柔性制造生產線實訓平臺設計與應用

許鵬輝 董金梁

摘 要：隨著“工業4.0”和“中國制造2025”的提出，智能制造、人工智能等產業受重點關注，并不斷向柔性制造系統或單元發展。設計的柔性生產線，以一臺地軌機器人和一臺關節機器人為基礎，為三臺數控機床提供上下料工作，并配有智能倉儲和AGV小車負責原材料和成品的運輸和儲藏，呈現真實工廠生產環境。

關鍵詞：柔性制造;生產線;工業機器人;實訓平臺;MES

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.218

1 引言

柔性制造系統是集工業機器人、數控加工、智能控制、機電一體化等技術于一體的柔性自動化生產線，它滿足了小批量多品種生產需求，是智能制造的核心組成部分。智能制造一線技能人才主要來源是職業院校學生，本文設計的柔性生產線，是依據市場發展需求和教學改革要求，實現從技能教學為主的教學理念變為以教科研和為社會服務為主的教學理念。既憑借產線開展形式多樣的訓練教學活動，使機械、自動化、電氣及測控等專業學生的工程能力得到充分的鍛煉，讓學生能夠真實體驗現代制造技術生產加工的全過程;又依托產線提高社會服務能力。

2 柔性生產線總體概況

該生產線分為車削單元、銑削單元、智能倉儲單元和智能可視化系統單元，它由一臺加工中心、一臺車削中心、一臺數車、一臺關節機器人、一臺地軌機器人、智能立庫、MES軟件等組成。通過MES軟件和電氣系統的通訊和控制，實現了人機交互。從產品的設計、生產、存儲等方面，實現了加工單元的自動化和模塊化，使機械制造實現了數字化，使工作效率大步提高。

在教學科研領域，將MES（生產過程執行系統）和WMS（倉庫管理系統）等系統有機地結合起來，將企業管理和先進制造融于一體。先進生產制造系統融合了光、機、電、氣以及信息一體化、物流管理訓練、計算機輔助制造、工業造型、物聯網傳感技術、機器人、視覺圖像識別、數控制造等技術。

該實訓基地生產線能實現整體聯動和單模塊獨立運行。

2.1 聯動

步驟1，訂單投放，立體倉儲出料，出庫平臺上的RFID（射頻識別）讀寫器讀取工件加工任務信息;

步驟2，AGV（自動導引運輸車）物流小車運送工件至對應工序的加工設備上料區（物料存儲自動接貨平臺）;

步驟3，加工設備上料區的RFID（射頻識別）讀寫器讀取待加工零件工序任務，將其信息發送給加工設備及上下料機器人，設備自動開門，機器人根據程序選擇性的將工件放置于對應的工裝夾具上，工裝夾具自動夾緊，設備自動關門，開始自動加工;

步驟4，零件加工完，設備自動開門，機器人取出工件，放置于吹氣單元對工件進行吹干處理，機器人將工件放回物料存儲接貨平臺，將托盤送回至AGV（自動導引運輸車）物流小車上，由小車負責物流將工件傳輸到下個加工設備區，進行下道工序的加工;

步驟5，工件所有工序完成，入庫。如果沒有，則回到步驟3，依次循環。

2.2 單模塊獨立運行

支持單個模塊獨立運行，例如智能銑削上下料工作站可以在其它工作站斷電或者離線狀態，進行正常工作，方便學生針對單個模塊進行裝調、編程、運行與維護等實訓。

3 柔性生產線模塊功能介紹

3.1 智能加工模塊

主要由加工中心、數控車床（配自動門、自動工裝夾具）、六自由度機器人組成。系統啟動后，工業機器人將坯料放入加工中心，加工中心開始零件加工，結束后工業機器人將經過加工的零件放到自動傳輸系統的工裝托板上。

該模塊上下料部分主要由上下料機器人、機器人控制柜、機器人示教器、機器人抓手、機器人底座、機器人地軌式行走軸、物料存儲自動上下料平臺等組成。其中智能車削加工工作站配備地軌式行走機器人，由一臺機器人完成兩臺數控車床的上下料工作;智能銑削加工工作站配備固定式六軸工業機器人，完成加工中心的上下料工作。系統啟動后，工業機器人抓取毛坯料放入加工設備，結束后工業機器人將已加工好的零件放回物料存儲上下料平臺的工裝托板上，工裝托板等待AGV（自動導引運輸車）物流小車傳送至下個工位。

該工作站主要滿足學校開設的數控加工和工業機器人應用與維護等專業的教學，培養學生在數控加工設備工業機器人的裝調、編程、運行、設計與維護能力，以及機器人自動上下料系統的集成能力。

3.2 全自動物流倉儲模塊

主要由立體倉庫、WMS（倉庫管理系統）倉儲管理軟件、出庫平臺、入庫平臺、AGV（自動導引運輸車）智能存儲小車、阻擋定位機構等組成。完成載貨工裝托板的輸送、定位及分揀工作。

該模塊傳輸線部分由PLC自動控制，各傳輸段的起停、頂升等動作不需用戶操作各傳輸線由交流電機拖動，配置了變頻器。變頻器的各種運行數據、報警信息均可以傳給PLC，用戶各種操作指令，也可以在系統操作界面上方便的下達。

每個工位設有RFID無線射頻識別系統，由讀寫器、電子標簽等組成。系統設置多個讀寫器，分別對各主要工位和工序的完成情況及重要信息進行記錄，以便對產品的加工信息進行采集;可與生產線系統通信，實現與生產線的信息交換。最終數據全部發送給電腦保存。

立體貨架設有原料庫和成品庫，均采用巷道式立體庫。每個巷道式立體庫主要包括巷道式堆垛機、工業型材搭建的立體庫位等組成，主要用于原材料、成品的出庫、入庫以及存儲功能。庫內物品通過條碼系統、RFID（射頻識別）系統和WMS（倉庫管理系統）管理軟件來實現物料的信息管理和科學調配。堆垛機X、Z軸傳動機構均采用同步帶及鏈條，由伺服電機驅動，保證了出庫與入庫動作的速度與精確性。堆垛機取料機構采用三級貨叉，由直流電機驅動，可完成在原料庫與成品庫的雙面作業。作為擴展功能，用戶還可以對出入庫的庫位進行自定義，并且可實現移庫操作，體現了現代倉儲系統功能強、配置靈活的新理念。通過WIFI無線通訊方式與總控系統實現系統的遠程監控和管理。

該模塊主要滿足學校開設的機電一體化和現代物流等專業的教學，培養學生對智能制造系統物流傳輸線選型、自動化控制及布局設計能力，以及自動化立體倉儲系統的安裝、調試、操作能力、維護能力。

3.3 智能總控可視化模塊

模塊主要由總控臺、大屏顯示、監控電腦、攝像頭及MES（生產過程執行系統）軟件組成。其中MES（生產過程執行系統）軟件是實現產品計劃管理與工業控制之間信息管理系統。它為操作人員/管理人員提供計劃的執行、跟蹤以及所有資源的當前狀態。最終能夠達到以下要求：生產過程實時監控、生產常規管理、生產優化改進。

該模塊主要滿足物聯網應用技術等專業的教學，培養學生對倉儲管理軟件WMS（倉庫管理系統）的理解與掌握能力，企業制造執行系統MES（生產過程執行系統）的認知能力。

3.4 電氣系統

電氣系統設有就地控制柜，配有專用的PLC控制器及觸屏屏，PLC電氣控制及I/O通訊系統，主要負責加工設備、倉儲系統、AGV（自動導引運輸車）物流小車及機器人的I/O通訊控制，在觸摸屏的組態畫面上可以直接控制整個車間設備的運營。

該模塊主要滿足學校開設的電氣自動化設備安裝與維修等專業的教學，培養學生PLC的編程、運行與故障診斷能力，以及柔性制造系統中的自動化集成、信息對接、設備改造與維護等能力。

4 結束語

本文設計的柔性生產線呈現真實工業現場環境，完成產品的智能物流和自動裝配、智能倉儲，整個系統通過MES（生產過程執行系統）生產管理系統控制完成，使工廠無人化生產管理得到實現，使人力成本、誤差得到緩解。它包含了企業管理、制造加工、物流倉儲等功能，是當代智能化工廠的縮影，局部體現了生產的某些階段，并且后期還可擴展其他工位，讓學生能夠提前走進企業中。

參考文獻：

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