面向機械制造業(yè)的工業(yè)4.0 技術(shù)實驗平臺的開發(fā)

謝 峰，呂玉琳，雷小寶，耿 林

（安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230601）

進入21 世紀以來，互聯(lián)網(wǎng)、新能源、新材料和生物技術(shù)正在以極快的速度形成巨大的產(chǎn)業(yè)能力和市場，將使整個工業(yè)生產(chǎn)體系提升到一個新的水平。在此背景下，德國率先提出了第四次工業(yè)革命，即工業(yè)4.0，這一概念正推動工業(yè)領(lǐng)域的智能化水平達到全新的高度[1-2]。工業(yè)4.0 主要是通過利用網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng)和通信技術(shù)相結(jié)合的方案，將制造業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型[3]。我國是制造業(yè)大國，但還不是制造業(yè)強國，為此，我國于2015 年5 月提出了全面推進實施制造強國的戰(zhàn)略文件《中國制造2025》[4]，旨在打造具有國際競爭力的制造強國。

為適應國家這一發(fā)展戰(zhàn)略，高校必須培養(yǎng)能夠支撐該項計劃的人才隊伍[5-6]。本文在總結(jié)工業(yè)4.0 關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建和實施了面向機械制造業(yè)的工業(yè)4.0 關(guān)鍵技術(shù)實驗平臺，作為機械和自動化專業(yè)類學生學習和實踐工業(yè)4.0 技術(shù)的實驗平臺，同時也為機電領(lǐng)域工業(yè)4.0 技術(shù)的研究提供良好的設(shè)備支撐，并對機械和自動化相關(guān)專業(yè)的“新工科”建設(shè)進行有益的教學探索。

1 工業(yè)4.0 所涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)4.0 是一種以制造業(yè)為主，以智能設(shè)計為輔的工業(yè)革命，其主要目的是使用智能化的方法，并使用通信系統(tǒng)以及網(wǎng)絡空間系統(tǒng)來實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動化，然后再與物理信息相契合，使現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)逐漸趨于機電一體化和人工智能化[7-8]。

智能工廠、智能生產(chǎn)和智能物流是工業(yè)4.0 的三大主題，也是實現(xiàn)現(xiàn)代制造業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵，為實現(xiàn)這三大主題所對應的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：工業(yè)機器人應用技術(shù)、機器視覺技術(shù)、自動物流技術(shù)及制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）技術(shù)等。

1.1 工業(yè)機器人技術(shù)

要實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能生產(chǎn)和智能物流，離不開工業(yè)機器人的應用，工業(yè)機器人可代替人來完成焊接、裝配、搬運、打磨、拋光、注塑等生產(chǎn)制造工作，大大減輕了工人的勞動強度。同時，工業(yè)機器人的應用保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率[9]，目前工業(yè)機器人已被廣泛應用于汽車、電子、重型機械、模具生產(chǎn)等行業(yè)，以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，推動了工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。目前，發(fā)達國家已經(jīng)把工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為搶占制造業(yè)市場、提升競爭力的重要途徑，我國《中國制造2025》也將機器人作為重點發(fā)展領(lǐng)域。

1.2 機器視覺技術(shù)

機器視覺技術(shù)涉及人工智能、神經(jīng)生物學、計算機科學、圖像處理、模式識別等諸多領(lǐng)域。機器視覺主要用計算機來模擬人的視覺功能，不僅具有人眼功能，還具有人腦的部分功能。即從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于工件的檢測、測量和控制[10-11]。

在制造業(yè)的生產(chǎn)過程中，可利用攝像機將具體事物圖像輸入信息處理中心，對圖像中的顏色、亮度和分布狀況進行綜合分析，而后再將此類信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過計算機對所拾取的圖像進行特征分析。利用機器視覺技術(shù)，一方面可與機器人、自動機械等裝備相協(xié)作，進行物料的自動拾取、搬運、碼垛、裝配等需要精確位置確定和定位的工作，另一方面可進行加工零件表面質(zhì)量檢測、焊縫質(zhì)量檢測等零件加工質(zhì)量檢測工作，以滿足生產(chǎn)過程自動化的需要。

1.3 自動物流技術(shù)

自動物流技術(shù)是指充分利用各種機械和運輸設(shè)備、計算機系統(tǒng)和綜合作業(yè)協(xié)調(diào)等技術(shù)手段，通過對物流系統(tǒng)的整體規(guī)劃及技術(shù)應用，使物流的相關(guān)作業(yè)和內(nèi)容省力化、效率化、合理化，快速、精準、可靠、自動地完成工件在各工位間的輸送。

在機械制造業(yè)中，有多種形式的自動物流設(shè)備，如：AVG 小車、桁架機械手、積放式滾筒輸送線、RGV等。其中，AVG 小車具有靈活性、智能化等特點，同時能夠方便地重組系統(tǒng)，達到柔性化運輸?shù)哪康模蚨玫皆絹碓綇V泛的應用。

1.4 MES 技術(shù)

MES（manufacturing execution system）即制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)，是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)[12]。MES 系統(tǒng)的首要任務是建立一個扎實、可靠、全面的制造協(xié)同管理系統(tǒng)。在整個生產(chǎn)過程中，MES 系統(tǒng)相當于一個數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，通過通信協(xié)議實現(xiàn)各硬件設(shè)備信號間的相互交互，從而控制每個設(shè)備機構(gòu)和閥島。

2 工業(yè)4.0 實驗平臺的構(gòu)建

通過上述對工業(yè)4.0 關(guān)鍵技術(shù)的分析可知，工業(yè)4.0 技術(shù)的核心就是“數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化”。因此，工業(yè)4.0 背景下的“制造”的內(nèi)涵大大擴展了，由原來強調(diào)單臺設(shè)備的自動化，變成制造系統(tǒng)內(nèi)各制造單元的協(xié)同，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化及智能化。本文據(jù)此并應用上述分析的工業(yè)4.0 的四種關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了面向機械制造業(yè)的工業(yè)4.0 技術(shù)實驗平臺，如圖1所示。

圖1 面向機械制造業(yè)的工業(yè)4.0 實驗平臺

該實驗平臺包括：兩臺六自由度FUNAC 機器人及其夾持裝置、一條伺服控制皮帶輸送線、一臺激光打標機、一臺鉆銑加工中心、一輛AGV 小車（含AGV調(diào)度系統(tǒng)）及6 m×8 m 的磁道、一個數(shù)字料架等，構(gòu)成了一個面向制造業(yè)的自動機加工系統(tǒng)?？刂圃摷庸は到y(tǒng)的MES 系統(tǒng)的硬件部分包括：一臺工控機、一套控制柜、一臺 SIEMENS S7-1200 PLC、一臺SIEMENS 精簡HMI、一臺55 英寸顯示屏、一套AGV車載RFID 存儲器，以及兩套讀寫器。在皮帶輸送線的上方安裝了一臺FUNAC 工業(yè)相機，該相機和皮帶輸送線的伺服電機相配合，實現(xiàn)了機器人對輸送帶上任意位置工件的自動拾取。該實驗平臺設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 實驗平臺設(shè)備布置圖

該實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對機械零件的自動拾取、打標、輸送、加工、存放、加工信息存儲及顯示等功能，具體流程如下：

（1）將待加工件放在傳送帶上，傳送帶自動將物料送至另一端（此過程不綁定數(shù)據(jù)）。

（2）視覺機器人根據(jù) MES 系統(tǒng)要求的加工數(shù)量，通過機器視覺系統(tǒng)抓取待加工件（此時計數(shù)并比對）。

（3）帶視覺系統(tǒng)的機器人將抓取的待加工件送至打標機打標位置，打標機根據(jù)MES 的要求（格式和數(shù)據(jù)）打標，打標完成后，將打標序列號與工件綁定，該信息存入MES 數(shù)據(jù)庫。

（4）打標完成后，視覺機器人將工件放置在位置Ⅰ處的AGV 小車上，并通過RFID 讀寫器將相關(guān)信息存入TAG 中，裝有工件的 AGV 小車運行至下一工位（位置Ⅱ）。

（5）AGV 小車運行至位置Ⅱ后，搬運機器人抓取工件，并通過RFID 讀取TAG 數(shù)據(jù)，綁定至機器人搬運系統(tǒng)中。搬運機器人將加工件放入加工中心，并將加工件識別碼與加工中心的數(shù)據(jù)塊綁定在一起。

（6）加工中心根據(jù)MES 系統(tǒng)發(fā)出的加工指令和該工件所需的加工信息進行機床工裝的控制和工件的加工。

（7）加工完成后，搬運機器人將加工件取出，同時讀取加工數(shù)據(jù)，并與工件序列號綁定，判斷合格信息。根據(jù)合格信息，判斷加工件如何處置，將不合格件扔入廢料箱，將合格件放入數(shù)字料架，并將數(shù)字料架的信息與序列號唯一綁定，存入數(shù)據(jù)庫。

（8）AGV 小車運行至位置Ⅲ（等待位），接受MES 系統(tǒng)的出發(fā)指令，同時通過55 英寸顯示屏實時顯示整個加工過程。至此一個加工循環(huán)結(jié)束。

該實驗平臺工作流程如圖3 所示。

圖3 實驗平臺工作流程圖

3 工業(yè)4.0 實驗平臺控制系統(tǒng)的搭建

由前述可知，要保證該實驗平臺各設(shè)備間信息的相互通信和有效控制，離不開控制系統(tǒng)的設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)作為該實驗平臺的核心，是要保證平臺能夠?qū)崿F(xiàn)扎實、可靠和全面的制造協(xié)同管理。該實驗平臺控制系統(tǒng)硬件部分主要包括PLC、機器人控制器以及各種傳感器等。總體設(shè)計分為三層：執(zhí)行層位于最上層，主要通過工控機搭建MES 系統(tǒng)，實現(xiàn)計劃管控、生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、物料管理和監(jiān)控；中層為控制層，PLC 為其核心，采用PROFINET 總線通信，完成對數(shù)據(jù)的采集，控制自動化設(shè)備的起動和停止；實施層為底層，通過各種自動化生產(chǎn)設(shè)備形成自動生產(chǎn)線，負責完成相應的生產(chǎn)任務。該實驗平臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

執(zhí)行層MES 系統(tǒng)通過OPC-UA 協(xié)議與主控PLC進行數(shù)據(jù)交互，再通過數(shù)據(jù)采集服務器的統(tǒng)計分析模塊，對所采集的數(shù)據(jù)進行查詢和分析。MES 系統(tǒng)可實時查看生產(chǎn)現(xiàn)場的相關(guān)狀況和數(shù)據(jù)，也可控制部分底層設(shè)備，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化、可控化?？刂茖硬捎肧IEMENS S7-1200 系列PLC 作為主控制器，支持以太網(wǎng)接口，使用PROFINET、MODBUS TCP/IP 或PROFIBUS 分布式I/O 機架與各類設(shè)備進行通信，實現(xiàn)直接或間接的數(shù)據(jù)交換。對于無以太網(wǎng)接口的設(shè)備，如視覺機器人和搬運機器人，僅支持RS-232-C 接口，則采用PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線進行通信，實現(xiàn)在主站和從站之間的數(shù)據(jù)交換。MES 系統(tǒng)結(jié)合主控PLC實現(xiàn)對底層設(shè)備的調(diào)度和控制，增強了系統(tǒng)柔性，實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 該實驗平臺開設(shè)的實驗項目

該實驗平臺于2017 年10 月建成，可為“金工實習”“機器人技術(shù)”“測試技術(shù)”“機電一體化設(shè)計”等相關(guān)課程，以及“機電一體化課程設(shè)計”“畢業(yè)設(shè)計”提供實驗支持。所開設(shè)的實驗項目包括：

（1）工業(yè)4.0 關(guān)鍵技術(shù)認知實驗；

（2）機器人示教編程實驗；

（3）機器人碼垛實驗；

（4）機器視覺系統(tǒng)抓取工件實驗；

（5）AGV 小車電磁導引循跡控制實驗；

（6）零件表面打標實驗；

（7）PLC 的編程與通信；

（8）MES 管理系統(tǒng)實驗。

上述8 類實驗都可在該實驗平臺已有的設(shè)備和控制系統(tǒng)上完成。由于該實驗平臺的構(gòu)成方案來源于對現(xiàn)有工業(yè)應用場景的模擬，相應的實驗教學內(nèi)容具有較強的針對性和實用性，激發(fā)了學生對工業(yè)4.0 技術(shù)的興趣，培養(yǎng)了學生解決復雜工程問題的能力。

5 結(jié)語

在我國《中國制造2025》中，智能制造、機器人、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)及高端裝備制造、集成電路、新能源等被作為大力發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，機械工程學科要主動適應這一國家發(fā)展戰(zhàn)略，就要擴展“制造”的內(nèi)涵及機械工程專業(yè)的邊界。本文介紹的面向機械制造業(yè)的工業(yè)4.0 技術(shù)實驗平臺，正是在這樣的背景下開發(fā)的。該實驗平臺自2017 年10 月建成以來，得到學生和專家的一致好評，有助于學生了解機械制造業(yè)最新的工業(yè)控制技術(shù)，也有助于提高我校機械與自動化學科人才培養(yǎng)水平。