□ 陆晨芳1 □ 陆 江 □ 龙忠海 □ 丁中华

1. 南京机电职业技术学院 南京 211135 2. 南京翼马数控机床有限公司 南京 211103

1 研究背景

随着制造业的飞速发展及经济全球化,市场竞争不断加大,制造业的产出正从单一产品转变为包含产品在内的增值服务和方案解决。制造业已经成为同时对物质、信息和知识进行处理的新产业[1]。在此背景下,我国提出制造强国战略“中国制造2025”,并发布《智能制造发展规划(2016—2020年)》,智能制造在各个生产领域得到了充分重视和蓬勃发展[2-10]。

为适应这一发展趋势,翼马公司设计并研发了一款汇集了“中国制造2025”主要技术元素的四齿魔方智能制造生产线,并与南京某学院进行了合作开发。这一生产线既可应用于高校教研,又可服务于企业生产,具有良好的适应性,应用价值高。

2 智能制造生产线简介

四齿魔方智能制造生产线以个性化定制的四齿魔方为研究对象,利用智能制造方法实现生产过程,是一款集功能性、教学性、娱乐性和观赏性于一体的教学型智能制造生产线。四齿魔方由20个零件组成,包括十个加工零件(四个齿轮、一个连接轴、一个主体、四个盖帽)和十个标准件(六个轴承、四个垫片),其总装图和分解图如图1所示。整条生产线由企业资源计划(ERP)系统及管理软件、制造执行系统(MES)、智能装备组成。智能装备包括立体仓储、工业机器人、数控加工设备、激光打标设备、视觉检测设备、自动装配设备、物料传输设备等。

3 智能制造生产线结构

四齿魔方智能制造生产线的整体布局如图2所示,主要包含ERP系统、MES(含手机APP个性化定制下单)、立体仓储、工业机器人、数控加工设备、激光打标设备、视觉检测设备、自动装配设备、物料传输设备等主体单元,还可根据客户需求加装自动导引车(AGV)。

▲图2 四齿魔方智能制造生产线整体布局

3.1 ERP系统

ERP系统是指在信息技术的基础上,以系统化的管理思想,为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。翼马公司采用某航天公司的Aisino ERP.A6企业管理软件,将财务、税务、供应链、生产制造、办公协同、商业智能等集成于一体。ERP系统在四齿魔方智能制造生产线中主要用于向MES下达生产指令,并接收MES的生产反馈信息。

3.2 MES

MES是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心(设备)管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块,为企业打造一个全面、可行的制造协同管理平台。四齿魔方智能制造生产线的MES总体框架如图3所示。

▲图3 四齿魔方智能制造生产线MES总体框架

3.3 立体仓储

立体仓储包括一个原料库(四列五层20个仓位)、一个成品库(四列五层20个仓位)和一个堆垛机。为实现毛坯出库和成品入库的功能,堆垛机需完成左右X轴、前后Y轴、上下Z轴三轴运动。其中X轴和Z轴需要精确定位,由伺服驱动器和伺服电机实现直线运动，Y轴由调速器和变频电机实现直线运动。

3.4 工业机器人

自动上下料是机器人技术应用的一个重要方面。四齿魔方智能制造生产线采用广州数控和日本FANUC生产的工业机器人实现搬运功能。这两款机器人均在原机基础上,增加了机械元件和电气元件,可通过指令编程实现相应的动作。其中,广州数控生产的机器人主要负责数控车床、数控铣床和激光打标设备的上下料工作,日本FANUC生产的机器人主要负责视觉检测设备、数控滚齿机和自动装配设备的自动上下料工作。

3.5 数控加工设备

为完成四齿魔方中各类零件的加工,采用了翼马公司自主设计研发的数控车床、数控铣床和数控滚齿机这三种加工设备。数控车床用于加工轴套类零件，数控铣床用于加工盘盖类零件，数控滚齿机用于加工齿轮,其先进的总线式结构以及强大的网络功能可方便地与MES进行数据对接。

3.6 激光打标设备

激光打标设备主要用于在四齿魔方主体零件上完成激光雕刻。采用欧姆龙专业偏振镜激光头,结合EzCad软件,可在40 mm×40 mm的零件表面打印出客户要求的定制LOGO。

3.7 视觉检测设备

视觉检测设备主要用于检测零件是否合格。采用欧姆龙视觉检测设备,在具有高灵敏度、高分辨率图像拍摄功能的相机上,安装了高速视觉控制器,无需高级编程或设备组合,即可实现高速、高精度的检查测量。

3.8 自动装配设备

自动装配设备采用双工作台形式,通过直线运动和旋转运动的相互配合,将十个加工零件和十个标准件按照准确放置、按压安装、螺纹安装等步骤,最终组装成四齿魔方。

3.9 物料传输设备

整条生产线采用皮带传输的方式,由调速器和变频电机实现传输运动,可根据客户需求,决定是否增加AGV。

四齿魔方智能制造生产线的主控制器采用西门子SIMATIC S7-1500可编程序控制器(PLC),同时配置McgsTpc触摸屏作为生产现场的人机操作界面。智能制造生产线在运行时,既可以由MES发出控制指令，又可以由操作面板按钮发出控制指令,还可以通过触摸屏控制和显示系统运行状态。

这一生产线具有良好的柔性,通过更改数控加工程序、工业机器人运动程序、PLC控制程序等,可实现其它产品的下单、加工、检测、装配等。

4 智能制造生产线工作流程

四齿魔方智能制造生产线定制工作流程如下。

(1) 手机下单。

客户通过手机APP下单。下单时,输入定制的LOGO,提交完成后,可在手机上跟踪生产进度。

(2) 毛坯出库。

MES接收到客户的订单信息后,启动智能制造生产线,同时将LOGO信息发送至激光打标设备。生产线启动后,堆垛机将所需毛坯从原料库中取出,送至物料传输设备。

(3) 零件加工。

首先，利用工业机器人的自动上下料功能,并通过物料传输设备的环形流水线将物料传送到数控车床工作台位置,完成四齿魔方中轴套类零件的加工。然后,将物料传送到数控铣床工作台，完成盘盖类零件的加工。最后，物料被传送到数控滚齿机工作台，完成齿轮的加工。

(4) 激光打标。

当工业机器人将零件搬运至打码工位时,启动激光打标设备。根据客户下单时输入的定制信息,在四齿魔方的主体上打印出定制LOGO。

(5) 视觉检测。

当工业机器人将零件搬运至检测工位时,启动视觉检测设备。根据相机图片及视觉控制器的处理结果,将合格零件留下，不合格零件去除。

(6) 产品装配。

在经过零件加工、激光打标、视觉检测之后,所有零件准备就绪。此时，工业机器人将零件逐个搬运到装配工位,通过自动装配设备将20个零部件装配成四齿魔方。装配完成的成品再由工业机器人搬运至物料传输设备。

(7) 成品入库。

立体仓储接收到物料传输设备上传感器的信号后,启动堆垛机,将成品送至成品库。成品入库之后,向MES发送订单完成的信息。

(8) 客户提货。

当客户在手机APP上看到订单完成的信息,可通过手机发送提货信息,并可选择快递收货或上门自取的取货方式。

5 结束语

四齿魔方智能制造生产线融合了ERP系统管理软件操作、MES操作、机电一体化设备机械部件装调、电气控制电路装调、气动系统装调、PLC编程、触摸屏编程、工业机器人编程、数控机床编程、激光打标、视觉检测、自动生产线安装与调试,贴合实际工业生产,着重体现真实工业现场的技术应用。

智能制造生产线中的各个单元可分别逐次运行,让学习者由浅入深、渐进全面地掌握各项技术,帮助他们更好地理解和掌握智能制造的主要技术元素。同时,各主体单元都配有三维虚拟仿真软件,虚实结合,可实现各项技术的细化教学实训,并能联网考核,极大地方便学习培训。目前,项目组正在积极开发与智能制造生产线相配套的视频、微课等学习资源,以期后续更好地为学习者服务。