“現場工程化”智能制造技術綜合實訓平臺開發

李 艷 付 琛

(無錫商業職業技術學院 物聯網與人工智能學院,江蘇 無錫 214153)

為了對接先進制造業等新興產業轉型升級對高素質技術技能人才的需求,2022年10月,教育部等五部門印發通知,決定聯合實施職業教育現場工程師專項培養計劃(以下簡稱“專項培養計劃”)[1]。“現場工程師”不僅需要具備工匠精神,而且要在生產一線精操作、懂工藝、會管理、善協作、能創新[2-3]。因此,高職院校不僅需要加大產教融合的深度,優化完善校企雙主體管理體制機制,提高雙師隊伍綜合素質,而且需要增強實踐教學條件與崗位情境之間的對應性,解決現有裝備制造大類的專業綜合實訓平臺所存在的能力培養單一、技術融合度不夠、與企業生產對接的“工程化”特征不鮮明等問題。為此,從全面培養學生實踐技能、縮小崗位需求差距的角度出發,面向機械加工“智能工程”領域,利用工業網絡將工業機器人、機器視覺、PLC、傳送系統[4]等緊密結合,并融合實際生產線中的主要工序(供料、加工、檢測、裝配、分揀、管理),校企合作開發了一套能遞進式培養學生對多種技術的交叉應用能力、工程實際問題的解決能力以及激發學生創新能力的綜合實訓平臺。

1 實訓平臺開發思路及與實踐體系的對接規劃

本著學術性與職業性并行培養的理念,從“現場工程師”工作崗位與工作技能核心要素等方面綜合考慮,確立按照以下思路進行“智能制造技術綜合實訓平臺”開發。

1) 模型選擇。以機械加工領域為典型,融入以下單、加工、檢驗、入庫等工序為整體實訓平臺的模型。

2) 支持職業素養培養,支持知識與能力從單一到綜合應用的遞進連貫式培養。該平臺能夠適應不同理論課程體系的教學與實驗,讓學生逐步完成專業通識知識學習→專業基礎知識奠基→專業核心知識定向→專業拓展知識復合→工程現場管理知識融入,層層增加知識的深度與廣度。同時能夠通過柔性化的工序組合模式,讓學生在實踐課程體系訓練中鍛煉工程應用能力,增強工程管理能力,培養設計創新能力意識,提升綜合工程問題的解決能力。

3) 涵蓋的知識與技術點面向。重點培養先進制造業現場工程師所需具備的專業知識、技術技能以及職業素養。例如,工業4.0需要工業自動化技術與信息化技術的高度融合,因此,在實訓平臺中需要有就地控制的智能化裝備和有遠程的信息化管理平臺。另外,實訓平臺需要支持開設“PLC技術與實踐”“機器視覺編程與系統應用實踐”“工業通信與組態技術”“工業機器人應用技術”“‘1+X’可編程控制器系統應用編程職業技能綜合實訓”等課程,與智能制造技術相關專業的實踐教學體系對接,讓學生從單一技能訓練逐步向綜合項目實踐過渡。通過做中學、學中做,將工程觀、質量觀、系統觀無聲地植入實踐課程教學中,不僅能幫助學生掌握關鍵技術(PLC控制技術、運動控制技術、機器視覺技術、工業機器人技術、組態技術、工業通信技術、數據分析與管理平臺開發技術等[5]),而且能遞進式地培養學生在智能制造工程項目中規范實施、應用集成、維護服務、項目管理與創新開發的綜合能力,不斷提升學生自主學習、主動探究、相互協同發現問題和解決問題的能力。該實訓平臺與智能制造技術相關專業的實踐教學體系對接規劃如圖1所示。

圖1 實訓平臺與智能制造技術相關專業的實踐教學體系對接規劃

4) 集成產教學研功能。以全過程培養“職業素養+專業技術技能+雙創能力+管理協調能力”為目標,支持校企雙主體橫向課題研究或創新作品開發,進行產教研創拓展培養等。

2 智能制造技術綜合實訓平臺的總體方案設計

2.1 基于“生產情境感知”的實訓平臺模塊化集成

智能制造系統是“自動化”與“信息化”深度融合的產物,是“互聯網+”快速發展下的“控制”與“管理”品質高質量提升的標志。智能制造現場工程師主要從事智能制造相關技術的研究、開發,以及智能制造裝備和生產線的設計、安裝、調試、管控、現場管理等。他們需要了解智能控制技術、工業機器人技術、智能感知技術、工業通信技術以及云平臺技術等[6],熟知生產現場工序,掌握運用創新系統思維進行生產制造、設備運維、現場管控等。

因此,本實訓平臺以半開放的方式,按照從下單→供料→加工→檢測→貼標→分揀→管理等關鍵流程,以模塊化布局方式,打造濃縮版的“智能工廠”實訓平臺,其結構如圖2所示。該實訓平臺主要由四個子站構成:1)任務輸入與供料站;2)直角坐標加工站;3)SCARA裝配站;4)DELTA分揀站。其中,每一個工作站可按功能要求獨立工作,也可柔性化組合成智能生產線。同時,平臺還配有無線遠程管控,便于進行數據管理及狀態監控。

圖2 智能制造技術綜合實訓平臺

2.2 基于現場工程師崗位能力培養的實訓平臺功能定義

在智能制造領域,現場工程師的培養不僅要注重專業知識的訓練,而且要關注其在知識跨界應用、工程實施標準與規范、動手實踐、全局與結構性思維、創新思維、協作與溝通等多個維度的綜合能力。因此,對該實訓平臺的單站功能定義為四個方面。

2.2.1任務輸入與供料站 客戶根據生產計劃要求,通過遠程Web客戶端、Android客戶端以及就地無線觸摸屏端下達工作任務,然后由推料氣缸將工件盒中的毛坯工件供給至傳輸帶。該站重點訓練PLC基本邏輯編程、無線觸摸屏組態以及氣路連接調試能力。

2.2.2直角坐標加工站 如圖3所示,本站主要模擬切削加工過程。此過程要求在視覺識別需要加工的樣品后,利用直角坐標機器人帶動“加工筆”進行定制化加工。該站重點訓練伺服控制系統的搭建、“脈沖+方向”控制、“現場總線控制”等伺服驅動PLC編程的實現,以及視覺系統硬件選型、整體方案設計、視覺編程、電氣線路的設計和安裝及故障排查等能力。

2.2.3SCARA裝配站 如圖4所示,本站主要通過SCARA機器人模擬工業現場貼標或裝配動作。在模擬貼標工序時,通過SCARA機器人自帶吸盤將RFID標簽準確放入工件的凹槽內,然后再利用PLC與RFID讀寫器之間的通信實現工件信息的存儲與顯示,以達到工件生產實時跟蹤的目的。該站重點訓練SCARA工業機器人編程、手眼標定、PLC的串行通信編程等能力,要求學生在實踐過程中理解程序編寫的規范以及工業現場信息化管理的方式方法,了解工業通信的重要性等。

圖4 SCARA裝配站

2.2.4DELTA分揀站 如圖5所示,本站主要通過視覺準確找到各類工件的中心點,判定工件的質量,然后引導DELTA機器人自動完成分揀作業。該站重點訓練對DELTA機器人的示教編程能力,工業機器人、機器視覺、自動控制系統集成應用和調試能力,以及團隊的溝通與協同能力。

圖5 DELTA分揀站立體結構

多站聯機功能定位要求完成以下綜合任務:由生產加工人員在生產任務站選擇對應加工的批次,確認加工任務。當加工任務確認后,通過供料裝置(子站1:任務輸入與供料站)完成毛坯工件的推送;接著根據任務要求進行加工成型(子站2:直角坐標加工站);加工完畢后,SCARA機器人進行工件貼標裝配,并完成產品相關信息的RFID掃描確認(子站3:SCARA裝配站);最后成品工件由四關節并聯DETLA機械手進行工件的分揀操作(子站4:DELTA分揀站)。整個過程由伺服電機控制傳送帶進行物料的轉運,智能相機進行工件的定位引導。生產線上所有加工流程與設備控制監管均可由上位PC機進行遠程管理,上位PC機不僅可以進行工作任務的下達,而且能進行質量分析,以指導生產的優化管理。

多站聯機綜合任務重點訓練用戶需求分析、方案設計與交流、PLC編程、伺服控制、工業通信、視覺組態、觸摸屏組態以及遠程云平臺的應用與開發等能力。全程高度重視資料的收集與整理、方案的設計與匯報、現場的管控與組員之間的協同等職業素養的培養。

3 實訓平臺拓撲結構與模塊設計

3.1 實訓平臺電氣控制系統拓撲結構設計

基于圖2中對智能制造技術綜合實訓平臺多工序聯機的功能定義,確立該平臺由現場監控層、數據傳輸層、Web應用層等構成,其結構如圖6所示。其中,現場監控層是智能制造生產線中的關鍵工序,如對任務輸入、供料、加工、貼標、檢測、分揀的每道加工設備進行數據采集與就地控制;數據傳輸層將生產數據存儲至云端服務器;Web終端應用層重點用來實現PC網頁端、手機App對裝置工作狀態的實時監控,對生產數據進行統計分析管理等。

圖6 智能制造技術綜合實訓平臺的基本控制架構

該系統的網絡拓撲結構如圖7所示。系統采用信捷電氣的自適應以太網模塊構成一主兩從的主從通信模式。其中,供料與直角坐標加工集成為一體化控制,定義為主站,從站1為SCARA機器人裝配站,從站2為DELTA機器人分揀站。主站和從站之間通過MODBUS TCP協議通信。利用S-BOX-T模塊和無線觸摸屏配合,實現本地近距離的無線控制;采用WBOX模塊將數據連接到服務器和信捷云智造平臺,實現設備的遠程監控。

圖7 智能制造模擬系統的通信拓撲結構

3.2 智能產線的工件原料設計

為了切實提高學生的興趣,從貼合實際生產以及便于模擬加工等多方面綜合考慮,確立智能產線的工件原料樣式如圖8所示。該系列的工件顏色、樣式可以自由設定,同時設有凹槽,既便于模擬刀具軌跡跟蹤,也便于后續模擬RFID貼標作業。

圖8 工件樣式

3.3 直角坐標加工站

直角坐標加工站的控制核心為PLC,工件識別定位主要利用智能相機進行圖像采集,然后通過視覺軟件X-sight內置圖像預處理、圖案定位、腳本等工具進行工件類型識別以及邊緣輪廓識別,通過MODBUS協議通信,實現PLC對工件具體參數的采集[7]。工件傳輸以及模擬加工主要利用伺服電機驅動,通過X-net總線協議方式,運用單軸控制模式下的運動控制MOTO指令以及機器人模式下的RBPATH運動指令分別實現工件的傳輸以及對輸入工件的邊緣運動路徑模擬切削加工作業。

3.4 SCARA裝配站

SCARA裝配站需要完成貼標以及讀寫標作業。在SCARA機器人貼標過程中,需要利用手眼坐標變換。首先以Zhang[8]的標定方法為基礎,對工作相機進行離線標定,獲得工作相機的線性成像模型參數和畸變參數等;其次通過基于相機拍攝獲取到的特征點位坐標以及機器人示教得出的坐標點,求解獲取由工作相機圖像坐標系至機器人坐標系的轉換矩陣SC-R,如式(1)所示;最后實現相機圖像坐標[uv]T至機器人坐標[XRYRZR1]T變換。

(1)

在讀寫RFID標簽信息時,首先定義包含工件的形狀代碼、序號、日期時間、質量狀態等,然后利用自由口通信指令SEND以及RCV指令實現PLC對RFID讀寫器的命令發送以及寫入狀態讀取。

3.5 DELTA分揀站

當工件由傳輸帶運至機器視覺檢測位置時,根據預定計劃輸入參數比對[9],判定質量合格與否。若檢測結果為合格品,則根據加工工件的不同種類進行分類,先將四軸并聯型的DELTA機械手定義為機器人模式,再利用RBPATH指令執行軌跡運動,從而根據碼放邏輯流程,按照順序控制編程的方法實現自動碼放。

3.6 遠程監控與生產管理站

遠程監控與生產管理站主要通過本地的無線觸摸屏、遠程的Web客戶端和手機端實現對設備的狀態監視、遠程的任務下達、設備遠程啟停、生產任務統計等。該系統由三部分構成:表示層和Restful接口提供應用的交互界面;權限控制用于定義設備管理上的約束;數據中心用于定義應用系統范圍內PLC設備及其狀態變量,為上層應用下發的命令提供解析和執行,解決應用數據與設備數據的同步問題;DCOM通信層通過DCOM接口,將PLC的數據按OPC規范與OPC Sever進行相互的通信[10-12]。遠程Web端是在邊緣端對A-BOX模塊進行設置,添加數據鏈路以及運行策略后,基于信捷云智造平臺二次開發而成。基于Android系統開發的移動端監控系統,手機運行界面如圖9所示。

圖9 手機監控主畫面

4 實訓平臺開發成效

校企共同開發的智能制造技術綜合實訓平臺包含了與生產現場主要工序契合的6個實訓模塊:任務下達、供料、加工、裝配、分揀、遠程管控平臺。面向實踐教學,該平臺不僅支持單站設備的實訓,而且可以對模塊設備進行柔性化組合,組成不同應用場景的智能生產線,支持開放、定制化的實訓與創新作品的開發。實訓平臺不僅與企業生產現場緊密對接,為情境化教學提供了平臺,而且以現場工程師崗位能力培養為開發目的,實現了智能制造生產環節的完整覆蓋,滿足了教、學、研、創多層次、多維度的現場工程師培養需求。對接實踐項目,通過工藝規范、操作規程的引導,從器件的選型與安裝、電氣線路的設計與接線、通信的連接與整機調試,從硬件裝調到軟件設計,通過遞進式項目訓練,逐步提升學生主動學習、探究反思、分析和解決問題的能力,實現了職業素養與實踐能力的綜合培養。從實訓平臺開發的關鍵技術來看,以“互聯網+制造業自動化+信息化”為核心要素,將自動控制技術、視覺開發應用技術、工業機器人技術、工業通信技術等交叉應用,將生產制造與線上管理、質量追蹤等數字化信息緊密結合,提高了學生的工程技術應用能力、信息素養和數字技能。

5 結語

本平臺面向智能制造工程領域,以強化智能制造“現場工程師”的現場協調管理能力、技術支持能力、創新創業能力為目標,以柔性化組合集成的方式,將視覺開發應用技術、工業機器人技術、工業通信技術、自動控制技術有機結合,緊密聯系生產實際,校企深度合作完成平臺開發。該實訓平臺目前承擔了智能制造工程技術類專業群的綜合實訓任務,能夠完成對學生從單項能力到綜合能力的訓練。學生通過從簡單到復雜、從單機到聯機、從本地到遠程云端的智能制造技術綜合創新實訓項目的訓練,明顯提升了綜合能力,強化了工程化素養,實現了“現場情境感知,單項技能實訓體驗,綜合技術實踐強化,創新創業能力拓展,職業素養全過程貫穿”的目標,為高職院校“現場工程師”培養所支撐的實訓平臺創新增添了“工程化”的特征,為“工業4.0”時代“智能制造”緊缺人才的培養提供了實踐支撐。