離散工業智能機加車間多系統集成應用研究＊

陳偉興，卜向紅，張峰生

（杭州優海信息系統有限公司，浙江 杭州 310000）

傳統信息技術、自動化技術與現代管理、物聯網、大數據技術的創新融合應用，實現多系統集成應用和基于工業互聯網平臺的智能制造新模式，對促進制造企業高質量發展意義重大[1-2]。

針對以汽車零部件制造為代表的離散工業中存在的問題：①自動化批量生產能力強，但柔性制造能力不足；②檢測和物流沒有實現自動化，人機效率受到制約；③各自動化單元之間存在信息孤島，沒有集成應用等問題。進行智能機加工車間的改造成為當前“企業數字化制造，行業平臺化服務”推進的基礎工作之一。通過機加工、物流配送、在線檢測等自動化系統建設，數控系統與APS/MES/WMS系統的深度集成應用，有利于推進汽車零部件智造車間的實現。

1 智能制造車間整體規劃

根據生產現狀問題以及工藝、裝備要求，以生產過程“自動化、信息化、柔性化、集成化、數字化、平臺化”為目標，設計了如圖1所示的基于“桁架機器人+智能物流系統+柔性自動檢測站”的汽車制動器卡鉗智能機加車間整體布局，以實現自動化上下料、到位自動檢測等。其中，柔性自動加工線由MES/PLC等軟件控制系統和碼垛機、桁架機械手、加工裝備組成，實現系統集成應用和多品種、小批量生產的柔性化。

圖1 車間整體布局設計

在系統業務架構上，如圖2所示，設計了包含控制層、協議層、數據管理層、執行層和計劃層在內的5層業務應用模式，通過生產現場設備狀態信息的采集、識別及傳輸處理，實現了ERP/APS/MES/WMS系統的集成應用。

圖2 系統業務架構

2 柔性制造系統設計

2.1 自動加工線設計

柔性自動加工線設計如圖3所示，其中，生產單元主要由桁架、機械手、碼垛機、加工中心、集中排屑機、鉗體托盤、工裝托盤、控制系統等組成。

圖3 柔性產線布局

生產線功能包括：①鉗體自動化生產、機加工工裝自動化；②自動切換機械手爪，實現換型時夾具防錯；③自動檢測零件是否裝夾到位；④集中處理廢屑。

2.2 自動檢測站設計

柔性自動檢測站如圖4所示，由MES/WMS/RCS/PLC等軟件控制系統和三坐標測量儀、機器人、機器視覺、輸送鏈、吹掃機、AGV小車等裝備組成，實現工件在線檢測全流程無人化、柔性化。

圖4 自動檢測站設計

2.3 系統特點

系統特點為流程全自動、系統柔性化，具體情況如下。

流程全自動：AGV送檢產品，系統自動識別產品類別，機器人更換相應手爪和三坐標儀工裝，通過機器人串聯完成。

系統柔性化：機器人手爪柔性化，實現產品手爪互換；定位、吹掃機構柔性化；三坐標工裝柔性化，配備三坐標檢測工裝庫，實現同一套手爪抓取產品及對應檢測工裝。

3 數字化管理平臺設計

3.1 總體設計

數字化管理平臺總體設計與軟件組成情況如下。

設計原則：車間數字化管理平臺采用面向服務架構模型設計[3-4]，滿足高內聚、弱耦合的總設計原則；業務架構采用業務層和技術層分離實現，面向服務接口完成以制造車間為單位的全息生產監控系統。

軟件組成：車間應用與控制集成系統由ERP/APS/MES/WMS等應用系統和RCS/PLC等控制系統組成[5-6]；MES實現IOT、MDC功能，并且集成了WMS、ERP、PLM、APS、QMS系統數據，對車間內所有軟硬件資源進行統一調度，實現了接單、排產、產前檢查、準時化送料、在線檢測等應用。多系統集成應用管理如圖5所示。車間數字化管理平臺網絡架構如圖6所示。

圖5 多系統集成應用管理

圖6 網絡架構設計

3.2 業務設計

平臺整體業務架構設計實現了MES/ERP/WMS/APS等系統的集成應用，并通過RCS/PLC等控制系統實現平臺功能模塊之間的交互和數據共享。總體上，基于車間生產業務需求和PLC、CNC、傳感器等采集的數據基礎，完成生產準備、設備管理、庫存管理等功能模塊開發，并實現與APS、WMS、AGV的集成。平臺業務架構設計如圖7所示。

圖7 平臺業務架構設計

平臺基于設備層的數字化改造，通過生產數據的采集、傳輸并進行存儲，借助MES與WMS的交互集成，完成程序、看板、品質和刀具管理等業務功能，并實現工業數據應用的可視化；根據車間業務流對接企業ERP、APS，實現采購管理、銷售管理、庫存管理、計劃管理等。整體業務流設計如圖8所示。

圖8 平臺整體業務流

3.3 功能設計

平臺整合應用系統數據、設備采集數據、產線物流數據，并將物流調度信息、車間生產狀態、人員班次、工裝刀具、工藝質量等信息可視化展現。

設備狀態監控：設計車間全局監控系統，將整個車間生產狀態實時映射，直觀展示車間生產狀態。設備故障時，支持遠程查看CNC屏幕顯示并操作CNC。機臺總覽如圖9所示。

圖9 機臺總覽

數據報表：報表系統將收集的數據進行分析統計，供管理人員進行數據的查詢、篩選、搜索、導出。計劃管理如圖10所示。

圖10 計劃管理

4 結束語

本文設計的智造車間，實現從“生產計劃下達—坯件自動出庫—坯件精準配送—自動加工反饋—下機件自動送檢—合格件自動入庫”的全自動閉環生產過程。同時，建立的基于多系統集成應用的智能工廠管理平臺，推動了車間生產管理的數字化、平臺化。成果應用促進了精準生產、降低在制品庫存、縮短生產周期、提高設備利用率，具有廣闊的市場前景。