面向發動機部件定制加工的矩陣式智能產線設計

趙國強，黃永華，韓其飛，武迎迎，張藝馨，張建

(1.山東科技職業學院機械工程系，山東濰坊 261053；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061；3.北京華航唯實機器人科技股份有限公司，北京 100089)

0 前言

伴隨激烈的市場競爭，制造企業需要快速制造個性化產品以滿足客戶要求，同時不斷發展的個性化定制需求也在改變傳統的制造業生產模式。在此背景下，國家提出并大力推動“中國制造2025”戰略落地，智能制造在各行業領域得到蓬勃發展[1]。對于國內大量的機械制造企業，在現有生產基礎上新增智能制造生產線，替代單一設備為主的離散式生產模式，已成為制造企業數字化轉型升級的必然選擇[2-3]。

發動機廣泛應用在汽車、農業機械、工程機械等領域，面對復雜多變的服役工況和日益增加的個性化定制需求，制造企業亟需進行智能化升級改造以提升其運營質量和效益。在此過程中，“智能改造難、升級效果差”、“自動化孤島、信息孤島”、“環境復雜、管理難度大”等成為發動機行業轉型升級的痛點、難點[4-5]。

智能產線在國外工業發達國家已被大量應用，SHAHBAZI、BYUN[6]將工業機器人與物聯網結合實現制造過程的多級質量控制，但存在理論模型和實際加工誤差較大等問題。與德國等工業先進國家相比，國內智能產線在智能裝備、控制軟件等方面存在較大差距。近年來，國內學者和制造企業對智能產線進行大量研究與應用：如許怡赦、朱永波[7]研究平面金屬薄板飾件精加工智能產線，僅獲得產品樣件，未見實際生產測試。張鑫等人[8]研究伺服電機部件加工智能產線，該產線不具備通用性，無法滿足產品個性化快速定制需求。

本文作者以發動機核心部件活塞連桿的智能產線設計為基礎，采用創新性的矩陣式布局，從產線的功能分析、方案設計、仿真與調試驗證等多維度完成產線設計與實施，融入物聯網、智能控制和工業機器人等先進技術，為企業提供降本、增效、安全、可靠的最優解決方案。

1 智能產線功能分析

智能產線以制造執行MES系統為核心，融合智能倉儲、物聯網、工業機器人、虛擬仿真等先進技術，實現活塞連桿的智能排產、定制化加工。其中，圖1為活塞連桿的總裝圖。為實現活塞連桿的智能化生產，產線需具備以下功能：

(1)總體功能。圍繞活塞連桿的生產流程，借助工業機器人等智能裝備替代人工實施自動上下料作業，通過信息化手段實現智能排產、加工、檢測、裝配和倉儲等過程，實現制造全流程的自動化和智能化[9]，滿足企業降本、增效、安全、可靠的要求。其中，重點涵蓋六軸工業機器人的程序編制、PLC控制檢測建立及調試、RFID電子標簽信息銜接、數控系統大數據采集及處理、工件在線檢測系統銜接和產線整體聯網組線等。

(2)產線效率。約240 s加工一個零件、裝配效率為15件/h。

(3)裝備組成。以活塞連桿加工過程為核心，包括數控加工、檢測、裝配和倉儲物流等模塊單元。

圖1 活塞連桿總裝圖

2 智能產線方案設計

此產線以某發動機企業活塞連桿的智能加工、檢測、裝配和倉儲為技術路線，基于工件物流需求設計工作流程，實現多品種小批量產品的混流加工、自動檢測和裝配，并通過AGV送至倉庫。產線采用矩陣式布局，各模塊單元既能獨立運行，也可根據生產任務要求將多個單元自由組合進行串聯式定制化生產，具有較高的生產柔性。其工作流程如圖2所示。

圖2 智能產線工作流程

2.1 模塊單元設計

(1)智能倉儲物流單元

倉儲物流單元配置以工件加工流程和產線整體需求為設計基礎，包括1個智能立體原料庫、1個智能立體成品庫、AGV小車(含調度系統)和RFID等部件，實現活塞連桿的毛坯出庫和成品入庫、物流運輸及信息跟蹤。其中，智能立體原料庫設計如圖3所示，智能立體成品庫設計如圖4所示。

圖3 智能立體原料庫

圖4 智能立體成品庫

智能立體原料庫用于存儲發動機部件毛坯，由巷道倉儲架、巷道堆垛機、AGV對接機構、倉儲管理平臺、PLC控制單元、HMI單元、監控系統、臺架及其他配件等組成。毛坯出庫流程為：MES系統發出取料指令→堆垛機對相應料盤準確定位并取出、放至AGV對接機構→讀取RFID電子標簽信息→AGV小車運走毛坯料盤。

智能立體成品庫用于存放發動機部件成品，由環形倉貨架、工業機器人、AGV對接機構、倉儲管理平臺、PLC控制單元、HMI單元、監控系統、臺架及其他配件等組成。成品入庫流程為：MES系統發出入庫指令→AGV小車運送成品料盤至接駁輸送機→RFID讀寫器讀取料盤RFID標簽信息，獲取產品信息(包括產品型號、批次、數量、生產日期等)→機器人將料盤放置對應貨架、寫入相應信息→AGV小車離開。

(2)智能加工單元

智能加工單元基于活塞連桿的加工工藝過程和產線整體需求配置，分為3個加工子單元：單元1和2采用數控車+數控銑組合方式完成活塞加工(圖5、圖6)，單元3采用數控銑削方式完成連桿加工(圖7)，實現AGV小車物料托盤自動接駁、機器人自動上下料、數控機床加工、超聲波清洗、RFID等功能。

圖5 數車加工單元 圖6 四軸加工中心單元 圖7 加工中心單元

活塞加工流程：MES系統發出加工指令→AGV小車將活塞毛坯料盤送至加工單元1(AGV對接機構將料盤運至輸送機、輸送機上RFID讀寫器讀取料盤信息)→機器人上料至數控車床粗加工活塞→機器人下料至超聲波清洗機進行清洗烘干→機器人取烘干后零件放入料盤、AGV對接機構將托盤送至AGV小車→AGV運送托盤至加工單元2(AGV對接機構將料盤運至輸送機、輸送機上RFID讀寫器讀取料盤信息)→機器人上料至四軸加工中心精加工活塞→機器人下料至超聲波清洗機進行清洗烘干→機器人取烘干后零件放入料盤、AGV對接機構將托盤送至AGV小車→AGV運送料盤至檢測工位。

連桿加工流程：MES系統發出加工指令→AGV小車將連桿毛坯料盤送至加工單元3(AGV對接機構將料盤運至輸送機、輸送機上RFID讀寫器讀取料盤信息)→機器人上料至三軸加工中心加工連桿→機器人下料至超聲波清洗機進行清洗烘干→機器人取烘干后零件放入料盤、AGV對接機構將托盤送至AGV小車→AGV運送料盤至檢測工位。

(3)后部生產單元

以成品存儲量作為設計基礎，包括立體庫、六軸機器人、三坐標測量機、AGV小車、裝配機、打標機、RFID等部件，實現對活塞連桿的自動檢測、裝配、打標、物流和信息追溯等功能。

2.2 控制系統設計

(1)MES系統

制造執行MES系統面向制造企業的生產監控與管理，對上能與ERP等計劃管理系統連接，對下可與生產、倉庫、搬運等設備聯機[10-11]。因此，MES作為產線控制系統的核心，涵蓋在制品、物料、質量、設備、工具、對外整合界面等各層面，通過RFID、PLC、CNC等貫通產線的各生產環節，具備強大的數據實時采集功能[12]。此產線的MES系統架構如圖8所示。

圖8 MES系統架構

(2)控制系統

智能產線配置總控單元，每個模塊單元均配備獨立的控制系統，可實現多品種產品的智能排產、數據采集、可視化等功能[8，13-14]。其中，電氣控制系統由一個總控系統和各模塊單元的單控系統構成。產線工作時，由總控系統控制各單元的單控系統協同運行。在單元工作時，由其單控系統控制所屬設備運轉?？偪叵到y采用全分步式架構以實現整條產線的自動化控制，實現功能如下：①網絡通信。支持Modbus TCP通信協議，提供Profinet協議擴展遠程IO、控制伺服驅動器，基于S7協議實現與數控機床、三坐標等設備通信。②設備互聯。主要由設備、IO連接、網絡連接、總線連接等組成，產線的網絡拓撲結構如圖9所示。③邏輯控制。控制整條產線內執行機構與設備間的動作、信號交互[8]，實現流程控制的自動化。 ④安全防護。利用安全門鎖、安全光幕、聯鎖信號等安全控制部件，建立完備的安全防錯系統，避免安全事故的發生。 ⑤人機交互。通過HMI界面查看產線的生產數據、設備狀態、報警信息等，同時為故障處理提供信息支持。⑥數據采集。借助數控機床、三坐標設備、激光打標設備、傳感器、RFID等實時采集所需數據，既能用于邏輯控制，又可作為MES、仿真等軟件的輸入。⑦故障診斷。通過自檢功能檢測執行機構、現場傳感器、生產設備、總線網絡等故障，上傳故障信息，發出聲光報警，提示人工進行故障處理。

2.3 整體設計

此產線采用矩陣式生產布局，包括總控、智能倉儲、智能加工、智能檢測、智能裝配、質檢打標、智能物流等單元，各加工單元既能獨立運行，又可根據生產任務要求將多個單元自由組合進行串聯定制化生產。產線融合工業機器人、AGV物流、三坐標測量、智能倉儲、電子看板、PLC、HMI、RFID、工業物聯網、IoT、MES等先進技術，并預留軟硬件拓展接口，實現活塞連桿多品種小批量的智能化生產。其中，產線布局如圖10所示。

產線配備的MES系統以工業互聯為基礎，整合生產現場制造資源，實現大數據采集與分析處理等功能，可實時監控生產過程、報警設備故障、分析量化質量指標。通過IoT技術，全方位鏈接產線自身及外部的各種智能裝備，打破信息孤島，實現互聯互通，是整條產線的整合樞紐。

智能加工單元以活塞連桿的加工工藝過程為設計基礎，由3個子單元組成，每個加工單元均配備工業機器人自動上下料。倉儲物流單元由智能立體庫和AGV小車(含調度系統)組成，高效完成倉庫和生產單元間的物流活動，保證整條產線物流管控的數字化、智能化。總控單元配置AGV調度、WMS等控制軟件，實現整條產線的遠程控制。

此智能產線僅需配備1名作業人員，相較原有生產需配備8名作業人員(3臺數控機床配備3人、物料搬運工1人、檢驗員1人、裝配2人、打標1人)，不僅節約7/8作業人員，上下料、物料搬運等自動化作業也保證加工效率提高1倍以上。同時，整個產線高度智能化作業，保證加工合格率達到99.9%以上。

圖9 智能產線網絡拓撲

圖10 智能產線布局

3 智能產線工藝仿真與調試驗證

3.1 工藝仿真

首先，基于智能產線的設計方案，利用NX三維軟件建立優化后的場地布局模型；其次，利用西門子Process Simulate仿真軟件對產線各模塊單元作業進行虛擬仿真；最后，在Process Simulate仿真平臺上加載工件、夾具、VGA接口等資源，按照預設參數進行產線調試，通過仿真手段驗證產線設計合理性和運行穩定性。活塞數控車削虛擬仿真調試如圖11所示。

圖11 活塞數控加工虛擬仿真調試

3.2 調試驗證

通過工藝仿真手段對產線虛擬調試完成后，按照調試結果搭建并測試真實生產線，新建的智能產線生產現場如圖12所示?，F場實踐表明：產線設計合理，能較好實現活塞連桿的智能化加工，加工效率較原有產線提高1倍以上，滿足制造企業多品種小批量產品定制化生產需求。

圖12 智能產線生產現場布局

4 結語

為實現發動機部件活塞連桿的多品種小批量定制化生產，開發一種矩陣式智能產線，涵蓋總控、智能倉儲、智能加工、智能檢測、智能裝配、質檢打標、智能物流等過程，融合工業機器人、數控機床、AGV、三坐標測量、智能倉儲、電子看板、PLC、HMI、RFID、工業物聯網、IoT、MES等先進技術以實現生產全過程的智能化。目前產線已投入使用，實踐結果表明產線設計合理、運行穩定，達到預期的設計目標。

此產線采用創新性的矩陣式布局，各模塊單元既可獨立運行，又可根據生產任務要求自由組合智能單元進行定制生產，有效提升生產的柔性化、智能化，滿足多品種小批量產品的定制化加工需求。因此，智能產線的研發為有效解決制造企業數字化轉型升級中的痛點、難點提供有效的解決方案，具有較高的推廣應用價值。