智能制造學科交叉實驗平臺建設(shè)與應(yīng)用

李 晶, 陳雪峰, 周光輝, 段玉崗, 楊立娟

(西安交通大學 機械工程學院, 陜西 西安 710049)

智能制造技術(shù)是信息技術(shù)、智能技術(shù)與裝備制造過程技術(shù)的深度融合與集成[1-2],是“中國制造2025”的主攻方向[3],是高校新工科重點發(fā)展的新興工科專業(yè)[4-5]。國內(nèi)近年來隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的步伐加快,智能化生產(chǎn)線、智能工廠的應(yīng)用、系統(tǒng)集成、維護技能人才等需求尤為突出[6-8],這對高校人才培養(yǎng)模式提出了挑戰(zhàn)。因此建立高校智能制造實踐平臺,開展智能制造人才培養(yǎng)模式改革勢在必行。

1 平臺建設(shè)

西安交通大學機械工程學院面向未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)主動布局人才培養(yǎng),積極探索新工科研究與實踐,以培養(yǎng)跨學科復(fù)合型人才為目標,2017年籌建了智能制造學科交叉實驗平臺(圖1)。該平臺以微渦發(fā)動機核心零部件為載體,實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、智能管理、物流服務(wù)等的產(chǎn)品全生命運行和監(jiān)控平臺,將智能制造的機器人、數(shù)控機床、虛擬仿真、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)、信息化管理等技術(shù)進行融合,具有無人化智能車間的基本功能和形態(tài)。

圖1 智能制造學科交叉實驗平臺

德、中、美相繼提出的工業(yè)4.0參考體系架構(gòu)(RAMI4.0)[9]、智能制造體系架構(gòu)、智能制造生態(tài)體系(Smart Manufacturing Ecosystem, SME)[10],為企業(yè)轉(zhuǎn)型提供建設(shè)智能制造標準體系的參考。智能制造學科交叉實驗平臺的設(shè)計充分體現(xiàn)了上述標準架構(gòu)模型的核心概念,從下而上構(gòu)建了智能設(shè)備層、智能采集與控制層、智能執(zhí)行層、智能決策層的四層級架構(gòu)體系(圖2)。

圖2 智能制造系統(tǒng)架構(gòu)層級

1.1 智能設(shè)備層

實現(xiàn)智能制造的前提是制造裝備的自動化,該平臺的智能設(shè)備主要包括：5軸加工中心、3軸加工中心、數(shù)控車床、6自由度機器人(2臺)、8工位自動料倉、AGV小車、物料轉(zhuǎn)換中轉(zhuǎn)臺、機器人氣動夾具、智能刀具、車間智能終端顯示屏等設(shè)備,圖3為智能制造實驗平臺設(shè)備布局圖。以微渦發(fā)動機核心零件——葉輪的智能加工為例,通過這些智能設(shè)備的有機組合和運作,實現(xiàn)葉輪毛坯、半成品、葉輪零件在該平臺各設(shè)備間的自動化、高效協(xié)同生產(chǎn)。葉輪智能加工工藝流程見圖4。

圖3 智能制造學科交叉實驗平臺設(shè)備布局圖

圖4 葉輪智能加工工藝流程圖

1.2 智能采集與控制層

1.2.1 智能生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)

生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是平臺“大數(shù)據(jù)”的核心層,主要負責設(shè)備數(shù)據(jù)采集(各個設(shè)備狀態(tài)、I/O 狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等)、狀態(tài)顯示、生產(chǎn)線監(jiān)控、RFID讀寫控制等,實時獲知每臺機床當前加工的工件和工件生產(chǎn)數(shù)量,為MES系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)提供準確及時的生產(chǎn)完工信息。PLC負責整個工廠的邏輯動作控制,包括機器人與數(shù)控機床、料倉、AGV小車等生產(chǎn)協(xié)調(diào)控制。網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要負責將離散的CNC、PLC、檢測設(shè)備等進行組網(wǎng),實現(xiàn)產(chǎn)線控制與設(shè)備之間的集中控制與網(wǎng)絡(luò)化管理。

1.2.2 云數(shù)控系統(tǒng)

云數(shù)控系統(tǒng)是運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云數(shù)控等技術(shù),圍繞數(shù)控機床加工效率和質(zhì)量的提升以及機床的智能化、信息化的車間管理系統(tǒng)，采集數(shù)控系統(tǒng)的位置、電流、溫度、力矩、振動、跟隨誤差、聲音、圖形、視頻等大量數(shù)據(jù)。數(shù)控云服務(wù)器通過分布式存儲管理大數(shù)據(jù),分析特征提取等智能算法,深度挖掘數(shù)控機床的能力,提高數(shù)控機床的管理效率、加工效率、加工質(zhì)量,并保障機床的健康工作。圖5為本平臺的華中云數(shù)控系統(tǒng)功能示意圖。

1.2.3 基于 RFID 的數(shù)字化系統(tǒng)

RFID讀寫系統(tǒng)主要包括RFID讀寫器、讀頭、電子標簽,通過RFID讀寫器讀取物料、零件、刀具的電子標簽,并對物料、零件、刀具進行標記,實現(xiàn)實時監(jiān)控。本平臺的RFID讀寫系統(tǒng)分別安裝在料倉、車銑中心中轉(zhuǎn)臺1、5軸加工中心中轉(zhuǎn)臺2及刀柄處。高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能有效地提升 MES 系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性。

1.3 智能執(zhí)行層

1.3.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)

MES制造執(zhí)行系統(tǒng)是面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。MES功能模塊如圖6所示,主要包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、BOM管理、計劃管理、高級排產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、決策管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等。MES系統(tǒng)將生產(chǎn)訂單下發(fā),生產(chǎn)線控制系統(tǒng)接收派工信息,WMS系統(tǒng)對物料入出庫進行登記。MES系統(tǒng)通過與智能化裝備的集成,準確及時地收集生產(chǎn)、物料、質(zhì)量等狀態(tài),保證生產(chǎn)高效正常進行。

1.3.2 倉庫管理系統(tǒng)(WMS)

倉儲管理系統(tǒng)是對生產(chǎn)用料的庫存、檢驗、出入庫、備料、批次、編碼等實現(xiàn)智能管理,以提高工作效率。解決物料供需之間存在的時間、數(shù)量、品種等方面的矛盾,銜接生產(chǎn)的各環(huán)節(jié),從而確保生產(chǎn)的順利進行。圖7為該平臺WMS功能結(jié)構(gòu)圖。

1.3.3 虛擬仿真系統(tǒng)

美國早在2006年就提出了Cyber-Physical System(CPS,信息-物理系統(tǒng)或虛擬-實體系統(tǒng))的概念,并將此項技術(shù)體系作為新一代技術(shù)革命的突破點。德國提出工業(yè)4.0的核心技術(shù)是Cyber-Physical Production System (信息-實體系統(tǒng)),也是CPS 技術(shù)在生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用[11]。任何產(chǎn)品可以存在于虛擬和實體兩個世界,虛擬世界中的產(chǎn)品代表實體狀態(tài)和相互關(guān)系的模型和運算結(jié)果，能夠更加精確地指導實體的行動,使實體的活動相互協(xié)同和優(yōu)化,實現(xiàn)價值更加高效、準確和優(yōu)化的傳達[12]。因此,該智能制造學科交叉實驗平臺充分考慮了虛擬與現(xiàn)實的有機融合,虛擬仿真技術(shù)貫穿產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)。虛擬仿真系統(tǒng)主要包括以下仿真系統(tǒng)：

、

圖5 華中云數(shù)控系統(tǒng)

圖6 MES系統(tǒng)功能模塊

圖7 WMS功能結(jié)構(gòu)框圖

(1) 零件設(shè)計與加工仿真。在微渦發(fā)動機的典型零件的設(shè)計、加工過程中應(yīng)用CAD軟件建模、CAM軟件路徑規(guī)劃與加工仿真、NC代碼在機床上的加工仿真驗證、數(shù)控機床操作與加工仿真等,仿真過程如圖8所示。

(2) 機器人仿真與示教編程。我校自主開發(fā)了一款跨平臺工業(yè)機器人仿真系統(tǒng)(圖9)軟件。該仿真系統(tǒng)軟件以華數(shù)HRT-6六自由度工業(yè)機器人為建模、開發(fā)原型,應(yīng)用Web開發(fā)語言,可以實現(xiàn)工業(yè)機器人運動仿真的可視化,軸關(guān)節(jié)、直角坐標控制,典型I/O控制以及示教編程的仿真,示教仿真導出的程序可以控制華數(shù)HRT-6實體工業(yè)機器人運動。

(3) 物流仿真與優(yōu)化、虛擬試生產(chǎn)。應(yīng)用西門子工廠Plant Simulation仿真軟件及Teamcenter軟件實現(xiàn)生產(chǎn)線的建模、仿真與優(yōu)化，對要投建的生產(chǎn)線進行優(yōu)化布局,分析生產(chǎn)線資源利用率、瓶頸、產(chǎn)能、物流和供需鏈等,利用自動瓶頸分析器、Pert圖和Gantt圖等對高度復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)和控制策略進行仿真分析,可以使用遺傳算法對系統(tǒng)參數(shù)進行自動優(yōu)化。仿真系統(tǒng)如圖10所示。

該平臺后續(xù)還將開發(fā)微渦發(fā)動機裝配過程仿真系統(tǒng),這些虛擬仿真系統(tǒng)與實體生產(chǎn)線有機融合,既拓寬了智能制造學科交叉實驗平臺的承載能力,又提高了實驗教學效果,是智能制造實體平臺不可缺少的必要環(huán)節(jié)和補充。

圖8 葉輪建模與加工仿真

圖9 跨平臺6自由度工業(yè)機器人仿真系統(tǒng)

圖10 物流仿真與優(yōu)化系統(tǒng)

1.4 智能決策層

通過云數(shù)據(jù)中心的大數(shù)據(jù)分析和計算等技術(shù),輔助管理者從海量的數(shù)據(jù)中尋找出隱藏期間的關(guān)系和規(guī)律,為管理和控制提供即時決策的依據(jù)。可以通過手機、平板等移動終端實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程管理。

2 實驗平臺應(yīng)用

結(jié)合我校主要工科專業(yè)本科生培養(yǎng)方案中對智能制造新工科專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培養(yǎng)要求,面向從大一到大四年級的不同階段、不同專業(yè)開設(shè)各類實踐課程,設(shè)計了基于智能制造的3層次實驗教學體系,開發(fā)了專業(yè)導論課程實驗、模塊化專題實驗、系統(tǒng)級課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等內(nèi)容。

2.1 專業(yè)導論課程實驗

結(jié)合智能制造學科交叉平臺與虛擬仿真實驗系統(tǒng),面向全校工科專業(yè)低年級本科生開展智能制造專業(yè)導論課程實踐。通過對其結(jié)構(gòu)、功能的介紹及演示,使學生感知、理解智能制造的基本內(nèi)涵與特征要素,建立對智能制造生產(chǎn)模式及其特點的概念性認知,接觸學科前沿,開闊專業(yè)視野。

2.2 模塊化專題實驗

結(jié)合機械工程的裝備與制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、機械精度設(shè)計、工業(yè)機器人技術(shù)、制造執(zhí)行系統(tǒng)技術(shù)等課程開設(shè)模塊化課內(nèi)、課外綜合實驗。可以開設(shè)的實驗內(nèi)容有微渦發(fā)動機典型零件設(shè)計與加工實驗、云數(shù)控大數(shù)據(jù)采集及機床運行監(jiān)控與優(yōu)化實驗、基于智能生產(chǎn)線工業(yè)機器人作業(yè)軌跡仿真與驗證實驗、車間智能執(zhí)行MES系統(tǒng)應(yīng)用實驗、車間智能倉庫管理WMS系統(tǒng)應(yīng)用等綜合實驗。通過專業(yè)課的理論與實驗環(huán)節(jié)訓練,使學生在智能制造專業(yè)基礎(chǔ)知識方面打下堅實基礎(chǔ)。

2.3 系統(tǒng)級的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計

基于智能制造系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)及功能特性,針對機械工程專業(yè)大三、大四的學生開設(shè)制造工藝規(guī)劃與FMS及CDIO課程設(shè)計。如以微渦發(fā)動機核心零部件的智能制造CDIO項目為例,該項目以“微型渦噴發(fā)動機”核心零部件為設(shè)計、加工對象,在智能生產(chǎn)過程中貫穿智能加工、機器人示教編程與路徑規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)度規(guī)劃、倉儲物流管理、質(zhì)量檢測等實驗內(nèi)容,著力培養(yǎng)學生在智能制造的模式及環(huán)境下,面向產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā),虛實結(jié)合,進行系統(tǒng)級規(guī)劃、設(shè)計、集成和運作的實踐能力。與具備智能制造基本條件的企業(yè)進行合作,聯(lián)合開展畢業(yè)設(shè)計,促進學生深入企業(yè)開展“真刀實槍”的系統(tǒng)級工程實踐訓練。

3 結(jié)語

本平臺是西安交通大學開展新工科建設(shè)實踐與探索的重要舉措,為智能制造新工科專業(yè)人才培養(yǎng)提供有力支撐。引導學生從傳統(tǒng)的單機加工制造、單一教學方式向多專業(yè)、跨學科的綜合性、系統(tǒng)級工程實踐方向發(fā)展。培養(yǎng)學生分析與解決復(fù)雜問題和運作生產(chǎn)系統(tǒng)的能力,培養(yǎng)學生團隊協(xié)作、創(chuàng)新實踐能力。