柔性生產線功能單元組成及機電控制設計

劉昌鵬

(惠州經濟職業技術學院，廣東 惠州 516000)

0 引言

近年來，我國的社會經濟實現了飛速發展，人們的生活水平顯著提高，社會對于生產生活用品的需求逐漸由過去的大批量生產向小批量訂單式生產和個性化定制方向轉變，這對制造業的生產能力提出了更高的要求，隨著《中國制造2025》規劃的逐步實施，我國的制造業也正快速進行技術升級與產業轉型。柔性生產線是制造業針對現代化生產研究和應用的新技術，其集成了自動化、通信、智能制造、生產線等眾多先進技術，通過自動控制系統將生產線上眾多機床、輸送設備、執行單元整合起來，形成一套技術復雜但適應性極強的現代化生產系統，十分適合制造業針對不同用戶需求和產品快速更新換代進行生產方案調整，并能實現同一生產線同時生產不同型號、不同規格的同類產品，實現生產設備的最大化利用。

1 柔性生產線的技術優勢

1.1 生產力穩定、應變能力強

柔性生產線的最大優勢就是具有很強的適應能力，針對現階段制造類產品生命周期縮短、更新換代頻繁的情況，柔性生產線能有效縮短制造類產品更新換代造成的生產力下降問題，通過多種設備的組合生產，智能系統能夠優先選擇適宜的加工方式，減少技術更新、產品換代過程生產流程調整與設備調試時間，且有利于提升產品的生產品質，確保新產品及時搶占市場，提高企業的市場競爭力。

1.2 控制管理方便、調試便捷

柔性生產線不僅通過現代化的控制系統實現對各個設備的控制，還能實現各個設備運行狀態數據的實時獲取，設備數據集中分析，自動化設備管理等功能。生產線的管理人員也能夠通過柔性生產線的控制系統對各個工位的運行狀態進行查看，通過調整控制方案實現生產方案的調整。通過信息互聯，針對柔性生產條件，使用者通過對某一設備調試后，可將調試方案應用于全部相同設備，有效縮短設備調試時間，且控制系統能夠監測各個設備的故障情況，能夠提醒工作人員及時處理故障或定期維護保養設備。

1.3 更新換代慢、使用經濟性好

柔性生產線建立后，各個系統形成良好的匹配關系，能夠更好適應特定產品的長時間產品更新對制造設備的需求，生產線整體呈現極強的應變能力，能夠適應大多數技術升級需求，不需在短時間內更換過多設備，有效減少生產制造企業的設備更新支出。同時，柔性生產線具有一條生產線生產多個系列產品的能力，能夠充分利用企業有限場地條件，避免了企業沒有條件建立多條生產線的場地問題。

2 柔性生產線功能單元組成

2.1 柔性生產線的功能單元分類

針對制造類企業的生產線特點，柔性生產線根據不同的產品種類和流程存在一定差異，但總體上看功能單元的種類大致相同。柔性生產線主要包括搬運單元、產品特征識別單元、加工制造單元、質量檢測單元、品質分揀單元、輸送單元、智能倉儲單元、集成控制系統幾大類(圖1)[1]。

圖1 柔性生產線的主要功能單元

集成控制系統主要用于控制和協調各個生產工序的關系，使生產有序開展。大體的工作流程是，將待加工產品的原材料搬運到待加工工位，產品特征識別單元的檢測裝置檢測和分析原材料種類特點后，進行加工工藝的自動選擇，并通過加工制造單元進行一次性或多次的原材料處理、加工制造環節。各個加工設備之間通過輸送單元的設備連接，實現加工零部件的轉移。各個工序加工完成后都有相應的檢測設備對加工質量進行檢測，對于不合格產品由質量分揀單元去除，加工完成的產品或零部件輸送到智能倉儲單元進行自動分類存儲并記錄存儲位置、數量等信息。

2.2 各功能單元的技術特征

柔性生產線功能單元的場地布置關系如圖2所示，通過集成控制系統進行關聯，使整體生產線成為協調統一的智能控制體[2]。

圖2 柔性生產線功能單元現場布置關系

2.2.1 集成控制系統

集成控制系統是柔性生產線的神經樞紐，負責生產過程的協調工作，集成控制系統直接關聯各個工作設備，能夠對設備反饋的信息進行分析處理，保證設備正常運轉的同時還具有良好的配合關系。集成控制系統的功能包括按照既定程序的自動控制，識別工作過程的特殊狀態，處理可能存在的故障問題，收集并記錄生產數據，人機交互功能支持人工控制、調試、查詢數據等。

2.2.2 產品特征識別單元

產品特征識別是柔性生產線功能實施的重要保障，產品的特征識別能夠保證同一生產線生產不同產品生產過程的有效分類，有利于控制系統根據不同產品體系特征選擇適當的生產制造程序。特征識別單元通過視覺技術、傳感器技術、條碼識別技術等實現對產品特征的有效識別。

2.2.3 搬運單元及輸送單元

搬運與輸送是原材料和加工產品轉移的兩種主要形式。搬運單元主要實現現有位置到目標位置的空間轉移，包括抓取、提升、轉移、下降、釋放等動作，柔性生產線的搬運工作主要通過機械手臂實現，能夠實現點對點的精準搬運，并實現物料的擺放、碼垛等功能需求；輸送單元主要是通過皮帶輸送機、輥子輸送機、鏈條輸送機等實現物料的水平或成角度轉移，輸送單元主要用于各個加工單元、檢測單元、分揀單元的連接，并配合完成部分生產加工工作。

2.2.4 加工、質檢及分揀單元

加工、質檢及分揀單元是配合工作的組合體。加工單元包括常規的機床設備、專用加工設備、清洗或表面處理等設備；質檢單元包括對機械加工單元的精度檢測、表面狀態檢測、重量檢測、金屬含量檢測等；分揀單元主要用于去除生產線上產生的不合格產品，常用設備包括機械推板、分流輸送機、揀選機械臂等。在生產過程中，加工、質檢及分揀單元的有機配合既保證了生產效率，又保證了生產質量，是柔性生產線的主要工作單元。

2.2.5 智能倉儲單元

智能倉儲單元是針對生產線制造完成的成品進行貯存的機械設備單元，通過現代化的智能倉儲技術，能夠實現產品的分類、分區存儲。具有標準化、智能化、集成化特點，能夠完成成品或外加工完成零件的精確倉儲，并能實現產品的倉庫自動調取、出庫等功能。

3 柔性生產線機電控制流程設計

3.1 軟件系統的總體流程設計

柔性生產線的生產模式多樣化，因此，軟件系統的運行流程應充分考慮模式切換、正常狀態控制、應急狀態處理、人機交互、遠程控制、單機獨立控制等眾多工作條件。

軟件控制程序的編寫主要采用模塊化編寫技術，能夠實現各個工序的正常開關機、工作邏輯控制，實現搬運、加工、檢測、分揀、輸送、智能倉儲等單元每個設備的獨立控制功能，并具備對故障設備的應急處理能力，具備良好的人機交互開放性和程序升級空間。

3.2 系統的初始化功能

在整條柔性化生產線開機后，搬運、加工、檢測、分揀、輸送、智能倉儲等單元的所有機械設備自動回到起始位置，如加工刀具歸位、伸縮氣缸或液壓缸歸位、機械手臂放松并歸位、輸送裝置停止、監測裝置通電并處于待工作狀態。同時，控制系統會采集各個設備的初始化狀態，確定各個設備是否歸位，如有異常則發出警示，如正常則程序處于待命狀態[3]。

3.3 各個工作單元的控制功能

針對各個單元的控制采用統一協調和分別獨立控制的結合方式。首先，系統明確各個設備的位置，為設備賦予編號，將單獨設備的控制子程序連接到系統控制總程序中，由系統集中控制管理，匹配各設備的工作效率與輸送裝置的輸送效率；其次，對于各個設備的工作性能，首次使用前由工作人員進行單獨調試，并將調試好的設備程序參數保存上傳至總程序。

3.4 系統應急控制程序

盡管柔性化生產線的設備與傳統生產線相比更為先進、可靠，但由于應用的設備更多，配合關系要求更高，因此，為保證生產順利進行，必須要充分考慮突發狀況或設備故障的應急處理方案。常見的生產線突發狀況包括機械設備損壞、零件在輸送過程卡滯、設備異常高溫或振動等。當發生突發狀況時，系統首先發出警示信號，相關設備停機，系統分析輸送加工設備現狀，提供加工線路變換，繞開故障位置，或由人工進行處理，處理完成后生產線程序控制在斷點位置繼續加工。

4 柔性生產線機電控制硬件選型

4.1 PLC的合理選型

現階段，應用于工業控制的PLC種類較多，為滿足柔性生產線的復雜控制和運算速度要求，應重點選擇適配性好、功能強大、指令兼容性好的一線品牌，針對于生產線設計和工作流程的復雜程度考慮，主流PLC以三菱、西門子的一線產品更為適宜，優先選擇性價比更高的三菱公司Q系列、西門子S系列的PLC，對于控制要求不高的生產線也可考慮國產匯川H系列PLC[4]。

4.2 工業機器人選型

工業機器人在柔性生產線中應用十分廣泛，也是生產效率的基礎保障，工業機器人應具有效率高、功能可靠、程序兼容性好、精確度高等特點。選型時要充分考慮機械結構、驅動性能、感知技術、人機交互便捷性等因素。現階段，生產線應用的工業機器人以4軸、5軸機械臂居多，部分現代化柔性生產線也應用了更為先進的6軸機器人。現階段性能和口碑較好的工業機器人廠家包括德國KUKA、日本ABB、國產新松等。

4.3 通訊網絡選型

通訊網絡的建立是柔性生產線機電控制功能實現的重要環節，柔性化生產線的通訊需求是信息傳遞速度快、通信穩定性好、數據容量大、兼容性好，推薦選擇基于RS485總線標準的CC-Link通信模式，通過CC-Link通信技術對各個單元的設備進行編號和傳輸參數設定，并利用FX2N-32CCL進行組網。為保證傳輸的實時性，線路傳輸速度應設置在150 kb·s-1，確保各個功能單元實現網絡聯動控制和數據傳輸[5]。

5 結語

在智能化和網絡化時代，制造業的生產模式已經由傳統的盲目批量生產向定制化、精細化生產轉變，柔性生產線技術的應用對于提高制造生產的合理性，提高設備、資源、環境利用率具有積極作用，使企業生產的產品既符合用戶實際需求，又能減少企業庫存，做到最大化銷售。柔性生產線技術的應用顯著改善了過去生產中產品更新換代慢、成本高等問題，顯著提高了生產線的適應能力。從現階段我國的制造業生產模式來看，柔性生產線的技術普及程度還有待提升，其技術優勢正逐漸顯現，將成為未來自動化生產線技術發展的主流方向，為制造業的轉型升級提供強大助力。