林誼 陳丙南 胡偉偉

摘要：隨著社會經(jīng)濟發(fā)展轉型的不斷推進和深入，高等職業(yè)院校需要契合當前中國制造2025及工業(yè)4.0背景為智能制造的發(fā)展需求制定應用型人才培養(yǎng)計劃，應用型人才培養(yǎng)重在實踐教學。本文針對智能制造產(chǎn)線的教學以及實踐的需求進行探索，對如何搭建產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進行探討，利用MES管控技術、西門子PLC、觸摸屏、視覺檢測、數(shù)控系統(tǒng)、電氣元件、工業(yè)機器人技術等設備的技術原理，來說明一種教學型智能制造產(chǎn)線控制系統(tǒng)。該套控制系統(tǒng)包含了PLC技術、機器人技術、氣動控制技術、傳感器技術、數(shù)控技術、上位機控制技術等，符合智能制造產(chǎn)線教學的通用性要求。

關鍵詞：工業(yè)機器人;行業(yè)應用;研究

中圖分類號：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0218-02

0? 引言

當前，企業(yè)用人成本越來越高，特別是勞動密集型的企業(yè)，都不斷地在尋求新的更先進的生產(chǎn)方式，智能制造生產(chǎn)線已經(jīng)成為取代傳統(tǒng)勞動密集型生產(chǎn)方式的主要趨勢。智能制造生產(chǎn)線可以有效節(jié)約原材料、提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，并且大大的改善了生產(chǎn)企業(yè)的環(huán)境，使得企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高了公司利潤，增加員工福利。智能制造生產(chǎn)線已經(jīng)廣泛應用于汽車制造、食品加工等行業(yè)中，因此企業(yè)對智能制造生產(chǎn)的研發(fā)與維護人才的需求也不斷的在增加。在生產(chǎn)制造企業(yè)中，不會有機會讓新手來調(diào)試或者設計智能制造生產(chǎn)設備，這就對各應用型高校的人才輸入提出了更高的要求。智能制造生產(chǎn)線是一個綜合性很強的系統(tǒng)，不僅需要扎實的理論基礎，而且更重要的是要實踐，在實踐過程中可以檢驗并鞏固理論知識，也可以發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新能力。本文設計了一條以旋轉筆筒生產(chǎn)為工藝的教學型智能制造產(chǎn)線，構建了一個集工業(yè)機器人、AGV、3D打印、雕刻、數(shù)控銑床、數(shù)控車床、自動裝配、自動打包為一體的智能制造生產(chǎn)線，來滿足教學實踐。

1? 總體結構

當前智能制造生產(chǎn)線應有的行業(yè)十分廣泛，我們選取了一些常用的典型應用模塊來創(chuàng)新的組合成了一套智能制造系統(tǒng)。目前制造制造生產(chǎn)線主要還是應用在機械加工、組裝、包裝等方面，并結合了當前比較熱門的激光雕刻、3D打印技術，其主要組成部分如圖1所示。

2? 控制系統(tǒng)的設計

智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設計的主要目的是實現(xiàn)不同設備之間的互聯(lián)互通，通過對相關數(shù)據(jù)信息的高速、準確傳輸與分析，實時監(jiān)控自動線的運行狀態(tài)，根據(jù)需要發(fā)出指令來協(xié)調(diào)或改善產(chǎn)線的運行，使其運行效率更高，產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定。控制結構如圖2所示。

2.1 控制系統(tǒng)設計思路

PLC控制技術的應用，實現(xiàn)了工業(yè)控制的網(wǎng)絡化及智能化。隨著PLC技術應用的普及的深入，PLC已經(jīng)成為自動化應用中的核心技術之一。由各種傳感器來完成生產(chǎn)過程中的執(zhí)行元件的監(jiān)控，完成物理信息的提取形成控制系統(tǒng)中的信號。工業(yè)機器人技術是智能制造方向最熱門的技術，工業(yè)機器人的功能實現(xiàn)主要依托于其本身內(nèi)部的控制系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)，按照設定的程序，自動進行工作狀態(tài)的判斷與決策。機器人一般留有的外部通訊方式有I/O通訊以及網(wǎng)絡通訊，本套系統(tǒng)選擇與機器人進行網(wǎng)絡通訊。MES系統(tǒng)以及在各種不同類型的生產(chǎn)線上得到了普遍的使用，其主要功能是進行制造數(shù)據(jù)管理、計劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、生產(chǎn)過程分析、底層數(shù)據(jù)集成分析等。

2.2 教學型PLC選型

目前在國內(nèi)絕大多數(shù)院校，其實驗室配置的PLC主要來自兩大品牌，西門子以及三菱系列。西門子一直主張使用模塊化編程，每個子程序負責一個功能，需要的時候再通過主程序調(diào)用，便于前期調(diào)試及后期查找故障。所以大多數(shù)高校都選用了西門子PLC作為其教學和實驗內(nèi)容。因此我們選用西門子S7-1200系列控制器應用于本套智能制造生產(chǎn)線，該系列PLC無論是小型設備還是對速度和準確性要求較高的復雜設備裝置，都能適用。

2.3 PLC控制網(wǎng)絡

本系統(tǒng)的倉儲模塊、生產(chǎn)控制模塊、視覺檢測模塊均由PLC作為控制核心，每個模塊中的PLC負責收集各類傳感器、按鈕等信號，控制電磁閥、電機等裝置動作，搭配西門子觸摸屏，可實現(xiàn)人機交互的便利性，控制系統(tǒng)狀態(tài)直觀性。多個PLC之間，通過以太網(wǎng)交換機采用TCP/IP或MODBUS TCP協(xié)議進行通信。PLC控制網(wǎng)絡示意圖如圖3所示。

倉儲模塊由立體倉庫搭配AGV小車組成，其中，立體倉庫中的堆垛機由PLC控制伺服電機進行運動，伺服電機可以保證堆垛的精準度和速度，AGV小車與PLC進行無線連接，向PLC實時反饋當前位置等狀態(tài)，便于操作者控制。

生產(chǎn)控制模塊由3D打印機、數(shù)控車床、激光雕刻機、數(shù)控銑床以及機器人組成，各臺加工設備距離較遠，所以需將機器人安裝在行走軸上，行走軸同樣為伺服電機控制運動，保證機器人每次到達加工設備前的位置準確。機器人搭配工具快換裝置，適配每種加工設備的工件夾取。運行時，PLC控制伺服電機運動，使機器人移動至指定位置，同時向?qū)庸ぴO備發(fā)送信號，機器人將工件放入加工區(qū)域，設備自動完成加工。

當工件完成自動加工、裝配等工序后，機器人將工件搬運至視覺檢測區(qū)，PLC向工業(yè)相機發(fā)送啟動信號，工業(yè)相機對工件拍照、識別檢測，并將結果反饋給PLC，PLC根據(jù)反饋結果決定工件去向，合格品進入打包工序。打包結束的產(chǎn)品以及不合格品均由AGV小車取走，分類入庫。

2.4 電氣控制系統(tǒng)設計

一般將電氣設備二次控制回路叫做電氣控制系統(tǒng)，因為系統(tǒng)中不同的設備有不同的控制回路，并且高壓電氣設備與低壓電氣設備需分別控制。具體地來說，系統(tǒng)中使用單相、三相交流電和直流電的設備，最終都由PLC進行通斷控制，而接觸器、繼電器則作為通斷執(zhí)行機構。另外，伺服控制器、變頻器作為驅(qū)動電機的設備，既需交流電作為動力源，又需直流電作為信號傳輸，在電氣控制設計時，要考慮電磁干擾、過載過流保護等情況。

2.5 氣動控制系統(tǒng)設計

氣動技術是利用空氣的可壓縮性，將壓縮空氣作為傳遞動力的介質(zhì)，并通過氣缸、換向閥、電磁閥等元件構成控制回路，使氣動元件按照所需邏輯要求工作。

系統(tǒng)自動運行時，3D打印機、數(shù)控車床、激光雕刻機、數(shù)控銑床需要自動開關門，以及自動夾緊加工件;機器人夾爪需要加緊、松開;另外，自動打包機中需要對打包物體進行固定、對膠帶進行切割;以上動作均由氣缸完成，控制氣缸的電磁閥由系統(tǒng)中PLC控制。從安全角度考慮，選用三位五通中封型電磁閥。

2.6 MES系統(tǒng)設計

MES系統(tǒng)，意為制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)，旨在為企業(yè)提供制造數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)管理、庫存管理、質(zhì)量管理、設備管理、工具工裝管理、生產(chǎn)過程控制、數(shù)據(jù)分析等管理功能。本系統(tǒng)主要為教學作用，使用MES系統(tǒng)對整套設備進行統(tǒng)一調(diào)控管理，更貼近實際工業(yè)生產(chǎn)，使學生能直觀感受到智能化生產(chǎn)線的高效性、即時性。

系統(tǒng)自動運行時，由操作人員通過MES系統(tǒng)下發(fā)生產(chǎn)訂單，工控機與各模塊PLC進行通訊，收集各模塊設備狀態(tài)信息，判斷是否可運行，若不可運行，會將故障信息反饋給操作者;若可運行，則由PLC按邏輯設定控制各設備自動啟動。

3? 培訓項目

本系統(tǒng)在教學中可實現(xiàn)多種科目、多種設備的培訓，包含：工業(yè)機器人編程操作，PLC程序設計，電氣控制系統(tǒng)電路設計，氣動控制系統(tǒng)氣路設計，數(shù)控機床編程，工業(yè)設備網(wǎng)絡通訊，MES系統(tǒng)設計，AGV小車設計等。

4? 結語

通過對智能制造需求性的分析研究，提出教學型智能制造產(chǎn)線控制系統(tǒng)的思路，分析了智能制造生產(chǎn)線的多種優(yōu)點，設計了一條以旋轉筆筒生產(chǎn)為工藝的教學型智能制造產(chǎn)線，結合工業(yè)機器人、PLC、AGV等設備，詳細介紹了控制系統(tǒng)的設計過程及系統(tǒng)運行方式。該教學設備在功能和結構方面與實際工業(yè)中的智能生產(chǎn)線十分接近，能有效提高學生的實際設計、操作、解決故障等能力，便于學生在走入工作崗位后，更快的融入工作，并能根據(jù)實際環(huán)境，對工業(yè)生產(chǎn)提出建設性改造意見，為企業(yè)發(fā)展提供更好的動力。

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