標設備。根據客戶下單時輸入的定制信息,在四齒魔方的主體上打印出定制LOGO。

(5) 視覺檢測。

當工業機器人將零件搬運至檢測工位時,啟動視覺檢測設備。根據相機圖片及視覺控制器的處理結果,將合格零件留下，不合格零件去除。

(6) 產品裝配。

在經過零件加工、激光打標、視覺檢測之后,所有零件準備就緒。此時，工業機器人將零件逐個搬運到裝配工位,通過自動裝配設備將20個零部件裝配成四齒魔方。裝配完成的成品再由工業機器人搬運至物料傳輸設備。

(7) 成品入庫。

立體倉儲接收到物料傳輸設備上傳感器的信號后,啟動堆垛機,將成品送至成品庫。成品入庫之后,向MES發送訂單完成的信息。

(8) 客戶提貨。

當客戶在手機APP上看到訂單完成的信息,可通過手機發送提貨信息,并可選擇快遞收貨或上門自取的取貨方式。

5 結束語

四齒魔方智能制造生產線融合了ERP系統管理軟件操作、MES操作、機電一體化設備機械部件裝調、電氣控制電路裝調、氣動系統裝調、PLC編程、觸摸屏編程、工業機器人編程、數控機床編程、激光打標、視覺檢測、自動生產線安裝與調試,貼合實際工業生產,著重體現真實工業現場的技術應用。

智能制造生產線中的各個單元可分別逐次運行,讓學習者由淺入深、漸進全面地掌握各項技術,幫助他們更好地理解和掌握智能制造的主要技術元素。同時,各主體單元都配有三維虛擬仿真軟件,虛實結合,可實現各項技術的細化教學實訓,并能聯網考核,極大地方便學習培訓。目前,項目組正在積極開發與智能制造生產線相配套的視頻、微課等學習資源,以期后續更好地為學習者服務。