基于孔明鎖的全生命周期智能制造生產線設計

呂英杰， 趙秋玲， 周 燕

（青島職業技術學院， 山東 青島， 266555）

0 引言

隨著科技的發展，為了更好的提高加工效率，滿足客戶的交貨期要求，無人化工廠、智能化工廠已經成為制造業必然的發展趨勢。 特別是中國提出“中國制造2025”國家戰略以來，智能制造行業飛速發展，智能制造融合了先進的信息技術、制造技術、視覺檢測技術、工業機器人等相關技術，應用于設計、工藝、加工、裝配等各個生產環節。智能制造技術的發展離不開大量的高素質、復合型技能人才。 作為職業院校，首先要對接企業人才需求，建設生產性智能制造生產線，深化校企合作，培養高素質人才。 我校與西門子、海爾合作開發了孔明鎖全生命周期智能制造生產線，該條生產線不僅可以進行日常的教學科研工作，還可以服務企業生產需求，具有很高的應用價值。

1 生產線設計思路與設計原則

孔明鎖全生命周期智能制造生產線以個性化定制的孔明鎖產品為研究對象，孔明鎖產品由六個組件構成，見圖1。該條生產線的每個工位都實現了與最先進的智能制造技術的融合。 它是一條集教學、科研、生產于一體的的孔明鎖全生命周期智能制造生產線。

圖1 孔明鎖產品

該條生產線的設計原則主要包含以下幾個方面：一是安全可靠穩定原則，在硬件配置、軟件配置、系統管理等各個環節要確保安全可靠。二是先進性原則，該生產線融合了國內外先進的智能制造技術、智能控制技術、 視覺檢測技術、數字孿生技術、工業機器人技術等相關技術。 三是可升級和兼容性原則，隨著智能制造技術的飛速發展，該生產線能夠實現定期的升級改造，確保緊跟時代步伐，在設計過程中，無論硬件軟件，還是數據傳輸、網絡通信都要符合國際及國家標準。

2 智能制造生產線組成及主要工作流程

孔明鎖全生命周期智能制造生產線的整體布局見圖2 ，主要由中央控制臺、立體倉庫，數控機床、半成品檢測、激光打標、裝配工位、成品檢測工位、包裝噴碼工位、AGV 小車等組成。 其中，中央控制臺包括二臺服務器、三臺西門子工控機， 并安裝了MES 系統、PLM 系統等先進的控制軟件。

圖2 孔明鎖全生命周期智能制造生產線整體布局

2.1 MES 系統

MES 系統即制造執行管理系統， 是一套面向制造企業的生產信息化系統， 能夠讓管理者從訂單下發到產品完成的整個制造流程進行優化管理。 MES 系統是企業生產實現信息化集成的重要紐帶， 同時制造企業通過MES系統業可以實現工廠的敏捷制造。 該系統為用戶提供了快速反應、精益生產的制造環境，為企業訂單按期交付、降低制造成本、提升產品質量提供了重要的支撐作用。

MES 系統是孔明鎖智能制造生產線數字化系統的核心。通過定制訂單的全流程可視界面，讓整個生產過程更好透明； 通過全流程的設備運行狀態展示， 讓整個生產制造過程能夠實現更好的管控；同時運用智能化、自動化的技術，實現了所有生產信息的集成化。孔明鎖全生命周期智能制造生產線的MES 總控框架圖見圖3。

圖3 MES 系統架構

2.2 PLM 系統

隨著智能制造的快速發展，PLM 系統已經發展成為一個集成的的信息化管理平臺，它覆蓋了產品規劃、產品設計、仿真分析、機械加工、產品裝配、生產管理、質量管理、售后服務到最終報廢產品回收等全流程的管理。企業通過建立自身的全生命周期管理系統， 能夠加強對各類生產資源的管理，不僅能夠大幅度提升產品的設計效率，而且能夠根據采購、設計、工藝、制造等不同崗位人員的權限來快速檢索數據。在每一個項目的執行過程中，通過系統發布數據和電子審核，改變了傳統的人工審核流程，使關鍵的任務得到了有效的控制和管理， 實現了系統間的信息交換， 避免重復的設計和操作。 對于孔明鎖全生命周期智能制造生產線來說， 它的PLM 總體結構見圖4。

圖4 PLM 系統

2.3 立體倉庫

立體倉庫主要包括黑色亞克力原料區、 灰色亞克力原料區、 鋁合金原料區、孔明鎖成品區、包裝盒區，見圖5，其中孔明鎖成品、包裝盒放在立庫的左側，亞克力原料放在立庫的右側，鋁合金原料放在立庫的中間。 另外，包裝盒除立庫中擺放外，在生產線內部還設有包裝盒小料庫， 包裝工位用完后，AGV 小車及配套機器人將自動補貨。

圖5 立體倉庫

立體倉庫的上下料通過工業機器人來執行，MES 系統收到客戶的生產訂單后，當空載盤到達立體倉庫限位，RFID 讀寫頭將自動讀寫載盤信息，工業機器人將根據客戶訂單需求從立體倉庫中抓取相應的物料， 直接放入載盤上相應的孔位，當RFID 讀寫頭寫入相關數據后，載盤被放行，然后進入下一工位，同時工業機器人將回到原點等待。

2.4 數控加工

為保證孔明鎖各組件的順利加工， 設備采用車銑復合機床，如圖6 所示，該機床是一種可以實現車削和銑削兩種功能的機床，相當于數控車床和加工中心的復合。該機床與常規的數控機床相比，具有裝夾次數少、加工效率高、占地面積小等優點。 在孔明鎖產品加工中，車削主要用來加工端面，保證零件的總體長度，銑削主要用來加工各組件的形狀尺寸。

圖6 數控加工工位

裝有零件的載盤到達本工位的限位后， 工業機器人依次從載盤上抓取孔明鎖的單個毛坯料裝夾到機床主軸上進行加工， 加工完成后送到超聲波清洗站進行清洗和烘干，最后再放回到載盤原來的位置。

2.5 視覺檢測

隨著人工智能的飛速發展， 機器視覺檢測技術已經成為人工智能技術的一個重要組成部分。通俗來說，機器視覺技術就是利用相機代替人眼， 對工序加工的零件進行質量檢測、圖形識別等工作。機器視覺系統就是通過工業相機將被測物體轉變為圖像信號， 傳輸到相應的圖像處理系統，從而得到被測物體的形態信息。根據被測物體的顏色、亮度、像素等信息，利用數字化信號技術，通過圖像系統進行相應的運算， 然后進行對比從而實現物體的識別和檢測。

該智能制造生產線視覺檢測設備主要由相機、 光源及配套軟件組成，見圖7，該檢測設備主要用于檢測孔明鎖各個組件的加工尺寸是否合格。工件加工完后，裝有孔明鎖組件的載盤自動從內圈的總傳輸線進入視覺檢測工位的分傳送線。機械手依次抓取孔明鎖的每一個組件，放置到檢測位置的凹槽內進行視覺檢測。 孔明鎖的六個組件中， 考慮到其中四個組件需要機加工兩個相互垂直的面，所以需要檢測兩次，即進行一次檢測后， 旋轉組件90°再檢測一次，檢測完成后放回載盤。然后再抓取下一個組件檢。若孔明鎖所有的組件檢測合格，則進入激光打碼工位進行打碼；若檢測不合格，則不進行激光打碼。

圖7 視覺檢測

2.6 激光打碼

激光加工是根據光熱效應原理來進行加工的， 使用透鏡把光的能量進行聚焦， 從而使焦點上的能量密度非常高。 由于激光加工無需其它的工具， 加工效率高， 工件表面變形小， 因此可加工很多材料。 使用激光束可以對很多材料進行各種各樣的加工，如：切割加工、工件打孔、工件焊接、材料熱處理等。

該生產線利用激光打標機對六根孔明鎖組件進行打標，見圖8，若載盤上的孔明鎖組件經視覺檢測合格后，將在激光打碼工位擋停定位， 激光打標機將在六根孔明鎖頂部依次打標數字1～6。 由于該條生產線可以定制化孔明鎖長度在75～100mm 范圍內變化， 考慮到激光打標機無法直接容納25mm 的焦距變化， 所以在激光設備上設置自動調焦機構，根據訂單信息自動調整焦距，之后再激光打碼。然后載盤轉出激光打碼分支輸送線，回到生產線內部的主輸送線。

圖8 激光打碼

2.7 孔明鎖裝配

孔明鎖裝配是通過雙臂機器人代替人的雙手來完成孔明鎖的裝配，雙臂機器人的優點是有兩只手臂，且非常靈活。為了更好的發揮雙臂機器人的性能，要求雙臂機器人在裝配過程中動作最少，效率最高，那么就需要提前對載盤上各零部件的擺放方位進行鎖定。另外，為了更好的裝配，優化機器人的動作，在本工位設置了裝配平臺，即雙臂機器人在裝配平臺上， 依次完成孔明鎖各組件的裝配，裝配過程見圖9。

圖9 孔明鎖裝配

2.8 孔明鎖成品檢測

孔明鎖成品檢測工位見圖10，主要由相機、環形光源及配套軟件組成，檢測原理與孔明鎖組件的視覺檢測原理基本一樣，該工位相對來說比較簡單，只需要對孔明鎖成品的外形尺寸進行檢測即可，檢測合格后方可沿著傳輸線自動進入包裝工位，若檢測不合格則直接運輸到立庫工位，由機械手抓取不合格成品放到廢品位置。

圖10 孔明鎖成品檢測

2.9 孔明鎖包裝和噴碼

孔明鎖包裝和噴碼工位見圖11，除本工位的輸送線外，還包括直角坐標系機器人和包裝盒上料機構。其中直角坐標系機器人設置了包裝盒搬運裝置、 包裝盒開蓋裝置、 孔明鎖夾持裝置、噴碼裝置。一旦包裝工位的包裝盒數量不足，AGV 小 車 及上部機械手將自動從包裝盒小料庫抓取包裝盒并補充到該工位中。 當孔明鎖成品檢測合格后， 載有孔明鎖的載盤將自動轉到包裝和噴碼工位，載盤到到限位停止后，底部的頂出氣缸把包裝盒頂出， 直角坐標系機器人的開蓋裝置利用負壓原理把包裝盒的上蓋取下后暫存在旁邊的暫存工位， 孔明鎖夾持裝置把孔明鎖從載盤上取下并放置到包裝盒里， 再利用包裝盒的開蓋裝置把上蓋蓋好； 然后包裝盒搬運裝置把含有孔明鎖的包裝盒取下放到運輸載盤上， 此時噴碼裝置將對包裝盒的上蓋側面噴條形碼。 然后載盤從包裝噴碼工位轉出進入主輸送線，把產品運輸到到立庫工位，通過工業機器人將包裝盒整體抓取入成品庫。

圖11 孔明鎖包裝噴碼

3 結束語

本文以大家熟知的孔明鎖產品為載體， 分析了全生命周期智能制造生產線的設計思路和設計原則， 詳細闡述了智能制造生產線的組成部分和生產線運轉流程。 該條生產線實現了智能制造技術相關硬件和軟件的有機融合， 為職業院校培養智能制造專業群技術人才提供了重要的保證，為其它院校提供了可借鑒的案例，具有重要的應用價值。