数控智能制造单元的改造方案设计

◎梁树戈

一、前言

近几年，随着“德国工业4.0”，“中国制造2025”等新概念的提出，新一轮科技革命已经引发了新一轮的产业革命，标志着现代制造业进入智能制造的时代，这是一次巨大的产业革命，错过了工业4.0也就错过了这个时代。在粤港澳大湾区，传统的制造业也开始转型升级，许多传统的机械制造企业也纷纷耗资引进智能制造的加工设备和先进的制造技术，同时也催生了智能制造技术人才短缺的问题。为了顺应时代的发展和迎合企业对高技能人才的需求，许多职业院校数控技术应用专业面向装备制造、机械加工、智能制造产业增设了智能制造技术的专业方向。

职业院校要培养智能制造技术人才，必须要有和智能制造企业生产相匹配的实训设备。特别是珠三角发达地区的职业院校，数控专业的实训设备数量和生均设备值都逐年上升，很多学校的实训车间堆满了数控车床，加工中心等设备，设备的使用率低、闲置率高，如果再另外购置智能制造单元，很多学校将没有多余的场室放置，也造成资源的浪费。如何破解以上难题，笔者主持了学校数控专业实训场室改造的方案，根据企业生产的实际情况，利用学校原有的数控车床和加工中心等设备设计改造成为小型生产型智能制造单元。

二、智能制造单元设计的思路

小型生产型智能制造单元，以“物联网+制造”为主题，生产企业智能工厂改造实践为实施参考，以产品多样化定制小批量生产为目的的工业生产型智能制造生产线系统。机床及智能制造单元是现代主流的先进自动化制造单元，采用工业+教育+新模式的概念，由多个柔性加工单元组成，能够根据作业任务要求和现场环境变化迅速进行重组和调配，以适应多品种、中小批量的的生产作业。它包括自动搬运系统、数控加工系统和仓储系统等部分。系统由1套智能制造管理软件系统、1台四轴加工中心、1台工业级工业机器人、1台车铣复合机床、1套立体仓库及附件为主体组成智能自动化数控加工生产线，应用了互联网、物联网信息化技术、先进控制技术、高性能制造设备、高速数据采集系统和智能化检测单元，涵盖订单获取、产品加工、产品检测及物流仓储的生产阶段，以多轴数控加工为核心，将数控加工、工业机器人应用、光电传感技术、PLC控制、气动与控制、交流伺服控制、机电一体化传动、智能制造MES管理软件技术等知识内容紧密结合，融合到每一个模块的学习以及实验当中。学生可参与多个工位的实践教学，掌握实现工业4.0智能制造中多轴数控加工和工业机器人应用等软硬件软件应用等一些关键基础技术，了解基于物联网的工业4.0的智能制造的流程和先进制造技术。在教学应用中，可以让学生从整体角度掌握智能制造机电一体化设备的应用和综合集成技术。

图1：智能制造单元效果图

三、智能制造单元的改造方案

1.在现有实训楼进行测量环境后进行改造，以下为根据实际场地改造布局图。一套智能制造单元的总占地面积大约45平方米，围栏的长度为9.2米，宽度5.2米。主要设备有1台四轴加工中心、1台工业机器人、1台车铣复合车床、1套立体仓库系统。2.机器人系统参数及功能。

图2：智能制造单元改造布局图

图3：机器人系统参数

图4：机器人上下料流程

3.机器人自动夹爪系统设计及功能。

根据零件的尺寸及夹持的负重设计卡爪，每套卡爪可调整的夹持直径为10mm。

图5：机器人气动卡爪的功能

4.加工中心夹具设计及功能。

机器人把工件放置在三爪卡盘上，液压卡盘收缩或张开将工件夹紧，完成装夹。

图6：加工中心液压三抓自动卡盘

5.传送机构-地轨设计。

机器人在地上水平移动的轨道，使机器人的运动范围更广。地轨为非标设计，可以是直线型、圆环形或其他形状，本方案根据两台机床自动防护门的方向设计成直线型。

图7：地轨设计效果图

6.立体仓库系统。

考虑到示范教学的需要，料仓要用于加工零件的存放，满足机器人及人工上下料的要求，共含有8个仓储位，四个仓储位配置相应工件的料架，另外四个仓储位预留好安装物架的位置，料架更换便利，人工上料与机器人上下料实现分离式上下料，保证操作安全。

图8：立体仓库系统效果图

7.其他辅助配置。

安全防护栏是为了保证操作人员人身安全，机械在自动化生产过程中是不允许有人进去的。若是自动化过程中出现问题需技术人员进入查看，在防护栏入口门处按下急停按钮，便自动化程序停止，所有设备停止工作，装配监控系统可实时监控设备工作情况。安全围栏采用方管与铁网丝焊接而成，配置插销锁，安全门锁，可将生产人员及机械设备隔离起来，在生产过程中起到保护作用，降低事故风险。围栏高度为2m米。安全防护栏外侧两边安装自动化看板，展示自动生产单元的安全操作规范，自动化线的布局等自动化相关信息。

金属切削过程中不可避免的伴随着刀具磨损甚至破损的现象，在传统的切削加工过程中，加工者一般通过切削声音、刀具表面颜色或切屑状态来判断更换刀具的时机，然而这种判断是建立在主观经验基础上的，有时会由于更换刀具不及时，影响工件的加工表面质量和尺寸精度，严重时甚至会造成工件的损坏和机床故障；有时也会由于刀具更换过早，增加了刀具更换频率，造成生产成本的提高和生产效率的下降。本方案使用接触式的检测方法，可以快速准确判断出断刀，并且通过系统软件控制，使机床产生相应的报警信息，终止机床程序运行，对产品质量提供良好的保障。

图9：安全护栏效果图

8.加工中心和车铣复合机床的自动化改造。

加工中心和车铣复合机床原有的防护门是手动关闭，必须要进行自动化改造，满足机器人上下料的使用要求。通过增加自动门装置，配置相应的开关门感应信号，增加系统plc控制软件逻辑功能模块以满足自动门控制及与机器人配合上下料的动作要求。增加机器人I/O接头单元，提供机器人系统与车床系统的通信。软体功能包含：（1）M代码的处理，及相关M代码的完成逻辑；（2）机床请求更换条件逻辑；（3）机器人与机床相关交互信号处理；（4）机床功能部件控制逻辑；（5）机床相关报警信息。

四、智能制造单元的教学应用及后期规划

1.可开设的教学实训课程。

面向数控技术应用专业的智能制造方向、工业机器人应用与维护、机电技术应用等专业开设《数控系统编程与操作》、《多轴数控加工技术实训》、《机器人基础实训》、《机器人安装、调试与维护实训》、《传感器、伺服电机控制、气动控制技术实训》、《PLC编程控制实训》、《实时交互式虚拟仿真实训》等智能制造课程。

2.后期规划。

现代转备制造企业的生产是将多套设备通过工业互联网串联起来，打造成为一个闭环的智能制造生产线。当多套智能制造单元完成改造，职业院校可以建设智能制造专业群数字孪生教学工厂，打造工业互联中心，建设配套智能制造单元的软件实训室和技能竞赛的平台，解决教学工位不足的问题，满足智能制造技能竞赛的需求。