基于協(xié)同作業(yè)的智能制造生產(chǎn)線設計

李坤，伍星亮

(無錫機電高等職業(yè)技術學校自動化工程系，江蘇無錫214000)

0 前言

生產(chǎn)線具有可擴展性高、節(jié)約成本，專業(yè)化程度高等諸多優(yōu)點，在現(xiàn)代生產(chǎn)中有著廣泛應用。機器人具有方便監(jiān)管和安全性高等優(yōu)點，其良好的工作可靠性能夠很好地提高生產(chǎn)效率。工業(yè)4.0和中國制造2025的提出，制造業(yè)由傳統(tǒng)進入自動化時代，制造生產(chǎn)線也向多機器人協(xié)同作業(yè)方向發(fā)展，智能制造生產(chǎn)線已經(jīng)成為了研究的熱點。

對于智能制造生產(chǎn)線，國內(nèi)外學者進行了廣泛的研究。陸晨芳等[1]從ERP系統(tǒng)、工業(yè)機器人編程、視覺檢測等方面設計了四齒魔方智能生產(chǎn)線。馮振華[2]基于工業(yè)機器人和柔性生產(chǎn)線理念，提出工業(yè)機器人的智能制造柔性生產(chǎn)線設計方案。ZHONG等[3]對衛(wèi)生陶瓷智能制造生產(chǎn)線的工藝流程和工作原理進行了說明和闡述。吳斌[4]以實際生產(chǎn)需要，運用SolidWorks和Visual Component軟件對智能制造生產(chǎn)線進行設計和研究；熊雋[5]以智能制造生產(chǎn)線為基礎，對工業(yè)機器人的操作、通信、控制等進行研究。本文作者以實際生產(chǎn)需要為基礎，對智能制造生產(chǎn)線進行設計。

1 智能制造生產(chǎn)線總體布局

以實際生產(chǎn)油缸套筒需要(油缸套如圖1所示)，設計一條能夠?qū)崿F(xiàn)自動化加工的智能制造生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線由數(shù)控車床、鉆攻加工中心、比對儀、3D視覺檢測裝置、機器人、監(jiān)視管理系統(tǒng)、料庫等組成。

圖1 油缸套筒加工要求

生產(chǎn)線工作流程：首先設定料庫狀態(tài)，開始運行。機器人1取出工件放入套筒緩存區(qū)，3D視覺檢測裝置進行拍照，3次拍照后確認工件個數(shù)和位置，機器人1依次抓取工件放入分揀臺處的托盤中，當托盤裝滿4個工件后搬運托盤至上料臺處，機器人2抓取工件依次進行車床加工和銑床加工，加工完成后機器人2將其取出，進行清洗、翻轉(zhuǎn)等工序；最后將工件放入比對儀處，開始檢測加工質(zhì)量，在誤差范圍以內(nèi)的工件放入合格區(qū)域，誤差范圍之外的工件放入報廢區(qū)域，完成整個加工過程。圖2為智能生產(chǎn)線加工流程。

圖2 智能生產(chǎn)線加工流程

2 各組成部分選型與設計

2.1 3D視覺檢測設備

自動檢測套筒緩存區(qū)中工件的個數(shù)和位置需要用到3D視覺檢測裝置。選用FANUC 3D Area Sensor設備，該設備由1個DLP投影儀和2個相機組成，DLP投影儀發(fā)出結構光照射到工件表面，生成3D點云數(shù)據(jù)，通過算法對點云數(shù)據(jù)進行分析，最終獲取工件的位置和姿態(tài)參數(shù)。其中3D視覺系統(tǒng)設置干涉區(qū)域，避免手爪與料框等干涉。3D視覺檢測儀工作流程如圖3所示。

圖3 3D視覺檢測儀工作流程

2.2 數(shù)控車銑

根據(jù)加工產(chǎn)品的結構外形，選用寶雞CK6142型臥式數(shù)控加工車床。該數(shù)控車床在斜床身臥式機床的基礎上，增加了桁架與料倉，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化上下料；提供數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)信號的傳遞，以便滿足自動化生產(chǎn)的需要。車床數(shù)控系統(tǒng)采用FANUC操作系統(tǒng)，加工信號容易獲取且能夠與整條生產(chǎn)線進行信息集成。該車床的規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 CK6142數(shù)控車床性能參數(shù)

現(xiàn)代工件加工，車、銑已經(jīng)成為密不可分的整體。在油缸套筒智能制造生產(chǎn)線中，銑床用于工件表面的加工，同時兼顧生產(chǎn)線的柔性設計，選用立式銑床，能夠提供數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)生產(chǎn)線中信號的傳遞。選用搭配FANUC Oi-F系列數(shù)控系統(tǒng)的潤星機械HS-500T立式高速鉆攻加工中心，該加工中心自備了一套刀庫，即可一次裝夾而完成多道工序。HS-500T的性能參數(shù)如表2所示。

表2 HS-500T鉆攻加工中心性能參數(shù)

以上數(shù)控車床和立式鉆攻加工中心性能參數(shù)滿足產(chǎn)品加工要求，且都搭配FANUC數(shù)控系統(tǒng)，可以進行信息傳遞與交互，相互協(xié)同工作。

2.3 機器人設計

工業(yè)機器人有良好的工作可靠性和重復定位精度，并且可以實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，因此，提高生產(chǎn)線的效率必須設計并選用工業(yè)機器人。

工業(yè)機器人一般由控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構四部分組成，如圖4所示。設計六軸關節(jié)型機器人，可以實現(xiàn)多方向的自由運動，從料庫中抓取托盤，抓取工件至車床、銑床處進行加工。該機器人包含底座、旋轉(zhuǎn)座、手臂、夾具、傳感裝置等部分，各關節(jié)由伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)機器人腰部轉(zhuǎn)動、手臂轉(zhuǎn)動等操作。手爪由氣缸驅(qū)動，根據(jù)加工工件的不同可以轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)柔性加工。工業(yè)機器人結構如圖5所示。

圖4 工業(yè)機器人組成部分

圖5 工業(yè)機器人結構

根據(jù)智能制造生產(chǎn)線的工作流程以及加工任務需求，擬設計兩臺機器人。設計Robot1裝配一個工件手爪，用于抓取工件至分揀臺托盤處；一個托盤卡鉗，用于搬運卡盤至上料臺。設計Robot2配備2個手爪，能夠同時抓取2個工件，車床和銑床同時加工不同工件，提高工作效率。 Robot1和Robot2都選用在同系列中具有最高動作能力的FANUC Robot m-20ia型六軸工業(yè)機器人，其性能參數(shù)如表3所示。每個手爪或夾鉗由氣動裝置控制夾緊與松開，在手爪處配有指示燈，夾緊時處于常亮狀態(tài)，便于檢查。

表3 FANUC Robot m-20ia性能參數(shù)

2.4 比對儀

該智能制造生產(chǎn)線選用Renishaw Equator比對儀組件，其中包括SM25-2U測頭組件、夾具板以及EQR-6測針交換架。比對儀具有降低檢測成本、易于使用等優(yōu)點，能夠使用內(nèi)嵌的過程監(jiān)控功能生成圖形，實時顯示每個工件的檢測結果，在智能生產(chǎn)線應用較廣泛。在掃描比對過程中，利用三軸模擬掃描探頭，探頭貼近工件測量輪廓，快速得到測量數(shù)據(jù)，再與系統(tǒng)中預設的工件參數(shù)進行比對。

2.5 監(jiān)控管理系統(tǒng)

智能制造生產(chǎn)線具有高自動化的特點，一旦出現(xiàn)問題，會導致所有部分均不工作，因此需要設計一個監(jiān)控管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測各部分的工作狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。該監(jiān)控管理開關應具有以下功能：

(1)設備工作狀態(tài)分析。能夠采集生產(chǎn)線各組成部分的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)，圖6所示為生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)菜單。

圖6 生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)主菜單

(2)遠程監(jiān)控。一個總控開關對Robot1、Robot2、車床、鉆攻中心以及比對儀進行統(tǒng)一監(jiān)控，查看每一組成部分的狀態(tài)，當不滿足加工條件時，該狀態(tài)會標紅并自動報警，便于操作人員快速準確地檢查并清除故障。

(3)管理運行。該系統(tǒng)除了監(jiān)控作用，還應該起到上位機的作用，能夠作為智能制造生產(chǎn)線的總控開關，管理運行生產(chǎn)線的手動、自動切換，暫停，循環(huán)停止，急停操作。

3 協(xié)同作業(yè)

為了提高生產(chǎn)效率，工件的加工需要實現(xiàn)自動化，即機器人、數(shù)控車床、加工中心等進行協(xié)同作業(yè)。而協(xié)同作業(yè)最關鍵的是各組成部分之間的通信，通過信息的傳遞與處理，達到完全自動化生產(chǎn)的目的。

3.1 FANUC機器人I/O分配

協(xié)同作業(yè)的關鍵是FANUC Robot的信號分配。I/O信號是機器人與末端執(zhí)行器、外部裝置等系統(tǒng)的外圍設備進行通信的電信號，分為通用I/O(DI/DO)和專用I/O(UI/UO)。I/O地址分配可以將機器人軟件中的DI/DO信號與外圍設備對應起來。軟件I/O信號稱為邏輯信號，硬件I/O信號稱為物理信號。將軟件I/O邏輯信號與硬件I/O物理信號對應起來，實現(xiàn)工業(yè)機器人的軟件端口與實際硬件設備的對應。由于篇幅原因，只列舉已經(jīng)分配和分配完成的。FANUC機器人I/O地址如表4、表5所示。

表4 Robot1 I/O地址分配

表5 Robot2 I/O地址分配

FANUC Robot I/O信號的詳細分配如表6、表7所示，由于篇幅原因只列舉較重要的一些。

表7 Robot2信號的詳細分配

Robot1的程序包括HAND1_CLOSE托盤手爪夾緊，HAND2_OPEN工件手爪夾緊，PICK_PALLET抓取托盤，PUT_PALLET放置托盤，TASK3分揀臺至上料臺等；Robot2的程序包括CLOSE_CK6142車床門關閉，CLOSE_HAND機器人手爪夾緊，OPEN_HS_500鉆攻門打開，TASK2車床上下料套筒等，在DI信號輸入后DO信號輸出，通過相關程序?qū)崿F(xiàn)相應的操作。

3.2 FANUC Robot與PLC通信

該生產(chǎn)線選用羅克韋爾公司的Allen Bradley系列Logix5555 PLC，將PLC的I/O接口與ROBOT的I/O對應，利用Ethernet/IP實現(xiàn)PLC與工業(yè)機器人的通信。Ethernet/IP是一種面向工業(yè)自動化的通信網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)智能設備I/O數(shù)據(jù)的傳輸。工業(yè)機器人在Ethernet/IP通信中一般作為適配器設備，必須進行適配器設定，設定如表8、表9所示。端口1和端口2分別與主板上的以太網(wǎng)接口CD38A和CD38B(優(yōu)先選擇)相對應，通常使用CD38A連接以太網(wǎng)、CD38B連接Ethernet/IP適配器。

表8 Robot1的IP地址設定

表9 Robot2的IP地址設定

在PLC梯形圖中編寫主程序。每1 000 ms向機器人控制裝置發(fā)送讀、寫信息的觸發(fā)作用；編寫MSG程序段，定義了讀取、寫入各自的Explicit信息。設定信息程序段需要Class、Instance、Attribute、Service的值。讀取機器人機架89、插槽1的輸出，程序編寫為Class(0x04)，Instance 101(0x65)，Attribute 3(0x03)，Service(0x0E)；寫入輸入，則程序為Class(0x04)，Instance151(0x97)，Attribute 3(0x03)，Service(0x10)。

在該生產(chǎn)線中，串行通信信號由AB Logix5555PLC傳遞給工業(yè)機器人，由于AB系列PLC支持的通信協(xié)議比較多，包括：Ethernet/IP、DeviceNet/Modbus RTU/TCP等，而FANUC也支持Ethernet/IP以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，所以兩者可以通過以太網(wǎng)連接通信，物理層采用RS232C通信方式。

3.3 PMC與數(shù)控車銑通信

PMC是利用內(nèi)置在CNC的可編程控制器執(zhí)行機床順序控制的可編程機床控制器，主要用于FANUC數(shù)控系統(tǒng)，可以利用PMC實現(xiàn)與數(shù)控車銑的通信。通信方式如圖7所示。

圖7 PMC與數(shù)控車銑通信

其中，X為來自機床側(cè)的輸入信號。PMC接收機床側(cè)各裝置的輸入信號，在梯形圖中進行邏輯運算，作為機床動作的條件以及對外圍設備進行診斷的依據(jù)。Y為由PMC輸出到機床側(cè)的信號。在PMC控制程序中，輸出信號控制機床側(cè)的電磁閥、接觸器等動作，滿足機床動作的需要。G為由PMC側(cè)輸出到系統(tǒng)部分的信號，對系統(tǒng)部分進行控制和信息反饋(如軸互鎖信號、M代碼執(zhí)行完畢信號等)。F為由控制伺服電機與主軸電機的系統(tǒng)部分側(cè)輸入到PMC信號。系統(tǒng)部分就是將伺服電機和主軸電機的狀態(tài)，以及請求相關機床動作的信號(如移動中信號位置檢測信號、系統(tǒng)準備完成信號等)，反饋到PMC中去進行邏輯運算，作為機床動作的條件及進行自診斷的依據(jù)。部分X信號可由CNC直接讀取。

3.4 PMC與比對儀通信

Renishaw比對儀提供EQ-IO輸入/輸出單元，能夠使Equator比對儀連接一個自動化單元內(nèi)的多個設備，EZ-IO軟件極大簡化了自動化制造單元的設置過程，可以進行配置，實現(xiàn)PMC與比對儀信號的通信。

3.5 整體網(wǎng)絡通信

整個控制網(wǎng)絡主要由EtherNet和DeviceNet組成，其中DeviceNet是一種低成本的通信連接，允許網(wǎng)絡上的所有節(jié)點同時存取同一源數(shù)據(jù)，它將工業(yè)設備連接到網(wǎng)絡，減少配線和安裝工業(yè)設備的成本和時間，如圖8所示。AB PLC基于DeviceNet網(wǎng)絡[6]，通過硬接線控制現(xiàn)場所有的I/O信號，完成PLC和所有終端設備之間的數(shù)據(jù)通信和指令傳輸。監(jiān)控管理系統(tǒng)系統(tǒng)通過EtherNet與主控器和機器人進行通信，完成對生產(chǎn)線的可視化操控，同時用于報警信息的顯示等。

圖8 整體網(wǎng)絡通信

4 生產(chǎn)線仿真與調(diào)試

根據(jù)各單元組成部分，利用軟件，加載數(shù)控車床、鉆攻加工中心、兩個機器人、比對儀等各部件，構建加工環(huán)境、設置參數(shù)，建立智能制造生產(chǎn)線并模擬運行[7]。搭建的生產(chǎn)線示意如圖9所示。

圖9 生產(chǎn)線示意

根據(jù)仿真結果，進行生產(chǎn)線的實際布局與搭建，組件的智能制造生產(chǎn)線如圖10所示。對該生產(chǎn)線進行生產(chǎn)測試，通過對比與分析，該生產(chǎn)線能很好地完成油缸套筒的自動化加工，并且能將效率提高25%以上。

圖10 實際智能生產(chǎn)線

5 結論

針對實際生產(chǎn)需要設計并搭建一條智能制造生產(chǎn)線，包括數(shù)控車床、機器人、鉆攻加工中心、比對儀、監(jiān)控管理系統(tǒng)等組成部分，并投入生產(chǎn)試運行。

對各組成部分進行設計與選型，對信號的分配與傳遞進行了詳細的定義和說明，并利用軟件進行仿真。各組成部分能夠較好地協(xié)同運行與工作，大大提高了自動化生產(chǎn)線的工作效率。

對各組成部分的設計與選型，生產(chǎn)線的搭建，信號的分配與傳輸，實現(xiàn)了制造生產(chǎn)線的自動化，具有一定的參考意義。