何小英，王 旭

(電子科技大學(xué)成都學(xué)院 工學(xué)院，四川 成都 610000)

《中國制造2025》作為我國制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的行動綱領(lǐng)，有效推進(jìn)了國內(nèi)智能制造領(lǐng)域的發(fā)展[1].而世界范圍內(nèi)，智能制造正成為各國實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐，加快智能制造技術(shù)的落地是落實(shí)工業(yè)化和信息化深度融合，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵[2].《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》也明確指出，要加強(qiáng)對裝備制造業(yè)領(lǐng)域技能人才培養(yǎng)，保證智能制造產(chǎn)業(yè)的高效發(fā)展[3].相關(guān)調(diào)查表明，隨著智能制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，75%的企業(yè)對傳統(tǒng)機(jī)電、數(shù)控機(jī)床專業(yè)人員的要求已經(jīng)轉(zhuǎn)向于向智能機(jī)器人、高端數(shù)控機(jī)床、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)等領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)與服務(wù)方面[4-6].為培養(yǎng)適應(yīng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的技術(shù)型人才，各高職院校相繼設(shè)立了智能控制技術(shù)專業(yè)[7-9].如建立工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備，引入可編程控制器、智能控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)[10]，開展機(jī)電一體化技術(shù)和自動化技術(shù)的傳感、氣動、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、步進(jìn)電機(jī)等的實(shí)訓(xùn)作業(yè)[11].但當(dāng)前絕大部分智能制造實(shí)訓(xùn)項目更多的是沿用機(jī)械制造領(lǐng)域和電氣自動化技術(shù)的專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，很少涉及到智能制造領(lǐng)域[12].為滿足智能制造實(shí)訓(xùn)需求，設(shè)計了集成PLC、電氣自動化、傳感器等關(guān)鍵技術(shù)的智能制造單元系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)平臺，并工業(yè)以太網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云服務(wù)等實(shí)現(xiàn)制造全過程智能調(diào)試和監(jiān)控，搭建“端-網(wǎng)-云”的智能制造平臺.

1 平臺設(shè)計需求

數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)手工繪圖和建模工作已經(jīng)被智能化畫圖軟件和模擬軟件代替，這就要求崗位人員具備應(yīng)用CAD、CAE、MES、ERP等作圖分析工具.同時，工業(yè)自動化領(lǐng)域的傳感器、機(jī)械加工、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制、組態(tài)網(wǎng)的建立以及大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云端服務(wù)的應(yīng)用也成為提升智能制造數(shù)字化、信息化、智能化的必要技術(shù)手段.因此，技術(shù)人員除具備傳統(tǒng)的日常維護(hù)技能外，還需要掌握了設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試、系統(tǒng)功能集成、功能開發(fā)的多功能復(fù)合型人才.

為滿足人才培養(yǎng)需求，開發(fā)的實(shí)訓(xùn)平臺同時包括傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)場、網(wǎng)絡(luò)通訊、機(jī)械電氣裝調(diào)，以及現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)和云服務(wù)、軟件編程調(diào)試技術(shù)，需應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端柔性加工、引入工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行全流程監(jiān)控，建立“端-網(wǎng)-云”的智能制造單元.

2 智能制造單元系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計

2.1 平臺控制邏輯單元

當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人被越來越多的應(yīng)用于多個領(lǐng)域，作為先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品，工業(yè)機(jī)器人在各行業(yè)發(fā)揮著舉足輕重的作用.為滿足社會應(yīng)用需求，培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)人員十分緊迫，而工業(yè)機(jī)器人設(shè)計的理論知識復(fù)雜，且與實(shí)踐工作緊密相連，機(jī)器人的理論實(shí)踐教學(xué)工作必不可少.

以工業(yè)機(jī)器人為例，介紹包括括工藝焊接、數(shù)控加工、檢測識別、裝配倉儲等生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)智能制造單元系統(tǒng).該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將原本設(shè)備層、應(yīng)用層和控制層進(jìn)行扁平化設(shè)計，控制設(shè)備間信息傳輸、數(shù)據(jù)信息兼容以及交換，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)到底的數(shù)據(jù)交換和流程控制[13].用PLC完成總控設(shè)計，利用MES系統(tǒng)采集設(shè)備運(yùn)行工況信息，并在大數(shù)據(jù)和云網(wǎng)絡(luò)支持下對工藝流程進(jìn)行智能監(jiān)控[14]，圖1為實(shí)訓(xùn)平臺的控制邏輯圖.借助于計算機(jī)輔助功能軟件，在虛擬環(huán)境下快速布局，進(jìn)行過程仿真，驗(yàn)證構(gòu)件間的配合度，提升生產(chǎn)效率.

圖1 平臺控制邏輯

2.2 平臺實(shí)訓(xùn)技術(shù)要點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺涵蓋了機(jī)械制造、遙感測控、軟件編程、組態(tài)軟件、現(xiàn)場總線等技術(shù)，因此需要實(shí)訓(xùn)元掌握工業(yè)控制監(jiān)控組態(tài)、CClink網(wǎng)絡(luò)通訊、OPC數(shù)據(jù)采集、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、工業(yè)機(jī)器人焊接操作、FX系列程序編程等綜合訓(xùn)練.建設(shè)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室為各種技術(shù)的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用提供了必要的環(huán)境.

WinCC組態(tài)軟件.包括WinCC組態(tài)軟件系統(tǒng)設(shè)置、變量選擇與數(shù)據(jù)采集，變量關(guān)聯(lián)仿真，報表腳本系統(tǒng)和硬件設(shè)計和軟件編程作業(yè).

可編程控制技術(shù).實(shí)訓(xùn)過程中需要掌握傳感技術(shù)、異步電機(jī)使用方法，了解PLC軟件編程，數(shù)據(jù)傳輸和I/O連接通訊.如圖2為某一型號的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控程序連接圖，其中M8092為脈沖技術(shù)標(biāo)志，Y2、Y3為步進(jìn)電機(jī)的方向控制信號.

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序

OPC數(shù)據(jù)采集軟件.包括FX-3U系列PLC信息采集以及三菱仿真軟件程序信息采集，構(gòu)建系統(tǒng)仿真程序和自變量選定等.

FX系列可編程控制器.采用CClink網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集中和遠(yuǎn)程控制，設(shè)置各從站站號數(shù)，確定數(shù)據(jù)量鏈接方式，編寫主、從站通訊程序，分配主從站通訊地址，如圖3為主站CClink通訊程序設(shè)計流程.

圖3 主站CClink通訊設(shè)計流程

3 工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)項目設(shè)計

工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)項目采用單元化結(jié)構(gòu)方式，分為五個核心單元，具體為：總控制單元、焊接單元、數(shù)控加工單元、視覺檢測單元、裝配倉庫單元.各單元不僅可以通過總控室控制，也可單獨(dú)對單元進(jìn)行編程調(diào)控.

3.1 總控單元

總控單元作為平臺核心單元，是各程序和流程的總控制段.總控單元的組成構(gòu)建包括控制模塊、操作模塊、電源模塊、顯示終端、移動終端.其中控制模塊由兩個PLC和交換機(jī)構(gòu)成，利用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)PLC與單元IO模塊通訊，如圖4為PLC見的通信界面.操作面板提供啟停開關(guān)、故障停止鍵、自定義按鈕，由線纜連接平臺的其他電、氣控制單元.現(xiàn)實(shí)終端展示MES系統(tǒng)的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)對整個工藝流程的流程管理、信息監(jiān)控和訂單服務(wù)等功能.MES系統(tǒng)開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和硬件設(shè)備的對接，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、歸納和存儲.由系統(tǒng)內(nèi)嵌的云網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)反饋信號對系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整，確保設(shè)備運(yùn)行正常.移動終端配有遠(yuǎn)程監(jiān)控程序，利用云數(shù)據(jù)服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表化處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.

圖4 PLC通信程序編輯界面

3.2 焊接單元

焊接單元分為焊接工作臺、控制柜、輸料模塊、機(jī)械臂等.焊接單元接收到啟動信后，工件由出料倉落入帶料轉(zhuǎn)盤，將物料傳送到傳動帶末端，由機(jī)械手搬運(yùn)物料至焊接平臺.平臺夾緊裝置固定工件，PLC程序發(fā)出執(zhí)行信號，機(jī)器人動作，如圖5.工件焊接完成后，由機(jī)器人輸出信號，夾緊杠復(fù)位，轉(zhuǎn)盤驅(qū)動工具將工件復(fù)位，通過機(jī)械手將工件搬運(yùn)至下料臺，機(jī)械手下限位信號輸出，由CClink通訊站將輸出信息傳遞給主控室，搬運(yùn)機(jī)器人受到動作信號，將工件移動至數(shù)控加工單元.焊接單元中所有機(jī)械手、物料模塊和傳感器信號均由遠(yuǎn)端IO模塊通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至總控單元.

圖5 焊接機(jī)器人動作

3.3 數(shù)控加工單元

數(shù)控加工單元對零部件制定位置進(jìn)行加工.整個單元配置了FANUC 0i mate-MD系列數(shù)控機(jī)床、電氣控制柜、刀庫、數(shù)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程IO模塊.數(shù)控機(jī)床為采用典型高效銑床結(jié)構(gòu)，配置高壓液壓站和防護(hù)罩.液壓站執(zhí)行工件的加緊定位操作，包括了液壓卡盤、換向電磁閥.數(shù)控機(jī)床加工資接收到啟動信號后，防護(hù)罩打開，向主站發(fā)出信號，工件由搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)至該站臺，防護(hù)罩降落，液壓站固定工件，執(zhí)行預(yù)設(shè)的加工程序，如圖6所示.數(shù)控加工單元提供了虛擬化的刀庫設(shè)計，利用屏幕顯示模擬換刀動作和道具信息，刀庫控制信號由系統(tǒng)提供.加工完成后，夾緊裝置松開，防護(hù)罩打開至上限位，主站接收到信號將工件搬運(yùn)至視覺監(jiān)測站.數(shù)控加工單元運(yùn)用PLC和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行多項訓(xùn)練，同時加上液壓站、液壓卡盤等自動化，形成可視化的數(shù)控操作界面，有助于學(xué)員了解液壓控制工作原理.整個加工流程均通過遠(yuǎn)程IO模塊通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至總控單元.

圖6 機(jī)器人加工模塊

3.4 檢測單元

視覺檢測單元由電氣控制柜、視覺檢測系統(tǒng)、傳送帶、智能視覺、顯示器等構(gòu)成，主要對零部件識別、檢測.由數(shù)控加工站搬運(yùn)的工件經(jīng)傳送帶傳送至檢測位，智能視覺根據(jù)不同程序進(jìn)行設(shè)置，對真實(shí)產(chǎn)品與目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)形狀匹配、尺寸測量、條碼識別、顏色檢測等，如圖7所示為智能視覺機(jī)器人進(jìn)行產(chǎn)品的條碼識別.經(jīng)過識別確認(rèn)的工件通過傳輸裝置至裝配倉儲站，同時剔除不合格工件.整個檢測識別過程通過顯示器顯示，檢測程序的選擇、執(zhí)行和檢測結(jié)果通過以太網(wǎng)傳輸至PLC，控制室對后續(xù)流程做出判斷.

圖7 智能視覺機(jī)器人進(jìn)行產(chǎn)品條碼識別

3.5 裝配倉儲單元

倉儲單元由電氣控制柜、配件裝置、輸送帶、機(jī)器然、遠(yuǎn)程IO模塊等組件.送料裝置均配有傳感器用于檢測裝置上原料的條碼類型.在配料裝置裝設(shè)驅(qū)動托盤，工件傳送到位后，工業(yè)機(jī)器人退出工件，完成裝配，收回推盤，有效縮減了存儲倉位空間.實(shí)訓(xùn)中聯(lián)機(jī)調(diào)試要求完成四個合格工件循環(huán)倉儲，此時需采取循環(huán)指令進(jìn)行編程控制機(jī)器人.倉儲單元所有的傳感信號均由遠(yuǎn)程IO模塊以工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至總控單元.

圖8 機(jī)器人裝配模塊

4 平臺實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果

平臺為智能控制制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了良好的硬件和軟件支撐.計算機(jī)輔助設(shè)計實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合；工業(yè)機(jī)器人和工具虛擬化實(shí)現(xiàn)了設(shè)備端的柔性化；MES系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了信息傳輸?shù)目梢暬凸に嚵鞒痰目煽匦?；大?shù)據(jù)和云服務(wù)支撐滿足了數(shù)據(jù)傳采集、傳輸、存儲的云端化和智能化；平臺的實(shí)訓(xùn)環(huán)境復(fù)合學(xué)生自主學(xué)習(xí)、個性發(fā)展和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，在硬件搭配和電氣接線方便要求學(xué)生自測PLC以及機(jī)器人輸入/輸出信號地址，每個項目要求掌握系統(tǒng)PLC控制、監(jiān)控組態(tài)控制、機(jī)器人編程算法，強(qiáng)化對系統(tǒng)的綜合控制能力.為滿足單機(jī)和聯(lián)機(jī)控制，要求主控單元和分單元采取合理的并聯(lián)設(shè)計.實(shí)訓(xùn)室采用CClink通訊可編程控制器系統(tǒng)，學(xué)生可自行進(jìn)行綜合性技術(shù)的訓(xùn)練，包括系統(tǒng)布設(shè)和控制方案的設(shè)計等，擴(kuò)寬控制技術(shù)，對實(shí)訓(xùn)編程進(jìn)行深度研究.

從實(shí)訓(xùn)效果看，學(xué)生認(rèn)識到加工工藝和設(shè)計工藝對智能制造生產(chǎn)過程重要性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力，積極掌握新工藝、新方法.實(shí)訓(xùn)室投入使用以來，使用率達(dá)到90%以上，盡管不通過學(xué)員在學(xué)習(xí)進(jìn)度、知識掌握方面存在差異，但最終都能完成全部實(shí)訓(xùn)項目，且提高了學(xué)生的社會崗位適應(yīng)能力，為后續(xù)定崗學(xué)習(xí)和就業(yè)奠定了基礎(chǔ).

5 結(jié)語

文中開發(fā)了一套模塊化、易擴(kuò)展，操作靈活的智能制造集訓(xùn)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺.平臺集成PLC控制、測控傳感、自動控制、數(shù)控加工、智能檢測等模塊，利用工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交互，由MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝流程的可視化，接入到云服務(wù)平臺完成遠(yuǎn)程聯(lián)控.平臺以自動機(jī)器人項目為例，分析了工業(yè)機(jī)器人總控制單元、焊接站單元、數(shù)控加工單元、視覺檢測單元、裝配倉庫單元、具體功能模塊，有助于讓學(xué)生全方位認(rèn)識智能制造工業(yè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生機(jī)電一體化技術(shù)的全面應(yīng)用、開發(fā)和集成，達(dá)到機(jī)電一體化認(rèn)知、設(shè)計、調(diào)試和維修能力的綜合提升.