數控智能制造單元的改造方案設計

◎梁樹戈

一、前言

近幾年，隨著“德國工業4.0”，“中國制造2025”等新概念的提出，新一輪科技革命已經引發了新一輪的產業革命，標志著現代制造業進入智能制造的時代，這是一次巨大的產業革命，錯過了工業4.0也就錯過了這個時代。在粵港澳大灣區，傳統的制造業也開始轉型升級，許多傳統的機械制造企業也紛紛耗資引進智能制造的加工設備和先進的制造技術，同時也催生了智能制造技術人才短缺的問題。為了順應時代的發展和迎合企業對高技能人才的需求，許多職業院校數控技術應用專業面向裝備制造、機械加工、智能制造產業增設了智能制造技術的專業方向。

職業院校要培養智能制造技術人才，必須要有和智能制造企業生產相匹配的實訓設備。特別是珠三角發達地區的職業院校，數控專業的實訓設備數量和生均設備值都逐年上升，很多學校的實訓車間堆滿了數控車床，加工中心等設備，設備的使用率低、閑置率高，如果再另外購置智能制造單元，很多學校將沒有多余的場室放置，也造成資源的浪費。如何破解以上難題，筆者主持了學校數控專業實訓場室改造的方案，根據企業生產的實際情況，利用學校原有的數控車床和加工中心等設備設計改造成為小型生產型智能制造單元。

二、智能制造單元設計的思路

小型生產型智能制造單元，以“物聯網+制造”為主題，生產企業智能工廠改造實踐為實施參考，以產品多樣化定制小批量生產為目的的工業生產型智能制造生產線系統。機床及智能制造單元是現代主流的先進自動化制造單元，采用工業+教育+新模式的概念，由多個柔性加工單元組成，能夠根據作業任務要求和現場環境變化迅速進行重組和調配，以適應多品種、中小批量的的生產作業。它包括自動搬運系統、數控加工系統和倉儲系統等部分。系統由1套智能制造管理軟件系統、1臺四軸加工中心、1臺工業級工業機器人、1臺車銑復合機床、1套立體倉庫及附件為主體組成智能自動化數控加工生產線，應用了互聯網、物聯網信息化技術、先進控制技術、高性能制造設備、高速數據采集系統和智能化檢測單元，涵蓋訂單獲取、產品加工、產品檢測及物流倉儲的生產階段，以多軸數控加工為核心，將數控加工、工業機器人應用、光電傳感技術、PLC控制、氣動與控制、交流伺服控制、機電一體化傳動、智能制造MES管理軟件技術等知識內容緊密結合，融合到每一個模塊的學習以及實驗當中。學生可參與多個工位的實踐教學，掌握實現工業4.0智能制造中多軸數控加工和工業機器人應用等軟硬件軟件應用等一些關鍵基礎技術，了解基于物聯網的工業4.0的智能制造的流程和先進制造技術。在教學應用中，可以讓學生從整體角度掌握智能制造機電一體化設備的應用和綜合集成技術。

圖1：智能制造單元效果圖

三、智能制造單元的改造方案

1.在現有實訓樓進行測量環境后進行改造，以下為根據實際場地改造布局圖。一套智能制造單元的總占地面積大約45平方米，圍欄的長度為9.2米，寬度5.2米。主要設備有1臺四軸加工中心、1臺工業機器人、1臺車銑復合車床、1套立體倉庫系統。2.機器人系統參數及功能。

圖2：智能制造單元改造布局圖

圖3：機器人系統參數

圖4：機器人上下料流程

3.機器人自動夾爪系統設計及功能。

根據零件的尺寸及夾持的負重設計卡爪，每套卡爪可調整的夾持直徑為10mm。

圖5：機器人氣動卡爪的功能

4.加工中心夾具設計及功能。

機器人把工件放置在三爪卡盤上，液壓卡盤收縮或張開將工件夾緊，完成裝夾。

圖6：加工中心液壓三抓自動卡盤

5.傳送機構-地軌設計。

機器人在地上水平移動的軌道，使機器人的運動范圍更廣。地軌為非標設計，可以是直線型、圓環形或其他形狀，本方案根據兩臺機床自動防護門的方向設計成直線型。

圖7：地軌設計效果圖

6.立體倉庫系統。

考慮到示范教學的需要，料倉要用于加工零件的存放，滿足機器人及人工上下料的要求，共含有8個倉儲位，四個倉儲位配置相應工件的料架，另外四個倉儲位預留好安裝物架的位置，料架更換便利，人工上料與機器人上下料實現分離式上下料，保證操作安全。

圖8：立體倉庫系統效果圖

7.其他輔助配置。

安全防護欄是為了保證操作人員人身安全，機械在自動化生產過程中是不允許有人進去的。若是自動化過程中出現問題需技術人員進入查看，在防護欄入口門處按下急停按鈕，便自動化程序停止，所有設備停止工作，裝配監控系統可實時監控設備工作情況。安全圍欄采用方管與鐵網絲焊接而成，配置插銷鎖，安全門鎖，可將生產人員及機械設備隔離起來，在生產過程中起到保護作用，降低事故風險。圍欄高度為2m米。安全防護欄外側兩邊安裝自動化看板，展示自動生產單元的安全操作規范，自動化線的布局等自動化相關信息。

金屬切削過程中不可避免的伴隨著刀具磨損甚至破損的現象，在傳統的切削加工過程中，加工者一般通過切削聲音、刀具表面顏色或切屑狀態來判斷更換刀具的時機，然而這種判斷是建立在主觀經驗基礎上的，有時會由于更換刀具不及時，影響工件的加工表面質量和尺寸精度，嚴重時甚至會造成工件的損壞和機床故障；有時也會由于刀具更換過早，增加了刀具更換頻率，造成生產成本的提高和生產效率的下降。本方案使用接觸式的檢測方法，可以快速準確判斷出斷刀，并且通過系統軟件控制，使機床產生相應的報警信息，終止機床程序運行，對產品質量提供良好的保障。

圖9：安全護欄效果圖

8.加工中心和車銑復合機床的自動化改造。

加工中心和車銑復合機床原有的防護門是手動關閉，必須要進行自動化改造，滿足機器人上下料的使用要求。通過增加自動門裝置，配置相應的開關門感應信號，增加系統plc控制軟件邏輯功能模塊以滿足自動門控制及與機器人配合上下料的動作要求。增加機器人I/O接頭單元，提供機器人系統與車床系統的通信。軟體功能包含：（1）M代碼的處理，及相關M代碼的完成邏輯；（2）機床請求更換條件邏輯；（3）機器人與機床相關交互信號處理；（4）機床功能部件控制邏輯；（5）機床相關報警信息。

四、智能制造單元的教學應用及后期規劃

1.可開設的教學實訓課程。

面向數控技術應用專業的智能制造方向、工業機器人應用與維護、機電技術應用等專業開設《數控系統編程與操作》、《多軸數控加工技術實訓》、《機器人基礎實訓》、《機器人安裝、調試與維護實訓》、《傳感器、伺服電機控制、氣動控制技術實訓》、《PLC編程控制實訓》、《實時交互式虛擬仿真實訓》等智能制造課程。

2.后期規劃。

現代轉備制造企業的生產是將多套設備通過工業互聯網串聯起來，打造成為一個閉環的智能制造生產線。當多套智能制造單元完成改造，職業院校可以建設智能制造專業群數字孿生教學工廠，打造工業互聯中心，建設配套智能制造單元的軟件實訓室和技能競賽的平臺，解決教學工位不足的問題，滿足智能制造技能競賽的需求。