传动轴零件的智能制造系统设计
2022-01-22高兴宇张宇萌
刘 甲，高兴宇，张宇萌
（桂林电子科技大学 广西制造系统与先进制造技术重点实验室，广西 桂林 541004）
0 引言
随着“中国智造2025”战略的逐步实施[1]，仿真技术与信息化技术不断地融合，制造业开始探索向智能制造升级与转型。然而，企业在实施智能制造实践的过程中，由于客户对产品需求的多样性增加以及长篇更新迭代的速度加快，企业面临着开发周期长，交付时间短,改造费用高昂，试错成本较大等问题。
制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是一套面向制造业企业执行层的生产信息化管理系统，它处于企业车间的中间层，是连接企业决策层和设备控制层的枢纽[2]。MES可以为企业提供包括制造过程数据管理、生产、计划、生产调度管理、质量管理、库存管理、人力资源管理、采购管理、看板管理、成本管理、生产过程控制、上层数据集成管理模块，底层数据集成分析模块，是企业走向智能化的强有力手段。
本文以某轴类零件生产线为研究对象，使用VUP、西门子PLC和Robotstudio软件对生产线进行全方位的控制编程，设计了虚拟仿真生产线，最后设计开发了一套适用的MES系统，使同类企业向实时化、柔性化、智能化的升级提供了前瞻性的借鉴意义。
1 零件加工工艺流程设计
轴类零件的加工表面主要是外圆表面以及常见的特形表面，因此应该针对各种精度等级和表面粗糙度要求，选择最合适的加工方法。由于轴类零件因阶梯轴的尺寸不同，所加工的阶梯轴种类众多，因此选用一种代表性的阶梯轴作为加工对象进行研究，某阶梯轴的二维图如图1所示。
图1 阶梯轴二维图
原先流程主要由人工进行作业，工作耗时较长，信息记录不便。为了适应期智能制造，设计的该零件的加工流程为：首先进行订单下达，然后由AGV（Automated Guided Vehicle）小车取料，使用立体仓库气动夹抓取件，取料后AGV小车返回，再由机械臂上料至环形输送线上，环形输送线先后输送至数控车床和数控铣床，由机械臂将工件从环形输送带放置到指定加工位置，加工完成后机械臂下料送至检测单元检测工件是否合格，合格产品入库，不合格产品剔除。流程如图2所示。
图2 零件加工流程图
2 智能制造系统组成
2.1 硬件组成
根据图2零件加工流程图，该轴类零件智能制造单元的硬件部分主要由一台数控车床、一台加工中心、三台ABB IRB7600-325-310六自由度工业机器人、一个AGV小车、一套立体仓库、一套环形输送线、一套直线传送带、电子看板、总控制台、相机、镜头、气动夹具、加工工件、计算机等组成。利用Solidworks软件建立了智能制造单元的三维模型如图3所示。
图3 SolidWorks渲染系统图
2.2 软件组成
软件部分主要是涉及到制造单元的虚拟系统和生产线MES系统的设计。
2.2.1 制造单元的虚拟系统
该生产线的虚拟系统是对物理系统的实时映射[3]，所以虚拟系统的高精度的仿真不仅是自动化的基石，也为智能化赋能[4]。应用Solidworks软件绘制出制造单元的模型，智能制造单元虚拟控制需通过VUP等软件进设计，系统设计步骤为：
（1）将建立好的高精度三维模型另存为3DXML格式导入到IRAI公司的VUP软件中，选用自动计算比例因子；
（2）通过西门子PLC1200软件进行整个生产线的控制和信号发送与接收，包括气动夹爪的工作以及环形输送线的电机控制，还有检测单元的直线传送带的控制和检测气缸的控制；
（3）利用RobotStudio软件进行机械手IRB1200的编程控制和仿真；
（4）利用它们与VUP通信（即MES系统通过TCP/IP协议连接PLC，然后PLC通过PLC SIM连接VUP，Robotstudio再通过ABB Gateway智能网关连接VUP），最后完成VUP整个智能制造生产线的控制运动仿真。机器人主要任务在智能制造单元中仿真内容见表1。
表1 机器人子程序
该智能制造系统的虚拟系统如图4所示。
图4 系统仿真图
2.2.2 MES系统设计与开发
（1）系统总体设计
该MES系统应用B/S（Browser/Server）架构，使用Web前端可进行数据的录入与读取[5]，使用OPC（OLE for Process Control）中间层进行生产线的数据采集。MES系统采用SSM（Spring + Spring MVC + MyBatis）技术框架，编程语言使用用JavaScript，从上到下分为展现层、业务逻辑层、数据存贮层[6]。展现层采用主流的MVC（Model-View-Controller）界面架构利用Layui设计前端界面。业务逻辑层采用Springboot框架集成，采用MySQL数据库，便于生产线的数据集中管理，实现了底层各个设备数据的管理和MES系统的数据交互，大大地避免了生产线成为信息化的孤立地带[7]。图5为MES系统模块的总体架构设计图。
图5 MES系统总体架构
（2）系统模块设计
MES系统主要分为系统管理、计划调度、生产计划、物料管理、质量管理等功能模块。
系统管理。该模块主要是来设置工作人员的权限，同时能够查阅登录系统的工作人员的信息功能，由日志查询、用户管理、角色管理三个模块界面构成。
计划调度。是用来接收生产计划进行排产，选择生产工艺和产品信息（颜色、外观、数量等）生成作业任务书，作业任务书进行审核之后下达控制系统进行生产。是对生产调度的计划、实施、检查、总结活动的管理，其中包含产品资料，加工单等可对工单进行撤销，暂停等操作，支持打印订单功能。
生产计划。该模块主要是用来管理工序流程和加工工单状态，能够显示计划加工信息、完成信息和未完成信息的状态。由整机产量，生产计划量和排产订单，次品率等模块组成。
物料管理。该模块能够实现在对原材料的出入库管理；保证生产所需的物料正常及时供给，同时能够获取在制品的加工位置状态信息。使用该模板能保证完成顾客的产品需求时，尽可能降低库存，使企业在生产过程中更加高效。
质量管理。其是在产品生产过程中，采集每个环节的质量数据，实时监控每个环节的生产质量，形成产品质量档案并进行存档。对加工过程产生的质量问题能及时发现、处理、反馈，从而减少浪费。
建立的MES系统设计界面及基于该系统的运行的生产计划如图6所示。
图6 MES系统界面及其生产计划实例
3 总结
智能制造是“中国制造2025”战略的重要发展方向，也是企业发展的必由之路。MES系统是企业信息化建设的核心，是加强企业管理的强有力手段，面对智能化生产线的需求。本文根据某轴类生产线现状设计一套轴类零件智能制造生产线，并且运用了西门子PLC1200和Robotstudio软件进行了生产线的输送单元及自动上下料单元等的控制编程，同时又与VUP软件进行实时同步仿真，最后设计构建了一套基于B/S架构的MES系统，该系统已在桂林某企业成功应用，企业由此实现了信息化管理，节省了企业转型的开发成本与时间，满足了企业快速的升级，避免了大量的反复与试制，为同类企业提供了一定的借鉴意义。
