機械加工智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

楊 晨

（宣城職業(yè)技術(shù)學院，宣城 242000）

近年來，由于工業(yè)技術(shù)的進步，工業(yè)生產(chǎn)的智能化程度和生產(chǎn)效率得到明顯提高[1]。但是，大部分流水線都存在設備相互獨立、信息共享不完全、信息與數(shù)據(jù)解析能力差、人機界面不夠友好等問題。因此，需要重新設計當前機械加工過程中的智能制造生產(chǎn)線，以改進傳統(tǒng)生產(chǎn)線中存在的不足之處，為企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟效益。為更好地解決我國中小型企業(yè)在數(shù)控機床應用中存在的智能化水平不高、通用性不強、信息集成不完善等問題，本研究將在傳統(tǒng)數(shù)控機床、數(shù)控加工的基礎上進行改進，應用智能機器人中的智能化、自動化和信息化控制等技術(shù)，并構(gòu)建以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議（Ethernet Industrial Protocol，Ethernet/IP）的智能制造示范生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線在實際應用的過程中，能夠直接使用手機App、計算機終端等進行控制，保證物品能夠第一時間到達倉庫，同時能實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，有助于后續(xù)維護、管理工作的開展。

1 智能制造工藝需求

數(shù)控車床和加工中心是當前很多企業(yè)生產(chǎn)線中不可缺少的設備，這些設備在實際運行過程中主要由專門的員工來操控，使用軸類零件進行加工。將2 種不同的機床組合后，能夠加工出不同尺寸的產(chǎn)品。生產(chǎn)線的設計工藝主要是借助計算機終端整合3 種不同規(guī)格的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。由于每種零件的型號存在一定的差別，智能機器人需要綜合訂單詳情進行核算，并抓取對應的零部件進行下料[2]。加工完成后，先通過智能攝像機來檢測工件的種類及質(zhì)量，再由并聯(lián)機器人進行分類，送入下一個裝配輸送機。在裝配工位上，由2 個機器人協(xié)作完成總成的組裝，組裝完成后將總成運送至最終的傳送帶上，通過堆紙器將貨物送至立體倉庫。在中控平臺上，加工程序可以被自動或手動傳送，通過云端平臺來監(jiān)測生產(chǎn)線上設備的運行情況，在現(xiàn)場實時顯示訂單、零件加工、設備運行等信息。

2 智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設計

綜合機械加工智能制造生產(chǎn)線的工藝需求，建立一條以Ethernet/IP 為基礎的智能制造示范生產(chǎn)線，如圖1 所示。

圖1 智能制造示范生產(chǎn)線

2.1 加工區(qū)域

加工區(qū)域的控制系統(tǒng)包括1 套FANUC 系統(tǒng)、1 臺FANUC 系列機床、1 臺行走式FANUC 系列機床、1 臺PF525 變頻器、1 個射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）讀寫器以及1 個羅克韋爾1769-L24 可編程自動化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）。加工區(qū)內(nèi)的FANUC計算機數(shù)字控制機床（Computer Numerical Control，CNC）配置有1 個以太網(wǎng)接口，為確保程序的傳輸以及與PAC 的聯(lián)網(wǎng)互不干擾，還設置了1 個Ethernet/IP 協(xié)議接口。該輸送機主要用于輸送原料及半成品，加工區(qū)域內(nèi)的RFID 讀寫器主要用于讀取和寫入毛坯及機床加工信息[3]。

2.2 分揀搬運區(qū)

分揀搬運區(qū)的控制系統(tǒng)包括1 臺Delta 并聯(lián)機器人、1 臺康耐視智能攝像機和1 臺RFID 讀寫器。Delta 并聯(lián)機器人由1 臺1769-L36 PAC、1 塊觸摸屏、3 個伺服驅(qū)動器以及1 個馬達組成。其中，智能攝像機主要用于判定工件種類、產(chǎn)品質(zhì)量，RFID 讀寫器主要用于讀取與寫入工件的裝卸時間、規(guī)范等信息，屏幕主要用于控制系統(tǒng)運行過程中的參數(shù)、畫面、教學、輸入、輸出等。

2.3 組件裝配區(qū)

該部件組裝區(qū)域的控制系統(tǒng)包括2 臺六軸聯(lián)動FANUC 機器人、1 個觸摸屏、1 個RFID 讀寫器和1 臺PF525 變頻器。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對已分類和運輸?shù)慕M裝件進行協(xié)作組裝。元件組裝區(qū)域的RFID 讀取頭能夠讀取元件的規(guī)格種類及組裝狀況。在實際運行過程中，組裝區(qū)能夠綜合控制裝配站A 和裝配站B 的機器人的移動位置和狀態(tài)。該系統(tǒng)運行時能夠在主屏上設置零件裝配狀態(tài)，也可單獨工作，因此更符合中小型企業(yè)的生產(chǎn)實際需要。例如，在非裝配零件的情況下，既可以不使用裝配區(qū)域內(nèi)的設備，也可以使用裝配區(qū)域內(nèi)的設備進行裝配，具有更強的靈活性。

2.4 成品搬運區(qū)

成品搬運區(qū)的控制系統(tǒng)包括1 臺3D 直角機械手、1 臺RFID 讀取頭、1 臺PF525 變頻器等。其中，3D 直角機械手的電控部件與并聯(lián)機械手一致。產(chǎn)品處理區(qū)域的RFID 讀取頭可讀取和寫入產(chǎn)品的裝卸時間及存放地點。在成品搬運區(qū)域也配備有觸摸屏，包括主屏幕、示教屏幕、伺服調(diào)試屏幕、變頻器監(jiān)控屏幕、人工屏幕、自動屏幕、運輸路線規(guī)劃屏幕等。主屏幕在實際運行過程中能夠?qū)崟r顯示成品運輸?shù)膶嶋H速度、在線與離線起停、調(diào)試屏幕、工件計件情況等，有助于管理人員管理系統(tǒng)[4]。

2.5 中控區(qū)

中控區(qū)的控制系統(tǒng)主要由1756L65 型PAC 控制器、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）計算機終端、工程師總控終端、本地區(qū)服務器、遠程服務器以及顯示屏等多個部分組成。MES 計算機主要用于管理系統(tǒng)運行過程中的信息，讓使用者在操控過程中能夠控制訂單下單、排版、操控等。監(jiān)控終端主要借助遠程服務器的優(yōu)勢監(jiān)控生產(chǎn)過程，使管理者在運行和管理過程中能直接利用手機App 進行控制。但是，為保證運行的穩(wěn)定性和安全性能夠達到標準，在設計時要以無線局域網(wǎng)運行的方式進行設計[5]。

與以前的智能制造不同，該設備專注于雇傭成本高的產(chǎn)業(yè)，具有生產(chǎn)質(zhì)量高、準入門檻低等優(yōu)勢，在中小型生產(chǎn)企業(yè)中有著良好的應用效果。借助遠程服務器進行管理的優(yōu)勢在于能夠?qū)崟r監(jiān)控遠程監(jiān)控生產(chǎn)平臺，使用者只需掃描對應的二維碼即可進行監(jiān)控，適用于智能化生產(chǎn)維修和管理者。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在互聯(lián)網(wǎng)平臺上借助工業(yè)互聯(lián)的Ethernet/IP 通信協(xié)議技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)控機床、機器人、智能相機、RFID讀寫器以及PAC 等設備的工業(yè)互聯(lián)，將傳統(tǒng)的工業(yè)設備數(shù)據(jù)信息化。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)轉(zhuǎn)變了設備的使用方式，解決了傳統(tǒng)技術(shù)的信息孤島等問題[6]，對于提升智能制造生產(chǎn)加工的質(zhì)量具有重要意義。

3.2 智能傳感技術(shù)

3.2.1 智能工業(yè)相機技術(shù)

本系統(tǒng)設計過程中將康耐視等多個品牌的智能工業(yè)攝像機的視覺識別技術(shù)應用于工件種類與品質(zhì)的辨識中，不僅能夠減輕手工辨識的勞動強度，提高產(chǎn)品辨識的效率，還能推動智能化制造的信息化發(fā)展。

3.2.2 RFID 技術(shù)

RFID 技術(shù)可以直接通過射頻特征對目標物進行漸進性識別，具有較高的適應性[7]。該技術(shù)通過訪問各控制節(jié)點向上位機傳送信息，將傳感器與網(wǎng)絡和指揮平臺相連，實時監(jiān)控制造生產(chǎn)狀況，高效采集信息，為智能制造生產(chǎn)線的控制提供溯源。

3.2.3 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人在生產(chǎn)過程中能夠進行工件上下料、分類搬運和協(xié)調(diào)運作等操作，運行可靠性較高。目前，我國的人力資源優(yōu)勢逐漸消失，很多企業(yè)都在實施“機器換人”計劃。因此，在傳統(tǒng)機械加工領(lǐng)域引進工業(yè)機器人是順應時代發(fā)展趨勢的舉措，是實現(xiàn)智能化生產(chǎn)制造的關(guān)鍵。

3.2.4 工業(yè)大數(shù)據(jù)

目前，越來越多企業(yè)借助不同的數(shù)字技術(shù)對生產(chǎn)信息進行優(yōu)化。文章使用的智能制造生產(chǎn)線在實際運行過程中的數(shù)據(jù)，雖然無法達到PB 量級或EB 量級，但已具備了工業(yè)大數(shù)據(jù)的4V 特性，即海量、多樣化、價值、時效性。

3.2.5 云平臺

為確保系統(tǒng)與云平臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在中央控制室設有1 臺獨立的服務器，用于與云端平臺進行遠程通信。在實際運行過程中，該系統(tǒng)使得管理者能夠通過掃描指定二維碼監(jiān)測生產(chǎn)過程。

3.2.6 移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為當前我國機械加工生產(chǎn)企業(yè)重點應用的一項技術(shù)。該技術(shù)的應用主要是借助移動通信以及互聯(lián)網(wǎng)的高度融合，開發(fā)對應的App。管理者可以直接在App 中進行下單，不僅提高了機械加工企業(yè)智能制造的效率，還提高了企業(yè)管理的便捷性。

3.2.7 快換夾具技術(shù)

為適應不同類型工件的抓持，設計了3 種不同尺寸的夾具，直徑分別為40 mm、50 mm、60 mm。此設計的目的是迎合訂單區(qū)域的加工、裝配的轉(zhuǎn)變，滿足生產(chǎn)線生產(chǎn)的實際需求。快換夾具技術(shù)使生產(chǎn)線能夠根據(jù)生產(chǎn)線控制面單綜合下單的需求以及裝配要求更換不同的夾具，確保加工作業(yè)的正常進行。

4 結(jié)語

設計的機械加工智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，在實際運行過程中能夠滿足對不同區(qū)域的智能化控制，使管理人員能夠通過手機App 或計算機終端，掌握機械加工生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)，更改相應的參數(shù)。該控制系統(tǒng)可以在優(yōu)化傳統(tǒng)生產(chǎn)流程的基礎上，緩解傳統(tǒng)加工企業(yè)面臨的人力成本增加的問題，對提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有重要意義，可為機械加工生產(chǎn)企業(yè)的智能化生產(chǎn)工作的開展提供參考。