一套柔性加工制造系統的設計

顧榮，文西芹

（1.江蘇科技大學 工程訓練中心，江蘇 鎮江212000;2.淮海工學院工程訓練中心，江蘇連云港 222005）

0 前言

近幾年，隨著中央財政和地方財政的大量投入，各高等工科院校工程訓練中心的實踐教學基礎設施普遍得到提升。但是這種提升存在著一些不容忽視的問題，如從整體環境上看，目前有的訓練中心其訓練環境愈來愈像理科的實驗室，沒有體現訓練中心的實踐教學環境突出現場、突出訓練、突出實踐、突出一線，突出基層的特點;從局部來看，如在數控技術發展中，出現數控設備數量過多，單臺設備檔次過高，但由于時數的限制，在教學運行中大多停留在演示階段，學生的工程實踐能力得不到相應的提高，更談不上對現代企業的生產模式和組織形式的了解。同時，這種以單機訓練和工藝方法訓練為主的訓練方式難以適應社會對大學生工程實踐能力的要求，須逐漸向以工程項目驅動的訓練方式轉變。

柔性加工制造系統集成了當前工業設計、生產和控制的多項主流和核心技術，已成為現代制造企業的先進制造模式。大學生對此應該有所接觸，有所感知，有所實踐，有所深入［1］。由于系統采用工業化的元器件，貼近工業化的現場環境，可以使學生全面認識工業生產現場設備的組織形式和生產方式。同時由于該系統模塊化集成的特點，在實際教學應用中，每個模塊既可以單獨運行，方便學生入門學習和訓練;又可部分/整體聯機運行，對學生進行深層次的應用學習和培訓，可以使學生學習從簡單到復雜、由淺入深、循序漸進。

1 系統設計原則與要求

1.1 系統設計原則

依據當前主流成熟技術、主流成熟裝備及學校現有的資源（設備和軟件）進行技術和系統集成，在確保每個組成單元穩定可靠的基礎上、考慮技術的先進性和可行性，有機的將各個單元集成為具有一定創新性、先進性和實用性的數字化柔性加工制造系統。

系統盡可能的貼近于工業化且又立足于教學，充分考慮學生的參與性，做到教學與工業的無縫對接。

1.2 系統設計要求

1）集成度高:在該套系統中，通過工業現場總線形式的網絡通訊手段將系統中的所有單機設備進行高度、高效的集成。采用符合國家和國際標準和行規的ProfiBus－DP工業現場總線，將系統中的物流裝備和加工裝備有效地整合為一個具有極強實際操作能力、加工能力和二次開發能力的全自動生產加工系統。

2）高度開放性:可以在最大程度上為客戶開放，可以和工業上眾多裝備進行接口，進行系統集成。軟件系統由于采用開放式源代碼和通用軟件開發平臺，用戶可以以本文提供的代碼為藍本，進行深入層次的軟件系統二次開發，以便于開發出適合用戶需求的系統調度程序和單機運行程序，極大地方便了老師和同學課題研究工作。

3）先進性:系統集成目前自動化工業的數字化設計與管理、以網絡通訊主線的系統通訊、工業級的主流物流傳輸系統、RFID射頻系統、Zigbee物聯網數據傳輸的可追溯性管理等先進技術。

4）模塊化:系統中的單個加工執行單元、物流傳輸線、機器人、立體倉儲、檢測設備等具有“聯機/單機”兩種操作模式。所有的單元設備均可進行單項教學和部分系統聯機教學。

5）工業化:系統雖為實驗室教學系統，但所有單元設備乃至整個系統都采用了標準工業級的裝備和技術集成，盡可能地貼近工業化教學和工業模式的體現。

6）多層網絡結構:系統體現了現代柔性集成制造系統中的物流及生產信息流的交匯關聯過程，同時也體現了數字化設計與生產緊密關聯。因此系統由管理層、控制執行首端和末端、數據傳輸網絡等多層網絡結構。

2 系統組成

整系統有數字化設計分系統、加工制造分系統、檢測裝配分系統、生產物流分流系統和信息管理等5個分系統構成，為一個自動化集成應用組合系統。包含有設計單元、加工制造單元、檢測單元、裝配單元、碼垛單元、物流單元、智能化立體倉庫單元、系統中央控制單元等多個組成單元。系統具有可進行小批量多品種柔性加工、無人值守加工生產能力等，采用數字化系統管理模式，每一臺設備均采用網絡型對外聯接，由服務器統一管理生產過程當中的各種數字聯接任務，具有現代化柔性制造加工系統的特征，能充分展現在復合型生產中進行數字化管理生產的各個環節。圖1所示為系統布置圖，圖2所示為系統結構圖。

圖1 系統布置圖

圖2 系統結構圖

1）設計子系統（圖3）:該子系統是一個產品設計、產品仿真、工藝編制軟件平臺，具有多文檔、多環境的特點;包括設計軟件（三維CAD、協同管理軟件、工藝圖表、網絡DNC等）、工藝管理，工藝路線管理，產品數據管理與維護，并能提供標準、規范的符合要求的工藝模板、工藝資源知識。

圖3 設計子系統

2）制造子系統（圖4）:數控車床、立式三軸加工中心、高速雕銑機、激光內雕機、自動裝配單元、及相關MES軟件組成，所有機床經網絡（DNC）軟件進行聯網，主要負責對零部件的加工、裝配、整合、搬運等工作，可同時完成對多種零件加工、裝配，制造執行系統中所有加工步驟均由MES軟件進行分配。

圖4 制造子系統

3）生產物流子系統（圖5）:由立體倉庫、倍速鏈傳輸線、物料工裝板、物料升降機、RFID工位信息識別器、工位信息顯示器、物流相關軟件）組成，主要負責對整個系統中的物料進行存儲、運輸、信息采集與顯示。傳輸物料均通過統一工裝板進行運輸，每一個工裝板安裝一個（RFID）電子標簽，運輸與傳送時工位識別器對（RFID）進行識別，同時調取（ERP）軟件數據庫即分辨出該工裝板上的物品信息。

圖5 生產物流子系統

4）品質檢測子系統:采用五軸數控光學三維掃描系統對加工零部件進行在線檢測，檢測數據輸入到（ERP）軟件的質檢模塊，由（ERP）軟件根據生產信息設置分析該產品的品質信息，每一批次產品的品質百分比在系統中自動統計，檢測項目由工業顯示終端顯示在該工位上，檢測人員按顯示終端所顯示內容與操作方法對不同零部件進行檢測，檢測參數由人工記錄到信息終端。

5）信息管理子系統（圖6）:由中央控制單元、監控系統（含高清網絡攝像頭、網絡硬盤錄像機及視頻監控器、電子看板等）、信息管理軟件系統、ERP軟件（包含采購、銷售、倉儲、生產、需求等主要模塊）等，為整個系統的監控和管理平臺。

圖6 信息管理子系統

3 在工程實踐教學中的應用

本系統既能完成認知型和綜合型實驗實訓，又能完成開發設計型實驗實訓，還能實現學生現場動手操作和網絡計算機同步觀測與分析相結合;對樣件具有全程演示及生產能力;系統應具有全自動控制功能，能充分展示現代工業中進行數字化管理生產的各個環節;系統具有單機獨立控制、獨立運行功能;系統應具有啟停控制、動態作業計劃調度、庫存資源動態顯示、系統故障診斷與處理;工件位置動態顯示等功能。圖7－圖11為工程實踐教學中的應用。

圖7 制造系統工程實踐

圖8 機器人系統工程實踐

圖9 控制系統工程實踐

圖10 輸送系統工程實踐

圖11 倉儲系統工程實踐

4 結語

為滿足社會對當代大學生工程實踐能力和創新能力的要求，利用成熟主流技術的裝備設計了一套柔性加工制造系統，使學生在真實的工廠環境中進行實訓實驗、取得了預期的效果。

［1］傅水根.再論工程訓練中心的可持續發展［R］.華東高校工程訓練學會學術報告，2012.10.

［2］趙家文，王飚.基于實訓任務的“柔性制造系統”［J］.實驗技術與管理，2012，5（3）:127-128.

［3］姚松麗.柔性制造系統在實踐教學中的應用［J］.實驗室研究與探索，2011，5（5）:114-116.

［4］雷永鋒，王振玉，宋黎，等.柔性制造系統工程訓練實踐應用［J］.實驗科學與技術，2013，2（1）:127-129.