一套柔性加工制造系统的设计

2013-10-14顾荣文西芹

机械制造与自动化 2013年6期

顾荣，文西芹

（1.江苏科技大学工程训练中心，江苏镇江212000;2.淮海工学院工程训练中心，江苏连云港 222005）

0 前言

近几年，随着中央财政和地方财政的大量投入，各高等工科院校工程训练中心的实践教学基础设施普遍得到提升。但是这种提升存在着一些不容忽视的问题，如从整体环境上看，目前有的训练中心其训练环境愈来愈像理科的实验室，没有体现训练中心的实践教学环境突出现场、突出训练、突出实践、突出一线，突出基层的特点;从局部来看，如在数控技术发展中，出现数控设备数量过多，单台设备档次过高，但由于时数的限制，在教学运行中大多停留在演示阶段，学生的工程实践能力得不到相应的提高，更谈不上对现代企业的生产模式和组织形式的了解。同时，这种以单机训练和工艺方法训练为主的训练方式难以适应社会对大学生工程实践能力的要求，须逐渐向以工程项目驱动的训练方式转变。

柔性加工制造系统集成了当前工业设计、生产和控制的多项主流和核心技术，已成为现代制造企业的先进制造模式。大学生对此应该有所接触，有所感知，有所实践，有所深入［1］。由于系统采用工业化的元器件，贴近工业化的现场环境，可以使学生全面认识工业生产现场设备的组织形式和生产方式。同时由于该系统模块化集成的特点，在实际教学应用中，每个模块既可以单独运行，方便学生入门学习和训练;又可部分/整体联机运行，对学生进行深层次的应用学习和培训，可以使学生学习从简单到复杂、由浅入深、循序渐进。

1 系统设计原则与要求

1.1 系统设计原则

依据当前主流成熟技术、主流成熟装备及学校现有的资源（设备和软件）进行技术和系统集成，在确保每个组成单元稳定可靠的基础上、考虑技术的先进性和可行性，有机的将各个单元集成为具有一定创新性、先进性和实用性的数字化柔性加工制造系统。

系统尽可能的贴近于工业化且又立足于教学，充分考虑学生的参与性，做到教学与工业的无缝对接。

1.2 系统设计要求

1）集成度高:在该套系统中，通过工业现场总线形式的网络通讯手段将系统中的所有单机设备进行高度、高效的集成。采用符合国家和国际标准和行规的ProfiBus－DP工业现场总线，将系统中的物流装备和加工装备有效地整合为一个具有极强实际操作能力、加工能力和二次开发能力的全自动生产加工系统。

2）高度开放性:可以在最大程度上为客户开放，可以和工业上众多装备进行接口，进行系统集成。软件系统由于采用开放式源代码和通用软件开发平台，用户可以以本文提供的代码为蓝本，进行深入层次的软件系统二次开发，以便于开发出适合用户需求的系统调度程序和单机运行程序，极大地方便了老师和同学课题研究工作。

3）先进性:系统集成目前自动化工业的数字化设计与管理、以网络通讯主线的系统通讯、工业级的主流物流传输系统、RFID射频系统、Zigbee物联网数据传输的可追溯性管理等先进技术。

4）模块化:系统中的单个加工执行单元、物流传输线、机器人、立体仓储、检测设备等具有“联机/单机”两种操作模式。所有的单元设备均可进行单项教学和部分系统联机教学。

5）工业化:系统虽为实验室教学系统，但所有单元设备乃至整个系统都采用了标准工业级的装备和技术集成，尽可能地贴近工业化教学和工业模式的体现。

6）多层网络结构:系统体现了现代柔性集成制造系统中的物流及生产信息流的交汇关联过程，同时也体现了数字化设计与生产紧密关联。因此系统由管理层、控制执行首端和末端、数据传输网络等多层网络结构。

2 系统组成

整系统有数字化设计分系统、加工制造分系统、检测装配分系统、生产物流分流系统和信息管理等5个分系统构成，为一个自动化集成应用组合系统。包含有设计单元、加工制造单元、检测单元、装配单元、码垛单元、物流单元、智能化立体仓库单元、系统中央控制单元等多个组成单元。系统具有可进行小批量多品种柔性加工、无人值守加工生产能力等，采用数字化系统管理模式，每一台设备均采用网络型对外联接，由服务器统一管理生产过程当中的各种数字联接任务，具有现代化柔性制造加工系统的特征，能充分展现在复合型生产中进行数字化管理生产的各个环节。图1所示为系统布置图，图2所示为系统结构图。

图1 系统布置图

图2 系统结构图

1）设计子系统（图3）:该子系统是一个产品设计、产品仿真、工艺编制软件平台，具有多文档、多环境的特点;包括设计软件（三维CAD、协同管理软件、工艺图表、网络DNC等）、工艺管理，工艺路线管理，产品数据管理与维护，并能提供标准、规范的符合要求的工艺模板、工艺资源知识。

图3 设计子系统

2）制造子系统（图4）:数控车床、立式三轴加工中心、高速雕铣机、激光内雕机、自动装配单元、及相关MES软件组成，所有机床经网络（DNC）软件进行联网，主要负责对零部件的加工、装配、整合、搬运等工作，可同时完成对多种零件加工、装配，制造执行系统中所有加工步骤均由MES软件进行分配。

图4 制造子系统

3）生产物流子系统（图5）:由立体仓库、倍速链传输线、物料工装板、物料升降机、RFID工位信息识别器、工位信息显示器、物流相关软件）组成，主要负责对整个系统中的物料进行存储、运输、信息采集与显示。传输物料均通过统一工装板进行运输，每一个工装板安装一个（RFID）电子标签，运输与传送时工位识别器对（RFID）进行识别，同时调取（ERP）软件数据库即分辨出该工装板上的物品信息。

图5 生产物流子系统

4）品质检测子系统:采用五轴数控光学三维扫描系统对加工零部件进行在线检测，检测数据输入到（ERP）软件的质检模块，由（ERP）软件根据生产信息设置分析该产品的品质信息，每一批次产品的品质百分比在系统中自动统计，检测项目由工业显示终端显示在该工位上，检测人员按显示终端所显示内容与操作方法对不同零部件进行检测，检测参数由人工记录到信息终端。

5）信息管理子系统（图6）:由中央控制单元、监控系统（含高清网络摄像头、网络硬盘录像机及视频监控器、电子看板等）、信息管理软件系统、ERP软件（包含采购、销售、仓储、生产、需求等主要模块）等，为整个系统的监控和管理平台。

图6 信息管理子系统

3 在工程实践教学中的应用

本系统既能完成认知型和综合型实验实训，又能完成开发设计型实验实训，还能实现学生现场动手操作和网络计算机同步观测与分析相结合;对样件具有全程演示及生产能力;系统应具有全自动控制功能，能充分展示现代工业中进行数字化管理生产的各个环节;系统具有单机独立控制、独立运行功能;系统应具有启停控制、动态作业计划调度、库存资源动态显示、系统故障诊断与处理;工件位置动态显示等功能。图7－图11为工程实践教学中的应用。