一種智能制造系統的設計

萬松峰 劉熾華 王康 丁佳偉

摘? 要：隨著美國提出“先進制造業國家戰略計劃”、德國發布“工業4.0”戰略，及我國“中國制造2025”的提出，智能制造迅猛發展。根據制造業市場變化趨勢，利用數控加工技術、工業機器人技術、工業以太網技術、機器視覺和數字化設計制造技術等實現切削加工的定制化生產。該設計可以減少產品的不合格率，縮短了加工的輔助時間，大大提高了生產效率，提高系統加工的柔性。

關鍵詞：智能制造;數控加工;工業機器人;定制化

中圖分類號：TQ630.7? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）25-0046-03

Abstract： As the "Advanced Manufacturing National Strategic Plan" in USA， the presentation of German "Industrie 4. 0"， and

"Made in China 2025"， intelligent manufacturing industry gets rapid development. According to the changing trend of the manufacturing market， CNC machining technology， industrial robot technology， industrial Ethernet technology， machine vision and digital design and manufacturing technology are used to realize customized production of cutting processing. The design can reduce the failure rate of the product， shorten the auxiliary time of the processing， thus greatly improve the production efficiency and the flexibility of the system processing.

Keywords：intelligent manufacturing; CNC machining;industrial robot; customized production

我國制造業規模全球排名第一，制造業成為我國現代工業的基石和促進全球發展的重要力量。但從質量上和技術上來看我國的制造業與美國、德國都有一定的差距，創新能力弱。自2008年全球經濟危機后，歐洲、日本和美國等發達國家推動的再工業化戰略，有效吸引高端制造業向本國回流，他們分別推行“工業4.0”、“新工業法國”、“高價值制造”、 “制造業競爭策略”和“先進制造業國家戰略計劃”等戰略等，通過發展先進制造業重構實體經濟，搶占全球先進制造的制高點。新興經濟體國家依靠其低廉的生產要素優勢承接中低端制造。新一輪產業和科技變革推動移動互聯網技術、云計算技術、物聯網技術和大數據技術的迅速發展，為智能制造提供有效的技術手段。

隨著我國經濟發展的轉型升級和人力成本的提高，企業利潤逐漸降低，并且人工操作機床對技術有一定要求，產品質量與操作工人的技能水平關系很大。用工業機器人代替人力實現機床自動上下料可以消除不同操作人員帶來的產品差異，確保機械加工的質量穩定性和可靠性，機床順利的上下料和產品質量的穩定性，調高產品格率，縮短了機床的輔助時間，大大提高了生產效率，提高了機床的柔性，具有重要的現實意義。

1 系統組成

根據制造業市場變化趨勢和東莞中小企業生產實際，結合東莞“機器換人”的政策導向，本課題以工業機器人為主體、應用視覺自動對加工尺寸檢測，實現數控機床自動上下料和產品檢測。一種智能制造系統主要包括數銑設備、打磨設備、工業機器人、機器視覺、智能倉儲（AGV）、智能快換夾具裝置（AGV）和中央控制系統等。根據需求選定加工產品后，工業機器人通過視覺引導自動更換夾具，智能倉儲系統輸出物料給機器人，工業機器人首先通過視覺讀取物料二維碼信息，確認后通過視覺引導抓取產品放至數銑設備和打磨設備，加工完成后取出工件進行尺寸檢測，檢測完成后更新產品二維碼信息并放入倉庫，完成一次加工。通過視覺實現自動化上下料和加工尺寸的自動檢測。

系統效果見圖1，包含加工、檢測、輸送、執行、控制、顯示監控等模塊，通過工業以太網完成數據的快速交換和流程控制，采用多臺套PLC滿足靈活的現場控制結構和總控設計邏輯，利用柔性終端和智能視覺實現柔性生產，工業網絡和二維碼實現制造信息采集、狀態監控和數據分析處理。

系統啟動后首先設定加工工件并導入檢測標準，工業機器人根據選擇工件更換夾具。機器人運行到智能倉儲處等待料倉推出物料，視覺通過二維碼讀取物料信息，核對無誤后抓取工件放入數控車（銑）床，啟動機床加工，從機床取出已經加工完成的工件放置料倉，通過視覺對物料進行檢測，檢測完畢后將物料信息寫入二維碼更新物料信息，完成一次物料的自動加工和檢測。

2 硬件部分

系統的硬件具體由數控車床、數控銑床、工業機器人、機器視覺、智能倉儲、二維碼、智能快換夾具裝置和中央控制系統等組成，硬件組成見圖2。

工業機器人選用ABB公司生產的全新緊湊型設計IRB2600型工業機器人，該工業機器人自帶以太網接口方便與常用的工業網絡通訊。

該系統中的視覺模塊由工控機、工業相機、鏡頭和光源組成，相機選用歐姆龍FZ-SC彩色30W CCD攝像元件，鏡頭VST公司的VS-0620VM鏡頭，控制器選用歐姆龍FH-L550控制器。FH-L550控制器的外部接口包含Ethernet接口、串行通信接口、EtherNet/IP接口、PROFINET接口、USB 接口和并行I/F接口等，支持多種通信方式，方便與外部設備通訊。

中央控制系統主要由西門子S7-1212和南京華太遠程IO模塊FR8210組成，如圖7所示。S7-1212設計緊湊、成本低廉且功能強大，是控制小型應用的完美解決方案。華太遠程IO模塊簡化PLC開展遠程IO。

通過單片機生成二維碼用于顯示倉儲系統物料狀態，當有物體靠近時LCD通過二維碼和文字顯示物料狀態，10秒后自動熄滅;當倉位物料發生變化時可通過串口或以太網接口接收信息自動更新LCD物料顯示信息，實現物料信息化顯示。

3 軟件介紹

該智能制造系統的軟件主要由中央控制模塊、機器人控制模塊、機器視覺模塊和單片機二維碼模塊組成。

ABB機器人的編程語言是RAPID語言，ABB程序結構由各模塊組成，模塊包括程序數據、主程序、例行程序、中斷等組成。編程前需先建立工具坐標系和工件坐標系，配置標準IO端口和遠程IO端口，設置以太網通訊等，設置完成后可以直接在ABB上或Robotstudio上編寫RAPID程序了。ABB機器人控制模塊軟件流程圖如圖4所示，機器人首先初始化回到原位等待PLC指令，收到指令后發送命令給視覺系統和夾具庫，通過視覺引導實現夾具快換，夾具安裝完成后發送指令給PLC控制第七軸移動至倉庫處，料倉推出物料后機器人控制視覺進行物料信息讀取，讀取后控制夾爪抓取物料，根據加工要求將物料放入車床或銑床，等待加工完成后取出物料放入料倉，并控制視覺對尺寸測量，測量完畢后發送信息給PLC更新物料信息。

機器視覺模塊主要包括視覺引導和視覺測量兩個部分。該視覺主要是為工業機器人感知周邊環境的變化，通過算法計算為機器人的動作調整提供依據，保證工業機器人能正確完成任務，提供了外部閉環控制機制。視覺模塊引導模塊軟件流程圖如圖4所示。該機器視覺還具有尺寸測量功能，根據設置可以自動測量加工產品的尺寸，比如通過產品外形判定類別，通過對孔徑、高度和面積的測量判定產品是否合格。運用視覺系統對加工工件進行尺寸測量，視覺引導模塊軟件流程圖如圖5所示。

4 結論

利用數控加工技術、工業機器人技術、工業以太網技術、機器視覺和數字化設計制造技術等實現切削加工的定制化生產。該項目的應用有助于工業自動化的推進，使得工業機器人能夠適應條件變化，提高生產效率，為企業帶來更大的利潤。

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