基于VisualOne 的柔性制造系統智能工廠的研究與設計

劉彩霞，王慧東

（包頭職業技術學院數控技術系，內蒙 古包頭 014030）

0 引言

隨著“中國制造2025”的不斷深入發展，智能制造也漸漸被大家耳熟能詳。智能制造系統是包括智能裝備（數控機床、機器人及其他自動化設備）、工業互聯網（傳感器、機器視覺、RFID、工業以太網）、工業軟件（ERP、MES、DCS 等）、3D 打印以及將上述環節有機結合的自動化系統集成及生產線集成。我國在逐步提升工業水平，并正處于制造業的轉型升級階段。工業自動化已經成為勢不可擋的發展趨勢，很多工廠已經擁有無人車間或只需要少量的人力就可以做很多的工作大型生產線。為了在制造業轉型升級中尋求新的突破，我國一直積極發展工業機器人技術。機器人給工業帶來新的動力和發展模式。已有企業能根據各自的發展需求和加工設備的規模，來自主選擇工業機器人柔性制造智能產線系統，這不僅滿足了企業的基本生產需求，也保證了企業的經濟效益。建立完整的工業機器人自動上下料的智能制造生產線，可以很好地解決許多生產線上因工件裝載勞動強度大、生產效率低、風險高而帶來的生產停滯不前的問題。同時提高了生產效率，降低了人工成本，從而降低整個生產成本。加快智能制造技術的應用和智能工廠的推廣，是落實工業化和信息化深度融合、打造制造強國的重要措施，也是實現制造業轉型升級的關鍵所在[1]。對于學校來說，創建完全的柔性制造智能工廠從經濟性、實用性、可行性等各方面來說，都是不可能的。如何能讓學生身臨其境地感受柔性制造智能工廠？本破研究應用VisualOne 軟件以企業全真實體生產車間為背景，以學校現有各種設備為組成，以生產多品種、中小批量、多工序的各種箱體類零件為主線，營造“源于現場、高于現場”的智能化生產情境，為智能工廠的真正落地實施提前預演，仿真其合理性和可實施性，既能讓學生體驗柔性制造智能工廠精益化、數字化、智能化，又能滿足學生創建智能工廠、體驗智能工廠所帶來成就感，學生又能進入工作崗位的綜合素質和職業能力增強。

1 設計任務

某公司智能工廠建設任務，具體要求：（1）主要進行多品種、多工序箱體類零件的混流加工；（2）加工后的零件需進行打磨；（3）打磨后的零件需裝配；（4）裝配的零件需與其他零件焊接；（5）該智能生產線重在多品種零件的加工，加工零件的品種可延伸性強；（6）加工后零件需進行較高尺度精度檢測；（7）該智能生產線現場工人數不能超過4 人；（8）所有毛坯、成品件智能出庫、智能入庫，不需要人員參與；（9）流程節拍的零件自動輸送；（10）生產節拍設計合理，生產效率高。

2 自制托盤和自制手爪

根據上述設計任務，為了滿足生產多品種、中小批量、多工序的各種箱體類零件的加工，需合理規劃工作流程以提高生產和加工效率。設計并自制的托盤和自制手爪如圖1 和圖2 所示。用于裝夾各種箱體類零件的夾具是裝夾到自制托盤上的，所以在該智能制造系統中工業機器人給機床上下料不是工業機器人手爪抓取和放下工件，而是人工在上料區先將待加工工件用夾具裝夾到自制托盤上，上料時機器人將自制托盤連同工件和夾具一起從裝夾工作臺上搬運到數控機床上并固定，下料時機器人將自制托盤連同加工完的工件搬運到下一道工序或下一個流程的設備上，因此，數控機床的工作臺是采用自制托盤，不加工工件時所有托盤放在托盤庫里，上面裝置有各種夾具。機器人搬運時手爪抓取托盤的狀態如圖3 所示。

圖1 自制托盤

圖2 機器人搬運自制托盤的手爪

圖3 機器人搬運時手爪抓取托盤的狀態

自制托盤在機床上的固定方式如圖4 和圖5 所示，圖4 是自制托盤的下面，圖5 是機床夾具上面，自制托盤夾在機床上。機器人上下料時用自制手爪抓取自制托盤，工件已由夾具安裝和固定在自制托盤上。當一臺數控機床完成加工零件時，工業機器人按照生產線的工藝流程將自制托盤運送到下一臺機床的機床夾具上并進行固定夾緊。自制托盤與機床夾具的定位是由機床夾具上的兩個短圓柱型定位銷實現粗定位，再由四個圓錐面實現精確定位，機床夾具圓錐形底座內有氣爪，可以抓住自制托盤上的拉釘，從而實現夾緊。

圖4 自制托盤的下面

圖5 機床夾具上面

3 智能工廠設計思路

智能工廠的設計應包括智能管理、智能設計、智能生產、智能物流、智能產品與服務。智能生產需要有智能裝備。智能裝備包括智能加工裝備（數控設備、工業機器人、自動化生產線、3D 打印機等）、智能物流裝備（立體倉庫、輸送設備、堆垛機、AGV 等）、智能檢測裝備（視覺檢測、光電檢測、計量檢測、三坐標測量機等）、智能識別裝置（智能采集、智能儀表、智能工具等）。

根據任務要求，規劃2 臺TH6535X63A 臥式銑鏜加工中心、2 臺VMC650E 經濟型立式加工中心實現各個工序的混流加工。需要4 臺機器人，其中1 臺機器人安裝自制手爪搬運自制托盤給4 臺機床上下料，1 臺機器人將加工完的工件搬運到輸送帶上，1 臺機器人在打磨區進行打磨，1 臺機器人將已加工工件與其它零件焊接。需要4 輛AGV 小車，分別實現托盤、毛坯的出庫及托盤、成品件的入庫。利用三坐標測量機進行工件的測量。需要1 臺變位機、1 條自動物料傳輸線、2 個快換裝置，6 個自動化立體倉庫（包括托盤庫、毛坯庫和成品庫）。需要1 個裝夾區、1 個卸料區、1 個檢測區、一間總控室及其他輔助設施，完成所要求工件的加工、打磨、裝配、焊接。整套智能生產線系統的設計滿足柔性化生產加工需求及自動化流水線的設計需求。柔性化操作加工工作范圍內，作業人數為4 人/班。裝夾區里1 人將毛坯裝配到托盤上，檢測區1 人將打磨后的工件從托盤上拆卸、搬運到檢測區備料臺上及將檢測后的工件與其他已加工完的工件裝配并搬運到輸送帶上，檢測區1 人負責在三坐標測量機上檢測工件，總控室1 人負責系統工作狀態的監控。該智能工廠智能裝備清單見表1。

表1 智能工廠智能裝備清單

4 智能工廠場景搭建

根據項目設計的要求，應用虛擬仿真軟件進行場景搭建，本項目選用VisualOne 軟件。VisualOne 軟件是國際領先的全方位智能工廠虛擬仿真系統，可對智能制造過程進行仿真、數據收集和分析，可用于智能制造生產線規劃和數字化車間布局設計，還可根據工業機器人的仿真軌跡生成離線程序，經過后置處理即可應用到實際的工業機器人中[2]，是一款容易掌握、易于實現智能工廠的軟件，可以運用其創建虛擬智能工廠，并進行流程的模擬仿真。場景搭建布局如圖6 所示。

圖6 場景搭建布局圖

5 智能工廠工作流程仿真模擬

場景搭建后，可以對進行實際工件出庫、裝夾、搬運、加工、打磨、檢測、裝配、焊接、入庫等流程進行模擬仿真，整個仿真運行工作流程如圖7 所示。仿真過程重點是對其編程、信號傳輸、接口連接等，生產流程達到最優化，提高生產效率。

圖7 柔性制造智能工廠的工作流程圖

兩臺堆垛機分別將托盤和毛坯件放到兩臺AGV 小車上，一臺AGV 小車將托盤運送到輸送帶上，由輸送帶將其運送到裝夾臺上，另一臺AGV 小車將毛坯件運送到工作臺上，由人搬運到自制托盤上進行定位裝夾。

由機器人將裝夾臺上的托盤連同工件一起搬運到相應工序加工的數控機床上，托盤在數控機床上實現自動定位、夾緊，數控機床開始加工工件，在這期間沒接到已加工完工件信號，搬運機器人繼續搬運其他已裝夾好的托盤到其他數控機床上。當接到已加工完信號機器人將托盤搬運到打磨臺上，由打磨機器人對已加工完工件進行打磨。接受到打磨完信號后，機器人再將托盤搬運到輸送帶上，將托盤運送到裝卸區的工作臺上，由另一人將打磨后的工件從托盤上卸下。AGV 小車將托盤運送到托盤庫。

每臺數控機床上配有刀具測頭系統，進行刀具斷刀檢測，將其存放到刀具壽命管理系統中。另外，數控機床上還配有刀具庫管理系統，用于建立刀具損耗情況、刀具庫存情況等信息。每臺數控機床上還配有攝像機視覺系統，將其現場加工情況反饋到看板上，可通過看板監視每一臺數控機床加工情況。

由人將打磨后工件搬運到三坐標測量機上進行尺寸精度檢測。若三坐標測量機正在檢測工件，則將工件搬運到待檢臺上。檢測完尺寸精度后，由人將工件搬運到和輸送帶相連接的裝配臺上，將已加工完的兩個工件進行裝配，裝配好后由輸送帶將其運送到焊接區。由另一臺機器人將其搬運到轉位機上，由弧焊機器人進行焊接，焊接后由機器人將其搬運到輸送帶上，AGV 小車將成品件運送到堆垛機上，將其放到成品庫中。變位機負責工件的定位、回轉及翻轉。

配備門機連鎖，當AGV 小車區、加工區有人員操作或誤開防護門時，AGV 小車、機器人停止工作，避免誤觸、誤操作及其他不當操作對作業人員造成傷害。

主控制臺負責4 臺機器人、變位機及數控機床聯機協同工作。它配備有軟件系統、獨立檢測系統及人機交互界面。該系統還具有功能完善的數據處理功能，可與上位機的接口組成自診斷系統，滿足客戶未來的個性化需求及自動生產線的升級需求。

6 結束語

智能工廠是自動化制造業的未來，是將智能制造技術的創新及應用貫穿制造業全過程。智能工廠所追求的是制造過程管控可視化[3]。本研究的柔性制造智能工廠是將現有設備利用起來所構成的智能工廠的雛形。柔性制造智能工廠虛擬仿真雖非真正的實體工廠，但通過虛擬仿真軟件的場景搭建、工作流程仿真，初步認識到“中國制造2025”所設計的中國制造業的升級轉型的模式。智能制造是“中國制造2025”戰略的主攻方向，而工業機器人作為智能制造的集大成者，是智能制造的核心，也是基礎工程。推動機器人的發展，是“中國制造”強國戰略的十大重點發展之一，也是促進中國向制造強國發展的標志性工程。