面向數控加工的智能產線設計

摘? 要：針對企業提出的活塞制造自動化的需求，設計開發了一條智能產線，通過整合各種新技術，融合機器視覺檢測技術、PLC控制技術、傳感器技術、工業互聯網技術、制造執行系統等，實現上料、加工、下料、檢測等的一體化控制。智能產線取代傳統的手工操作，降低了勞動強度，保障了產品質量，能適應各種惡劣的生產環境，高效完成指定任務，有效提升了產品及企業的競爭力。

關鍵詞：工業機器人;數控車床;數字孿生;計算機輔助工藝過程設計（CAPP）

1? ? 智能產線的組成

目前，數控技術與智能制造新技術的融合應用越來越廣泛，廣州數控設備有限公司作為智能制造領域的踐行者，積累了豐富經驗。面向數控加工的智能產線主要是根據工藝流程，由若干臺工業機器人和數控機床及工裝夾具等進行聯網組線;PLC控制檢測和流程及系統調度，制造執行系統MES管控信息可視化和數據實時分析處理，實現加工過程無人值守，能對異常狀態進行快速反應和分析判斷，可安全可靠地長時間持續工作，改變了傳統生產方式。

2? ? 智能產線的設計

為提升生產能效，某企業引進智能產線替代人工實現24 h兩班制。隨著工業機器人的發展，智能制造生產線因其能夠快速實現大批量加工、節省人力成本、提高生產效率等優勢，成為越來越多工廠的理想選擇。如何快速正確地完成基于工業機器人和數控機床應用技術的智能制造生產線的設計成為眾多智能裝備系統集成企業頗為頭疼的問題，而隨著數字孿生和計算機輔助工藝過程設計（CAPP）等工業軟件的發展，此類問題得到圓滿解決。數字孿生的主要作用是在產品主體研發完成后和工程實施之前對設計的智能產線進行檢驗，貫穿“設計—工藝—制造調試”全產業鏈，用數字樣機代替物理樣機驗證設計方案的可行性、可靠性、合理性和工藝流程，可防碰撞，得出生產效率，降低成本，減少返工，加速產品上市，實現全生命周期管理，意義重大。

2.1? ? 活塞加工工藝分析

活塞加工是將重量小于30 kg的碳鋼毛坯工件按照圖樣要求加工成成品工件。根據材料特點和精度要求，工件開粗、半精加工、精加工等不同工序須在不同的數控車床上進行，因此，設計方案主要采用2臺全功能數控車床和2臺經濟型數控車床及一臺工業機器人。上料倉配置的視覺系統可自動識別工件的上料位置，換向機構實現工件的翻轉，同時引入制造執行系統MES、PLC、工業互聯網實現智能制造。汽車活塞智能產線設計方案如圖1所示。

該汽車活塞智能加工產線是以典型機器人搬運上下料為背景，結合制造執行系統MES、PLC技術、機器視覺檢測技術、工業互聯網技術和數字孿生等先進手段，提升生產過程信息化、智能化水平，構建的一套智能制造生產線。本產線以制造執行系統MES為核心，有效地將數字孿生技術、信息通信技術以及自動化控制技術等融合為一體，建立智能制造管控系統。基于該系統可完成制造過程中的工藝設計、排產調度、質量控制、狀態監測等功能，建立完整的智能產線。

2.2? ? 工藝流程的制定

分析制定汽車活塞智能產線工藝流程是設計的基礎。應通過與企業技術人員溝通，了解活塞產品的加工精度和其他技術要求，制定整套工藝流程。設計人員還要根據工藝流程，全面考慮活塞工件在各工序之間流轉時必需的翻轉、下上料、導向定位、信號檢測等要求，并統計工業機器人抓取工件時的定位、夾緊、松開、檢測等動作所需時間，綜合分析上述工藝節拍，最終設計出智能產線。經過多次研究論證，最終確定活塞加工的工藝流程如下：

Step1：人工將上料小車上滿料，把小推車推到上料位置，腳輪剎車鎖死，拆下上料倉四周圍欄;把空料倉放在上料倉旁邊;

Step2：料倉上方的相機識別到工件位置，機器人根據視覺判斷抓取工件到定位臺進行再次定位;

Step3：機器人抓手1抓取已定位毛坯件到車床一門外等待，車床一內的工件加工完成，車床門打開，抓手2取下車一完成后的工件，并更換上抓手1的毛坯件，機器人抓手退出車床，車床門關閉，車床開始加工;

Step4：機器人把車一工件放到換向機構的換向臺上，換向機構夾緊并翻面，翻面完成，夾緊松開，機器人抓手1抓取換向后的工件到車床二前的暫存臺;

Step5：機器人移動到車床二門外抓手1抓取暫存臺工件進行等待，車床二內的工件加工完成，車床門打開，抓手2取下精車二完成后的工件，并更換上抓手1的加工件，機器人抓手退出車床二，車床門關閉，車床開始加工;

Step6：機器人把工件堆放在下料倉上，并重復2、3、4、5流程，兩套工件生產同時進行，機器人同時為兩套工件上下料，上下料動作交叉進行，互不干涉，由于加工時間較長，在穩定生產時，不會出現兩臺機床同時等待機器人上下料的情況;

Step7：當下料倉堆滿后，機器人停止工作，人工把下料倉四周圍欄鎖上，打開剎車，推走料倉，并換上新的空下料倉。

2.3? ? 智能產線控制系統設計與調試

智能產線控制系統以MES為核心，MES采用強大數據采集引擎，整合數據采集渠道（RFID、PLC、CNC、PC）覆蓋整條產線的各個制造環節，保證了現場數據的實時、準確、全面采集。智能產線在完成工業互聯網搭建、PLC編程及HMI工控組態、制造執行系統MES聯調等工作后，才能實現互聯互通，組建完善的全套控制系統。首先根據網絡拓撲圖對數控機床、工業機器人、PLC、HMI、監控系統、MES系統等進行IP分配和端口分配以及設置;標示工業交換機的端口號，連接網絡檢測通信狀態，實現工業互聯網搭建。然后根據工藝流程要求擴展PLC模塊，正確配置I/O，編寫和調試PLC組態通信應用程序;對HMI的寄存器、變量等數據進行分配和人機界面設計，完成PLC編程及HMI工控組態，實現與數控機床、工業機器人、料倉等設備的信號連接和通信調試。最后正確完成MES系統與數控機床、工業機器人、PLC等設備的參數配置，實現信號連接和數據采集，實現可視化管理。

3? ? 結語

為實現大批量活塞高效生產，本文闡述了在工業機器人應用技術的基礎上開發設計出一種智能產線，目前該產線已經投入使用，全自動化作業，運行可靠穩定。利用智能制造核心支撐軟件，通過新一代工業互聯網技術和現代制造技術的深度融合，能夠彌補數控加工領域自動化和信息化的短板，培育推廣智能制造新模式，為實現互聯網個性化定制和提供產品智能服務打下堅實基礎，從而極大地提高產品的附加值，加速實現跨行業、跨地域、跨企業的分布式制造。

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收稿日期：2020-06-12

作者簡介：魏文鋒（1979—），男，廣東紫金人，工程師，研究方向：智能制造應用技術和產線設計。