面向数控加工智能产线设计分析

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摘要：针对企业提出的活塞制造自动化的需求，设计开发了一条智能产线，通过整合各种新技术，融合机器视觉检测技术、PLC控制技术、传感器技术、工业互联网技术、制造执行系统等，实现上料、加工、下料、检测等的一体化控制。智能产线取代传统的手工操作，降低了劳动强度，保障了产品质量，能适应各种恶劣的生产环境，高效完成指定任务，有效提升了产品及企业的竞争力。

关键词：工业机器人；数控车床；数字孪生；计算机辅助工艺过程设计（CAPP）

1智能产线的组成

目前，数控技术与智能制造新技术的融合应用越来越广泛，广州数控设备有限公司作为智能制造领域的践行者，积累了丰富经验。面向数控加工的智能产线主要是根据工艺流程，由若干台工业机器人和数控机床及工装夹具等进行联网组线；PLC控制检测和流程及系统调度，制造执行系统MES管控信息可视化和数据实时分析处理，实现加工过程无人值守，能对异常状态进行快速反应和分析判断，可安全可靠地长时间持续工作，改变了传统生产方式。

2智能产线的设计

为提升生产能效，某企业引进智能产线替代人工实现24h两班制。随着工业机器人的发展，智能制造生产线因其能够快速实现大批量加工、节省人力成本、提高生产效率等优势，成为越来越多工厂的理想选择。如何快速正确地完成基于工业机器人和数控机床应用技术的智能制造生产线的设计成为众多智能装备系统集成企业颇为头疼的问题，而随着数字孪生和计算机辅助工艺过程设计（CAPP）等工业软件的发展，此类问题得到圆满解决。数字孪生的主要作用是在产品主体研发完成后和工程实施之前对设计的智能产线进行检验，贯穿“设计—工艺—制造调试”全产业链，用数字样机代替物理样机验证设计方案的可行性、可靠性、合理性和工艺流程，可防碰撞，得出生产效率，降低成本，减少返工，加速产品上市，实现全生命周期管理，意义重大。2.1活塞加工工艺分析。活塞加工是将重量小于30kg的碳钢毛坯工件按照图样要求加工成成品工件。根据材料特点和精度要求，工件开粗、半精加工、精加工等不同工序须在不同的数控车床上进行，因此，设计方案主要采用2台全功能数控车床和2台经济型数控车床及一台工业机器人。上料仓配置的视觉系统可自动识别工件的上料位置，换向机构实现工件的翻转，同时引入制造执行系统MES、PLC、工业互联网实现智能制造。汽车活塞智能产线设计方案如图1所示。该汽车活塞智能加工产线是以典型机器人搬运上下料为背景，结合制造执行系统MES、PLC技术、机器视觉检测技术、工业互联网技术和数字孪生等先进手段，提升生产过程信息化、智能化水平，构建的一套智能制造生产线。本产线以制造执行系统MES为核心，有效地将数字孪生技术、信息通信技术以及自动化控制技术等融合为一体，建立智能制造管控系统。基于该系统可完成制造过程中的工艺设计、排产调度、质量控制、状态监测等功能，建立完整的智能产线。2.2工艺流程的制定。分析制定汽车活塞智能产线工艺流程是设计的基础。应通过与企业技术人员沟通，了解活塞产品的加工精度和其他技术要求，制定整套工艺流程。设计人员还要根据工艺流程，全面考虑活塞工件在各工序之间流转时必需的翻转、下上料、导向定位、信号检测等要求，并统计工业机器人抓取工件时的定位、夹紧、松开、检测等动作所需时间，综合分析上述工艺节拍，最终设计出智能产线。经过多次研究论证，最终确定活塞加工的工艺流程如下：Step1：人工将上料小车上满料，把小推车推到上料位置，脚轮刹车锁死，拆下上料仓四周围栏；把空料仓放在上料仓旁边；Step2：料仓上方的相机识别到工件位置，机器人根据视觉判断抓取工件到定位台进行再次定位；Step3：机器人抓手1抓取已定位毛坯件到车床一门外等待，车床一内的工件加工完成，车床门打开，抓手2取下车一完成后的工件，并更换上抓手1的毛坯件，机器人抓手退出车床，车床门关闭，车床开始加工；Step4：机器人把车一工件放到换向机构的换向台上，换向机构夹紧并翻面，翻面完成，夹紧松开，机器人抓手1抓取换向后的工件到车床二前的暂存台；Step5：机器人移动到车床二门外抓手1抓取暂存台工件进行等待，车床二内的工件加工完成，车床门打开，抓手2取下精车二完成后的工件，并更换上抓手1的加工件，机器人抓手退出车床二，车床门关闭，车床开始加工；Step6：机器人把工件堆放在下料仓上，并重复2、3、4、5流程，两套工件生产同时进行，机器人同时为两套工件上下料，上下料动作交叉进行，互不干涉，由于加工时间较长，在稳定生产时，不会出现两台机床同时等待机器人上下料的情况；Step7：当下料仓堆满后，机器人停止工作，人工把下料仓四周围栏锁上，打开刹车，推走料仓，并换上新的空下料仓。2.3智能产线控制系统设计与调试。智能产线控制系统以MES为核心，MES采用强大数据采集引擎，整合数据采集渠道（RFID、PLC、CNC、PC）覆盖整条产线的各个制造环节，保证了现场数据的实时、准确、全面采集。智能产线在完成工业互联网搭建、PLC编程及HMI工控组态、制造执行系统MES联调等工作后，才能实现互联互通，组建完善的全套控制系统。首先根据网络拓扑图对数控机床、工业机器人、PLC、HMI、监控系统、MES系统等进行IP分配和端口分配以及设置；标示工业交换机的端口号，连接网络检测通信状态，实现工业互联网搭建。然后根据工艺流程要求扩展PLC模块，正确配置I/O，编写和调试PLC组态通信应用程序；对HMI的寄存器、变量等数据进行分配和人机界面设计，完成PLC编程及HMI工控组态，实现与数控机床、工业机器人、料仓等设备的信号连接和通信调试。最后正确完成MES系统与数控机床、工业机器人、PLC等设备的参数配置，实现信号连接和数据采集，实现可视化管理。

3结语

为实现大批量活塞高效生产，本文阐述了在工业机器人应用技术的基础上开发设计出一种智能产线，目前该产线已经投入使用，全自动化作业，运行可靠稳定。利用智能制造核心支撑软件，通过新一代工业互联网技术和现代制造技术的深度融合，能够弥补数控加工领域自动化和信息化的短板，培育推广智能制造新模式，为实现互联网个性化定制和提供产品智能服务打下坚实基础，从而极大地提高产品的附加值，加速实现跨行业、跨地域、跨企业的分布式制造。

［参考文献］

[1]申晓龙.数控加工技术[M].北京：冶金工业出版社，2008.

[2]张军，罗英俊，蒲德星，等.工业机器人与数控加工组合应用[J].金属加工（冷加工），2017（1）：96-99.

[3]欧阳劲松，刘丹，杜晓辉.制造的数字化网络化智能化的思考与建议[J].中国仪器仪表，2018（4）：28-36.

作者:魏文锋 单位:广州数控设备有限公司