一種智能制造系統(tǒng)的設(shè)計

萬松峰 劉熾華 王康 丁佳偉

摘? 要：隨著美國提出“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”、德國發(fā)布“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，及我國“中國制造2025”的提出，智能制造迅猛發(fā)展。根據(jù)制造業(yè)市場變化趨勢，利用數(shù)控加工技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、機器視覺和數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)等實現(xiàn)切削加工的定制化生產(chǎn)。該設(shè)計可以減少產(chǎn)品的不合格率，縮短了加工的輔助時間，大大提高了生產(chǎn)效率，提高系統(tǒng)加工的柔性。

關(guān)鍵詞：智能制造;數(shù)控加工;工業(yè)機器人;定制化

中圖分類號：TQ630.7? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）25-0046-03

Abstract： As the "Advanced Manufacturing National Strategic Plan" in USA， the presentation of German "Industrie 4. 0"， and

"Made in China 2025"， intelligent manufacturing industry gets rapid development. According to the changing trend of the manufacturing market， CNC machining technology， industrial robot technology， industrial Ethernet technology， machine vision and digital design and manufacturing technology are used to realize customized production of cutting processing. The design can reduce the failure rate of the product， shorten the auxiliary time of the processing， thus greatly improve the production efficiency and the flexibility of the system processing.

Keywords：intelligent manufacturing; CNC machining;industrial robot; customized production

我國制造業(yè)規(guī)模全球排名第一，制造業(yè)成為我國現(xiàn)代工業(yè)的基石和促進全球發(fā)展的重要力量。但從質(zhì)量上和技術(shù)上來看我國的制造業(yè)與美國、德國都有一定的差距，創(chuàng)新能力弱。自2008年全球經(jīng)濟危機后，歐洲、日本和美國等發(fā)達(dá)國家推動的再工業(yè)化戰(zhàn)略，有效吸引高端制造業(yè)向本國回流，他們分別推行“工業(yè)4.0”、“新工業(yè)法國”、“高價值制造”、 “制造業(yè)競爭策略”和“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”等戰(zhàn)略等，通過發(fā)展先進制造業(yè)重構(gòu)實體經(jīng)濟，搶占全球先進制造的制高點。新興經(jīng)濟體國家依靠其低廉的生產(chǎn)要素優(yōu)勢承接中低端制造。新一輪產(chǎn)業(yè)和科技變革推動移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅速發(fā)展，為智能制造提供有效的技術(shù)手段。

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級和人力成本的提高，企業(yè)利潤逐漸降低，并且人工操作機床對技術(shù)有一定要求，產(chǎn)品質(zhì)量與操作工人的技能水平關(guān)系很大。用工業(yè)機器人代替人力實現(xiàn)機床自動上下料可以消除不同操作人員帶來的產(chǎn)品差異，確保機械加工的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性，機床順利的上下料和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，調(diào)高產(chǎn)品格率，縮短了機床的輔助時間，大大提高了生產(chǎn)效率，提高了機床的柔性，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)組成

根據(jù)制造業(yè)市場變化趨勢和東莞中小企業(yè)生產(chǎn)實際，結(jié)合東莞“機器換人”的政策導(dǎo)向，本課題以工業(yè)機器人為主體、應(yīng)用視覺自動對加工尺寸檢測，實現(xiàn)數(shù)控機床自動上下料和產(chǎn)品檢測。一種智能制造系統(tǒng)主要包括數(shù)銑設(shè)備、打磨設(shè)備、工業(yè)機器人、機器視覺、智能倉儲（AGV）、智能快換夾具裝置（AGV）和中央控制系統(tǒng)等。根據(jù)需求選定加工產(chǎn)品后，工業(yè)機器人通過視覺引導(dǎo)自動更換夾具，智能倉儲系統(tǒng)輸出物料給機器人，工業(yè)機器人首先通過視覺讀取物料二維碼信息，確認(rèn)后通過視覺引導(dǎo)抓取產(chǎn)品放至數(shù)銑設(shè)備和打磨設(shè)備，加工完成后取出工件進行尺寸檢測，檢測完成后更新產(chǎn)品二維碼信息并放入倉庫，完成一次加工。通過視覺實現(xiàn)自動化上下料和加工尺寸的自動檢測。

系統(tǒng)效果見圖1，包含加工、檢測、輸送、執(zhí)行、控制、顯示監(jiān)控等模塊，通過工業(yè)以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的快速交換和流程控制，采用多臺套PLC滿足靈活的現(xiàn)場控制結(jié)構(gòu)和總控設(shè)計邏輯，利用柔性終端和智能視覺實現(xiàn)柔性生產(chǎn)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和二維碼實現(xiàn)制造信息采集、狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析處理。

系統(tǒng)啟動后首先設(shè)定加工工件并導(dǎo)入檢測標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)機器人根據(jù)選擇工件更換夾具。機器人運行到智能倉儲處等待料倉推出物料，視覺通過二維碼讀取物料信息，核對無誤后抓取工件放入數(shù)控車（銑）床，啟動機床加工，從機床取出已經(jīng)加工完成的工件放置料倉，通過視覺對物料進行檢測，檢測完畢后將物料信息寫入二維碼更新物料信息，完成一次物料的自動加工和檢測。

2 硬件部分

系統(tǒng)的硬件具體由數(shù)控車床、數(shù)控銑床、工業(yè)機器人、機器視覺、智能倉儲、二維碼、智能快換夾具裝置和中央控制系統(tǒng)等組成，硬件組成見圖2。

工業(yè)機器人選用ABB公司生產(chǎn)的全新緊湊型設(shè)計IRB2600型工業(yè)機器人，該工業(yè)機器人自帶以太網(wǎng)接口方便與常用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊。

該系統(tǒng)中的視覺模塊由工控機、工業(yè)相機、鏡頭和光源組成，相機選用歐姆龍FZ-SC彩色30W CCD攝像元件，鏡頭VST公司的VS-0620VM鏡頭，控制器選用歐姆龍FH-L550控制器。FH-L550控制器的外部接口包含Ethernet接口、串行通信接口、EtherNet/IP接口、PROFINET接口、USB 接口和并行I/F接口等，支持多種通信方式，方便與外部設(shè)備通訊。

中央控制系統(tǒng)主要由西門子S7-1212和南京華太遠(yuǎn)程IO模塊FR8210組成，如圖7所示。S7-1212設(shè)計緊湊、成本低廉且功能強大，是控制小型應(yīng)用的完美解決方案。華太遠(yuǎn)程IO模塊簡化PLC開展遠(yuǎn)程IO。

通過單片機生成二維碼用于顯示倉儲系統(tǒng)物料狀態(tài)，當(dāng)有物體靠近時LCD通過二維碼和文字顯示物料狀態(tài)，10秒后自動熄滅;當(dāng)倉位物料發(fā)生變化時可通過串口或以太網(wǎng)接口接收信息自動更新LCD物料顯示信息，實現(xiàn)物料信息化顯示。

3 軟件介紹

該智能制造系統(tǒng)的軟件主要由中央控制模塊、機器人控制模塊、機器視覺模塊和單片機二維碼模塊組成。

ABB機器人的編程語言是RAPID語言，ABB程序結(jié)構(gòu)由各模塊組成，模塊包括程序數(shù)據(jù)、主程序、例行程序、中斷等組成。編程前需先建立工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系，配置標(biāo)準(zhǔn)IO端口和遠(yuǎn)程IO端口，設(shè)置以太網(wǎng)通訊等，設(shè)置完成后可以直接在ABB上或Robotstudio上編寫RAPID程序了。ABB機器人控制模塊軟件流程圖如圖4所示，機器人首先初始化回到原位等待PLC指令，收到指令后發(fā)送命令給視覺系統(tǒng)和夾具庫，通過視覺引導(dǎo)實現(xiàn)夾具快換，夾具安裝完成后發(fā)送指令給PLC控制第七軸移動至倉庫處，料倉推出物料后機器人控制視覺進行物料信息讀取，讀取后控制夾爪抓取物料，根據(jù)加工要求將物料放入車床或銑床，等待加工完成后取出物料放入料倉，并控制視覺對尺寸測量，測量完畢后發(fā)送信息給PLC更新物料信息。

機器視覺模塊主要包括視覺引導(dǎo)和視覺測量兩個部分。該視覺主要是為工業(yè)機器人感知周邊環(huán)境的變化，通過算法計算為機器人的動作調(diào)整提供依據(jù)，保證工業(yè)機器人能正確完成任務(wù)，提供了外部閉環(huán)控制機制。視覺模塊引導(dǎo)模塊軟件流程圖如圖4所示。該機器視覺還具有尺寸測量功能，根據(jù)設(shè)置可以自動測量加工產(chǎn)品的尺寸，比如通過產(chǎn)品外形判定類別，通過對孔徑、高度和面積的測量判定產(chǎn)品是否合格。運用視覺系統(tǒng)對加工工件進行尺寸測量，視覺引導(dǎo)模塊軟件流程圖如圖5所示。

4 結(jié)論

利用數(shù)控加工技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、機器視覺和數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)等實現(xiàn)切削加工的定制化生產(chǎn)。該項目的應(yīng)用有助于工業(yè)自動化的推進，使得工業(yè)機器人能夠適應(yīng)條件變化，提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來更大的利潤。

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