傳動軸零件的智能制造系統設計

劉 甲，高興宇，張宇萌

（桂林電子科技大學 廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著“中國智造2025”戰略的逐步實施[1]，仿真技術與信息化技術不斷地融合，制造業開始探索向智能制造升級與轉型。然而，企業在實施智能制造實踐的過程中，由于客戶對產品需求的多樣性增加以及長篇更新迭代的速度加快，企業面臨著開發周期長，交付時間短,改造費用高昂，試錯成本較大等問題。

制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）是一套面向制造業企業執行層的生產信息化管理系統，它處于企業車間的中間層，是連接企業決策層和設備控制層的樞紐[2]。MES可以為企業提供包括制造過程數據管理、生產、計劃、生產調度管理、質量管理、庫存管理、人力資源管理、采購管理、看板管理、成本管理、生產過程控制、上層數據集成管理模塊，底層數據集成分析模塊，是企業走向智能化的強有力手段。

本文以某軸類零件生產線為研究對象，使用VUP、西門子PLC和Robotstudio軟件對生產線進行全方位的控制編程，設計了虛擬仿真生產線，最后設計開發了一套適用的MES系統，使同類企業向實時化、柔性化、智能化的升級提供了前瞻性的借鑒意義。

1 零件加工工藝流程設計

軸類零件的加工表面主要是外圓表面以及常見的特形表面，因此應該針對各種精度等級和表面粗糙度要求，選擇最合適的加工方法。由于軸類零件因階梯軸的尺寸不同，所加工的階梯軸種類眾多，因此選用一種代表性的階梯軸作為加工對象進行研究，某階梯軸的二維圖如圖1所示。

圖1 階梯軸二維圖

原先流程主要由人工進行作業，工作耗時較長，信息記錄不便。為了適應期智能制造，設計的該零件的加工流程為：首先進行訂單下達，然后由AGV（Automated Guided Vehicle）小車取料，使用立體倉庫氣動夾抓取件，取料后AGV小車返回，再由機械臂上料至環形輸送線上，環形輸送線先后輸送至數控車床和數控銑床，由機械臂將工件從環形輸送帶放置到指定加工位置，加工完成后機械臂下料送至檢測單元檢測工件是否合格，合格產品入庫，不合格產品剔除。流程如圖2所示。

圖2 零件加工流程圖

2 智能制造系統組成

2.1 硬件組成

根據圖2零件加工流程圖，該軸類零件智能制造單元的硬件部分主要由一臺數控車床、一臺加工中心、三臺ABB IRB7600-325-310六自由度工業機器人、一個AGV小車、一套立體倉庫、一套環形輸送線、一套直線傳送帶、電子看板、總控制臺、相機、鏡頭、氣動夾具、加工工件、計算機等組成。利用Solidworks軟件建立了智能制造單元的三維模型如圖3所示。

圖3 SolidWorks渲染系統圖

2.2 軟件組成

軟件部分主要是涉及到制造單元的虛擬系統和生產線MES系統的設計。

2.2.1 制造單元的虛擬系統

該生產線的虛擬系統是對物理系統的實時映射[3]，所以虛擬系統的高精度的仿真不僅是自動化的基石，也為智能化賦能[4]。應用Solidworks軟件繪制出制造單元的模型，智能制造單元虛擬控制需通過VUP等軟件進設計，系統設計步驟為：

（1）將建立好的高精度三維模型另存為3DXML格式導入到IRAI公司的VUP軟件中，選用自動計算比例因子；

（2）通過西門子PLC1200軟件進行整個生產線的控制和信號發送與接收，包括氣動夾爪的工作以及環形輸送線的電機控制，還有檢測單元的直線傳送帶的控制和檢測氣缸的控制；

（3）利用RobotStudio軟件進行機械手IRB1200的編程控制和仿真；

（4）利用它們與VUP通信（即MES系統通過TCP/IP協議連接PLC，然后PLC通過PLC SIM連接VUP，Robotstudio再通過ABB Gateway智能網關連接VUP），最后完成VUP整個智能制造生產線的控制運動仿真。機器人主要任務在智能制造單元中仿真內容見表1。

表1 機器人子程序

該智能制造系統的虛擬系統如圖4所示。

圖4 系統仿真圖

2.2.2 MES系統設計與開發

（1）系統總體設計

該MES系統應用B/S（Browser/Server）架構，使用Web前端可進行數據的錄入與讀取[5]，使用OPC（OLE for Process Control）中間層進行生產線的數據采集。MES系統采用SSM（Spring + Spring MVC + MyBatis）技術框架，編程語言使用用JavaScript，從上到下分為展現層、業務邏輯層、數據存貯層[6]。展現層采用主流的MVC（Model-View-Controller）界面架構利用Layui設計前端界面。業務邏輯層采用Springboot框架集成，采用MySQL數據庫，便于生產線的數據集中管理，實現了底層各個設備數據的管理和MES系統的數據交互，大大地避免了生產線成為信息化的孤立地帶[7]。圖5為MES系統模塊的總體架構設計圖。

圖5 MES系統總體架構

（2）系統模塊設計

MES系統主要分為系統管理、計劃調度、生產計劃、物料管理、質量管理等功能模塊。

系統管理。該模塊主要是來設置工作人員的權限，同時能夠查閱登錄系統的工作人員的信息功能，由日志查詢、用戶管理、角色管理三個模塊界面構成。

計劃調度。是用來接收生產計劃進行排產，選擇生產工藝和產品信息（顏色、外觀、數量等）生成作業任務書，作業任務書進行審核之后下達控制系統進行生產。是對生產調度的計劃、實施、檢查、總結活動的管理，其中包含產品資料，加工單等可對工單進行撤銷，暫停等操作，支持打印訂單功能。

生產計劃。該模塊主要是用來管理工序流程和加工工單狀態，能夠顯示計劃加工信息、完成信息和未完成信息的狀態。由整機產量，生產計劃量和排產訂單，次品率等模塊組成。

物料管理。該模塊能夠實現在對原材料的出入庫管理；保證生產所需的物料正常及時供給，同時能夠獲取在制品的加工位置狀態信息。使用該模板能保證完成顧客的產品需求時，盡可能降低庫存，使企業在生產過程中更加高效。

質量管理。其是在產品生產過程中，采集每個環節的質量數據，實時監控每個環節的生產質量，形成產品質量檔案并進行存檔。對加工過程產生的質量問題能及時發現、處理、反饋，從而減少浪費。

建立的MES系統設計界面及基于該系統的運行的生產計劃如圖6所示。

圖6 MES系統界面及其生產計劃實例

3 總結

智能制造是“中國制造2025”戰略的重要發展方向，也是企業發展的必由之路。MES系統是企業信息化建設的核心，是加強企業管理的強有力手段，面對智能化生產線的需求。本文根據某軸類生產線現狀設計一套軸類零件智能制造生產線，并且運用了西門子PLC1200和Robotstudio軟件進行了生產線的輸送單元及自動上下料單元等的控制編程，同時又與VUP軟件進行實時同步仿真，最后設計構建了一套基于B/S架構的MES系統，該系統已在桂林某企業成功應用，企業由此實現了信息化管理，節省了企業轉型的開發成本與時間，滿足了企業快速的升級，避免了大量的反復與試制，為同類企業提供了一定的借鑒意義。