面向數(shù)控加工的智能產(chǎn)線設(shè)計

摘? 要：針對企業(yè)提出的活塞制造自動化的需求，設(shè)計開發(fā)了一條智能產(chǎn)線，通過整合各種新技術(shù)，融合機器視覺檢測技術(shù)、PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、制造執(zhí)行系統(tǒng)等，實現(xiàn)上料、加工、下料、檢測等的一體化控制。智能產(chǎn)線取代傳統(tǒng)的手工操作，降低了勞動強度，保障了產(chǎn)品質(zhì)量，能適應(yīng)各種惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，高效完成指定任務(wù)，有效提升了產(chǎn)品及企業(yè)的競爭力。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;數(shù)控車床;數(shù)字孿生;計算機輔助工藝過程設(shè)計（CAPP）

1? ? 智能產(chǎn)線的組成

目前，數(shù)控技術(shù)與智能制造新技術(shù)的融合應(yīng)用越來越廣泛，廣州數(shù)控設(shè)備有限公司作為智能制造領(lǐng)域的踐行者，積累了豐富經(jīng)驗。面向數(shù)控加工的智能產(chǎn)線主要是根據(jù)工藝流程，由若干臺工業(yè)機器人和數(shù)控機床及工裝夾具等進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)組線;PLC控制檢測和流程及系統(tǒng)調(diào)度，制造執(zhí)行系統(tǒng)MES管控信息可視化和數(shù)據(jù)實時分析處理，實現(xiàn)加工過程無人值守，能對異常狀態(tài)進(jìn)行快速反應(yīng)和分析判斷，可安全可靠地長時間持續(xù)工作，改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式。

2? ? 智能產(chǎn)線的設(shè)計

為提升生產(chǎn)能效，某企業(yè)引進(jìn)智能產(chǎn)線替代人工實現(xiàn)24 h兩班制。隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，智能制造生產(chǎn)線因其能夠快速實現(xiàn)大批量加工、節(jié)省人力成本、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)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(yè)機器人和數(shù)控機床應(yīng)用技術(shù)的智能制造生產(chǎn)線的設(shè)計成為眾多智能裝備系統(tǒng)集成企業(yè)頗為頭疼的問題，而隨著數(shù)字孿生和計算機輔助工藝過程設(shè)計（CAPP）等工業(yè)軟件的發(fā)展，此類問題得到圓滿解決。數(shù)字孿生的主要作用是在產(chǎn)品主體研發(fā)完成后和工程實施之前對設(shè)計的智能產(chǎn)線進(jìn)行檢驗，貫穿“設(shè)計—工藝—制造調(diào)試”全產(chǎn)業(yè)鏈，用數(shù)字樣機代替物理樣機驗證設(shè)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(chǎn)效率，降低成本，減少返工，加速產(chǎn)品上市，實現(xiàn)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(jù)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(shù)控車床上進(jìn)行，因此，設(shè)計方案主要采用2臺全功能數(shù)控車床和2臺經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床及一臺工業(yè)機器人。上料倉配置的視覺系統(tǒng)可自動識別工件的上料位置，換向機構(gòu)實現(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn)，同時引入制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、PLC、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智能制造。汽車活塞智能產(chǎn)線設(shè)計方案如圖1所示。

該汽車活塞智能加工產(chǎn)線是以典型機器人搬運上下料為背景，結(jié)合制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、PLC技術(shù)、機器視覺檢測技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字孿生等先進(jìn)手段，提升生產(chǎn)過程信息化、智能化水平，構(gòu)建的一套智能制造生產(chǎn)線。本產(chǎn)線以制造執(zhí)行系統(tǒng)MES為核心，有效地將數(shù)字孿生技術(shù)、信息通信技術(shù)以及自動化控制技術(shù)等融合為一體，建立智能制造管控系統(tǒng)。基于該系統(tǒng)可完成制造過程中的工藝設(shè)計、排產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量控制、狀態(tài)監(jiān)測等功能，建立完整的智能產(chǎn)線。

2.2? ? 工藝流程的制定

分析制定汽車活塞智能產(chǎn)線工藝流程是設(shè)計的基礎(chǔ)。應(yīng)通過與企業(yè)技術(shù)人員溝通，了解活塞產(chǎn)品的加工精度和其他技術(shù)要求，制定整套工藝流程。設(shè)計人員還要根據(jù)工藝流程，全面考慮活塞工件在各工序之間流轉(zhuǎn)時必需的翻轉(zhuǎn)、下上料、導(dǎo)向定位、信號檢測等要求，并統(tǒng)計工業(yè)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(jié)拍，最終設(shè)計出智能產(chǎn)線。經(jīng)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(jù)視覺判斷抓取工件到定位臺進(jìn)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(nèi)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(guān)閉，車床開始加工;

Step4：機器人把車一工件放到換向機構(gòu)的換向臺上，換向機構(gòu)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(jìn)行等待，車床二內(nèi)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(guān)閉，車床開始加工;

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

Step7：當(dāng)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(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試

智能產(chǎn)線控制系統(tǒng)以MES為核心，MES采用強大數(shù)據(jù)采集引擎，整合數(shù)據(jù)采集渠道（RFID、PLC、CNC、PC）覆蓋整條產(chǎn)線的各個制造環(huán)節(jié)，保證了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時、準(zhǔn)確、全面采集。智能產(chǎn)線在完成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)搭建、PLC編程及HMI工控組態(tài)、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES聯(lián)調(diào)等工作后，才能實現(xiàn)互聯(lián)互通，組建完善的全套控制系統(tǒng)。首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D對數(shù)控機床、工業(yè)機器人、PLC、HMI、監(jiān)控系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等進(jìn)行IP分配和端口分配以及設(shè)置;標(biāo)示工業(yè)交換機的端口號，連接網(wǎng)絡(luò)檢測通信狀態(tài)，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)搭建。然后根據(jù)工藝流程要求擴(kuò)展PLC模塊，正確配置I/O，編寫和調(diào)試PLC組態(tài)通信應(yīng)用程序;對HMI的寄存器、變量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分配和人機界面設(shè)計，完成PLC編程及HMI工控組態(tài)，實現(xiàn)與數(shù)控機床、工業(yè)機器人、料倉等設(shè)備的信號連接和通信調(diào)試。最后正確完成MES系統(tǒng)與數(shù)控機床、工業(yè)機器人、PLC等設(shè)備的參數(shù)配置，實現(xiàn)信號連接和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)可視化管理。

3? ? 結(jié)語

為實現(xiàn)大批量活塞高效生產(chǎn)，本文闡述了在工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計出一種智能產(chǎn)線，目前該產(chǎn)線已經(jīng)投入使用，全自動化作業(yè)，運行可靠穩(wěn)定。利用智能制造核心支撐軟件，通過新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代制造技術(shù)的深度融合，能夠彌補數(shù)控加工領(lǐng)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(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)個性化定制和提供產(chǎn)品智能服務(wù)打下堅實基礎(chǔ)，從而極大地提高產(chǎn)品的附加值，加速實現(xiàn)跨行業(yè)、跨地域、跨企業(yè)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(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)線設(shè)計。