機械加工智能制造生產線控制系統的設計與實現

楊 晨

（宣城職業技術學院，宣城 242000）

近年來，由于工業技術的進步，工業生產的智能化程度和生產效率得到明顯提高[1]。但是，大部分流水線都存在設備相互獨立、信息共享不完全、信息與數據解析能力差、人機界面不夠友好等問題。因此，需要重新設計當前機械加工過程中的智能制造生產線，以改進傳統生產線中存在的不足之處，為企業帶來更高的經濟效益。為更好地解決我國中小型企業在數控機床應用中存在的智能化水平不高、通用性不強、信息集成不完善等問題，本研究將在傳統數控機床、數控加工的基礎上進行改進，應用智能機器人中的智能化、自動化和信息化控制等技術，并構建以太網工業協議（Ethernet Industrial Protocol，Ethernet/IP）的智能制造示范生產線。該生產線在實際應用的過程中，能夠直接使用手機App、計算機終端等進行控制，保證物品能夠第一時間到達倉庫，同時能實現遠程監控功能，有助于后續維護、管理工作的開展。

1 智能制造工藝需求

數控車床和加工中心是當前很多企業生產線中不可缺少的設備，這些設備在實際運行過程中主要由專門的員工來操控，使用軸類零件進行加工。將2 種不同的機床組合后，能夠加工出不同尺寸的產品。生產線的設計工藝主要是借助計算機終端整合3 種不同規格的產品數據。由于每種零件的型號存在一定的差別，智能機器人需要綜合訂單詳情進行核算，并抓取對應的零部件進行下料[2]。加工完成后，先通過智能攝像機來檢測工件的種類及質量，再由并聯機器人進行分類，送入下一個裝配輸送機。在裝配工位上，由2 個機器人協作完成總成的組裝，組裝完成后將總成運送至最終的傳送帶上，通過堆紙器將貨物送至立體倉庫。在中控平臺上，加工程序可以被自動或手動傳送，通過云端平臺來監測生產線上設備的運行情況，在現場實時顯示訂單、零件加工、設備運行等信息。

2 智能制造生產線控制系統設計

綜合機械加工智能制造生產線的工藝需求，建立一條以Ethernet/IP 為基礎的智能制造示范生產線，如圖1 所示。

圖1 智能制造示范生產線

2.1 加工區域

加工區域的控制系統包括1 套FANUC 系統、1 臺FANUC 系列機床、1 臺行走式FANUC 系列機床、1 臺PF525 變頻器、1 個射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）讀寫器以及1 個羅克韋爾1769-L24 可編程自動化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）。加工區內的FANUC計算機數字控制機床（Computer Numerical Control，CNC）配置有1 個以太網接口，為確保程序的傳輸以及與PAC 的聯網互不干擾，還設置了1 個Ethernet/IP 協議接口。該輸送機主要用于輸送原料及半成品，加工區域內的RFID 讀寫器主要用于讀取和寫入毛坯及機床加工信息[3]。

2.2 分揀搬運區

分揀搬運區的控制系統包括1 臺Delta 并聯機器人、1 臺康耐視智能攝像機和1 臺RFID 讀寫器。Delta 并聯機器人由1 臺1769-L36 PAC、1 塊觸摸屏、3 個伺服驅動器以及1 個馬達組成。其中，智能攝像機主要用于判定工件種類、產品質量，RFID 讀寫器主要用于讀取與寫入工件的裝卸時間、規范等信息，屏幕主要用于控制系統運行過程中的參數、畫面、教學、輸入、輸出等。

2.3 組件裝配區

該部件組裝區域的控制系統包括2 臺六軸聯動FANUC 機器人、1 個觸摸屏、1 個RFID 讀寫器和1 臺PF525 變頻器。該系統可實現對已分類和運輸的組裝件進行協作組裝。元件組裝區域的RFID 讀取頭能夠讀取元件的規格種類及組裝狀況。在實際運行過程中，組裝區能夠綜合控制裝配站A 和裝配站B 的機器人的移動位置和狀態。該系統運行時能夠在主屏上設置零件裝配狀態，也可單獨工作，因此更符合中小型企業的生產實際需要。例如，在非裝配零件的情況下，既可以不使用裝配區域內的設備，也可以使用裝配區域內的設備進行裝配，具有更強的靈活性。

2.4 成品搬運區

成品搬運區的控制系統包括1 臺3D 直角機械手、1 臺RFID 讀取頭、1 臺PF525 變頻器等。其中，3D 直角機械手的電控部件與并聯機械手一致。產品處理區域的RFID 讀取頭可讀取和寫入產品的裝卸時間及存放地點。在成品搬運區域也配備有觸摸屏，包括主屏幕、示教屏幕、伺服調試屏幕、變頻器監控屏幕、人工屏幕、自動屏幕、運輸路線規劃屏幕等。主屏幕在實際運行過程中能夠實時顯示成品運輸的實際速度、在線與離線起停、調試屏幕、工件計件情況等，有助于管理人員管理系統[4]。

2.5 中控區

中控區的控制系統主要由1756L65 型PAC 控制器、生產執行系統（Manufacturing Execution System，MES）計算機終端、工程師總控終端、本地區服務器、遠程服務器以及顯示屏等多個部分組成。MES 計算機主要用于管理系統運行過程中的信息，讓使用者在操控過程中能夠控制訂單下單、排版、操控等。監控終端主要借助遠程服務器的優勢監控生產過程，使管理者在運行和管理過程中能直接利用手機App 進行控制。但是，為保證運行的穩定性和安全性能夠達到標準，在設計時要以無線局域網運行的方式進行設計[5]。

與以前的智能制造不同，該設備專注于雇傭成本高的產業，具有生產質量高、準入門檻低等優勢，在中小型生產企業中有著良好的應用效果。借助遠程服務器進行管理的優勢在于能夠實時監控遠程監控生產平臺，使用者只需掃描對應的二維碼即可進行監控，適用于智能化生產維修和管理者。

3 關鍵技術分析

3.1 工業互聯網技術

在互聯網平臺上借助工業互聯的Ethernet/IP 通信協議技術，實現數控機床、機器人、智能相機、RFID讀寫器以及PAC 等設備的工業互聯，將傳統的工業設備數據信息化。工業互聯網技術轉變了設備的使用方式，解決了傳統技術的信息孤島等問題[6]，對于提升智能制造生產加工的質量具有重要意義。

3.2 智能傳感技術

3.2.1 智能工業相機技術

本系統設計過程中將康耐視等多個品牌的智能工業攝像機的視覺識別技術應用于工件種類與品質的辨識中，不僅能夠減輕手工辨識的勞動強度，提高產品辨識的效率，還能推動智能化制造的信息化發展。

3.2.2 RFID 技術

RFID 技術可以直接通過射頻特征對目標物進行漸進性識別，具有較高的適應性[7]。該技術通過訪問各控制節點向上位機傳送信息，將傳感器與網絡和指揮平臺相連，實時監控制造生產狀況，高效采集信息，為智能制造生產線的控制提供溯源。

3.2.3 工業機器人

工業機器人在生產過程中能夠進行工件上下料、分類搬運和協調運作等操作，運行可靠性較高。目前，我國的人力資源優勢逐漸消失，很多企業都在實施“機器換人”計劃。因此，在傳統機械加工領域引進工業機器人是順應時代發展趨勢的舉措，是實現智能化生產制造的關鍵。

3.2.4 工業大數據

目前，越來越多企業借助不同的數字技術對生產信息進行優化。文章使用的智能制造生產線在實際運行過程中的數據，雖然無法達到PB 量級或EB 量級，但已具備了工業大數據的4V 特性，即海量、多樣化、價值、時效性。

3.2.5 云平臺

為確保系統與云平臺數據傳輸的穩定性，在中央控制室設有1 臺獨立的服務器，用于與云端平臺進行遠程通信。在實際運行過程中，該系統使得管理者能夠通過掃描指定二維碼監測生產過程。

3.2.6 移動互聯網技術

移動互聯網技術已經成為當前我國機械加工生產企業重點應用的一項技術。該技術的應用主要是借助移動通信以及互聯網的高度融合，開發對應的App。管理者可以直接在App 中進行下單，不僅提高了機械加工企業智能制造的效率，還提高了企業管理的便捷性。

3.2.7 快換夾具技術

為適應不同類型工件的抓持，設計了3 種不同尺寸的夾具，直徑分別為40 mm、50 mm、60 mm。此設計的目的是迎合訂單區域的加工、裝配的轉變，滿足生產線生產的實際需求。快換夾具技術使生產線能夠根據生產線控制面單綜合下單的需求以及裝配要求更換不同的夾具，確保加工作業的正常進行。

4 結語

設計的機械加工智能制造生產線控制系統，在實際運行過程中能夠滿足對不同區域的智能化控制，使管理人員能夠通過手機App 或計算機終端，掌握機械加工生產各個環節的工作狀態，更改相應的參數。該控制系統可以在優化傳統生產流程的基礎上，緩解傳統加工企業面臨的人力成本增加的問題，對提升生產效率和質量具有重要意義，可為機械加工生產企業的智能化生產工作的開展提供參考。