在整個(gè)自動化(huà)生産線中，其具體組成所包括的(de)内容共有13個(gè)部分(fēn)，主要爲各個(gè)功能站點、不同功能模塊、傳感器、電磁閥及進出口接口等相關内容。其中，功能站點主要包括工料站、加工站、裝配站與搬運站、成品分(fēn)揀站；在各種不同模塊中，共包括5種類型，分(fēn)别爲變頻(pín)器模塊、電源模塊、PLC模塊與按鈕模塊、電機驅動模塊。在對(duì)這(zhè)些部分(fēn)進行集成的(de)基礎上，自動化(huà)生産線不但能夠實現上下(xià)料及加工，同時(shí)還(hái)能夠完成裝配、分(fēn)揀以及輸送等相關内容。

智能車床及車削中心作爲單機産品，能夠滿足一般小型簡單零件的(de)生産制造，然而随著(zhe)工業生産模式向自動化(huà)和(hé)柔性化(huà)轉型升級，傳統的(de)流水(shuǐ)線作業已經無法滿足現有高(gāo)精度、高(gāo)效率、高(gāo)柔性的(de)生産要求，因此，基于智能機器人(rén)和(hé)智能車床、智能車削中心發展起來(lái)的(de)智能車削生産線，将會成爲生産自動化(huà)的(de)主要發展方向。智能車削生産線涉及生産線總控、質量檢測、搬運機器人(rén)、加工機床、物(wù)流運輸線、生産管理(lǐ)和(hé)成品倉儲等設備，每一台設備都是智能車削生産線中的(de)重要組成部分(fēn)。由多(duō)條智能生産線，通(tōng)過進一步的(de)系統集成，将能夠形成數字化(huà)車間和(hé)數字化(huà)工廠，實現整個(gè)工廠的(de)自動化(huà)和(hé)智能化(huà)。

圖1所示是一條典型的(de)智能車削生産線，主要完成零件從毛坯到成品的(de)混線自動加工生産。車削生産線由産線總控系統、在線檢測單元、工業機器人(rén)單元、加工機床單元、毛坯倉儲單元、成品倉儲單元和(hé)RGV小車物(wù)流單元組成，加工設備采用(yòng)陝西寶雞機床集團有限公司生産的(de)CK系列智能機床，該機床裝載了(le)寶雞B80智能數控系統。

圖1 智能車削生産線[1]

圖2所示爲陝西寶雞機床集團有限公司設計的(de)典型總控系統，由室内終端和(hé)現場(chǎng)終端兩部分(fēn)組成。室内終端配備多(duō)台顯示器及數據庫，數據庫負責接收整個(gè)生産車間傳輸過來(lái)的(de)制造生産大(dà)數據，顯示器用(yòng)于用(yòng)戶車間現場(chǎng)各項狀态的(de)顯示，包括設備運行狀态、零件加工狀态、物(wù)流情況、人(rén)員(yuán)狀況以及用(yòng)戶車間現場(chǎng)溫度、濕度等環境信息，高(gāo)層管理(lǐ)人(rén)員(yuán)在室内終端可(kě)以非常方便、直觀清晰地查看現場(chǎng)的(de)各項狀況。在用(yòng)戶生産車間中，配備現場(chǎng)終端，用(yòng)于控制整個(gè)生産線的(de)現場(chǎng)運行，完成設備基礎數據的(de)采集、分(fēn)析、本地和(hé)遠(yuǎn)程管理(lǐ)、動态信息可(kě)視化(huà)等操作。現場(chǎng)終端配備顯示器，通(tōng)過顯示器可(kě)以清晰方便地查看用(yòng)戶車間的(de)各項狀态，包括設備監控、生産統計、故障統計、設備分(fēn)布、報警分(fēn)析、工藝知識庫等。現場(chǎng)終端可(kě)以添加生産管理(lǐ)看闆、實現加工程序的(de)上傳下(xià)載、人(rén)員(yuán)刷卡身份識别以及生産任務的(de)進度統計與分(fēn)析等功能，可(kě)以通(tōng)過有線、Wi-Fi、2G/3G/4G/5G等多(duō)種接入方式進行現場(chǎng)數據的(de)采集與傳輸，搜集到的(de)相關制造大(dà)數據可(kě)通(tōng)過互聯網傳輸到用(yòng)戶室内終端的(de)SQLServer數據庫中，通(tōng)過終端計算(suàn)機與室内終端進行數據交互。

圖2 總控系統[2]

圖3所示是典型的(de)在線檢測單元，由工業機器人(rén)、末端執行器和(hé)多(duō)源傳感器等組成。物(wù)流系統将成品運輸到指定位置之後，工業機器人(rén)将整個(gè)檢測單元移動到指定工位上，通(tōng)過視覺相機對(duì)待檢測零件進行拍(pāi)照(zhào)識别和(hé)定位，工業機器人(rén)再次調整自身位置，使整個(gè)檢測單元對(duì)準待檢測部位。

圖3 在線檢測單元

其中，識别與定位完成之後，由末端執行器負責待檢測零件的(de)抓取，通(tōng)過工業機器人(rén)将零件轉移到檢測台上的(de)指定位置，由檢測台上預先配備的(de)多(duō)源傳感器對(duì)待檢測零件的(de)孔徑、窩深、曲率、粗糙度、齊平度等精度指标進行在線檢測，也(yě)可(kě)以通(tōng)過智能算(suàn)法對(duì)零件進行自動測量和(hé)自動分(fēn)類，将不同類型的(de)零部件轉移到不同的(de)物(wù)流線上，完成零件的(de)自動分(fēn)類操作。檢測單元通(tōng)過互聯網可(kě)以将檢測結果返回給總控系統，操作人(rén)員(yuán)通(tōng)過室内總控系統或者現場(chǎng)總控系統的(de)終端電腦(nǎo)和(hé)顯示器可(kě)以直接觀看到零件的(de)檢測結果，符合檢測要求的(de)，直接進行下(xià)一工位操作，不符合要求的(de)，在顯示器上顯示不合格提醒，由操作人(rén)根據零件的(de)不合格程度進行判定與決策。在檢測完成之後，末端執行器抓取已檢測零件，工業機器人(rén)将已檢測零件轉移到物(wù)流系統上，由物(wù)流系統運送到下(xià)一工位進行處理(lǐ)。

圖4所示是陝西寶雞機床集團有限公司設計制造的(de)加工模塊，由工業機器人(rén)和(hé)車削機床兩部分(fēn)組成。其中，工業機器人(rén)負責待加工零件的(de)移動和(hé)抓取，車削機床爲智能機床，能夠保證高(gāo)精度和(hé)加工效率。

圖4 加工模塊

物(wù)流配送系統将毛坯零件或者半成品零件運輸到指定工位之後，由工業機器人(rén)抓取毛坯零件或者半成品零件，将其放入智能車削機床中，輔助機床完成待加工零件的(de)裝夾工作。對(duì)于雙工位車削機床，在其中一台智能車床完成車削工作之後，由工業機器人(rén)将半成品零件轉移到另外—台智能車床中完成下(xià)一工位的(de)加工。待所有的(de)加工工作完成之後，由工業機器人(rén)将成品零件抓取轉移到物(wù)流系統中，由物(wù)流系統将零件轉移到下(xià)一工位。

車削機床配備了(le)智能健康保障功能、熱(rè)溫度補償功能、智能斷刀(dāo)檢測功能、智能工藝參數優化(huà)功能、專家診斷功能、主軸動平衡分(fēn)析和(hé)智能健康管理(lǐ)功能、主軸振動主動避讓功能和(hé)智能雲管家功能[3]。智能機床的(de)主要作用(yòng)是與工業機器人(rén)配合完成不同階段的(de)加工生産任務，同時(shí)保證零件加工生産的(de)效率和(hé)精度。用(yòng)戶可(kě)以根據生産車間需要，将智能機床更換爲不同檔次的(de)機床，如高(gāo)速車削機床、精密車削機床和(hé)加工中心等，也(yě)可(kě)以根據自身需要增加或減少相應的(de)智能化(huà)功能，以組成最适合企業生産需求的(de)車削生産線。

圖5所示是陝西寶雞機床集團有限公司設計和(hé)生産的(de)典型物(wù)流單元，由工業機器人(rén)、末端執行器、RGV小車、零件托運工裝和(hé)行走軌道組成，主要實現機床加工零件的(de)轉移運輸工作。在用(yòng)戶車間中，根據生産任務的(de)需求，智能生産線可(kě)以選擇配備單條或者多(duō)條物(wù)流生産線。機床較少或者加工任務較爲簡單的(de)智能車削生産線，可(kě)以采用(yòng)單物(wù)流線模式，完成上料、轉移和(hé)下(xià)料等操作；機床任務較多(duō)或者加工任務較爲複雜(zá)的(de)情況，爲了(le)避免物(wù)流系統的(de)任務繁雜(zá)和(hé)沖突，可(kě)以配備兩條或者多(duō)條物(wù)流線，一條用(yòng)于毛坯零件或者半成品零件的(de)上料，—條用(yòng)于中間過程的(de)轉運，—條用(yòng)于成品零件的(de)下(xià)料。對(duì)于加工場(chǎng)景較爲簡單的(de)智能車削生産線，工業機器人(rén)可(kě)以固定不動，即可(kě)完成零件的(de)裝夾和(hé)取放；對(duì)于較爲複雜(zá)的(de)智能車削生産線，可(kě)以再單獨配備移動機器人(rén)，在行走軌道上進行零件的(de)分(fēn)配、抓取和(hé)釋放工作。各工位之間的(de)零件轉移由RGV小車完成，通(tōng)過自動編程，RGV小車能夠在指定時(shí)間内準确無誤地到達預定的(de)位置，以保證工業機器人(rén)能夠順利識别并抓取零件。RGV小車上配備零件托運工裝，用(yòng)戶車間可(kě)以根據加工零件的(de)大(dà)小及尺寸，配備不同的(de)工裝，待工裝各位置已裝滿足夠的(de)毛坯零件或者成品零件後，RGV小車運行，完成相應的(de)上料、轉運和(hé)下(xià)料工作。

圖5 物(wù)流單元圖6成品倉儲單元

圖6所示是陝西寶雞機床集團有限公司設計和(hé)生産的(de)典型成品倉儲單元，由倉儲櫃、工業機器人(rén)、末端執行器、行走軌道組成。零件在完成加工之後，由RGV小車将成品零件轉運到下(xià)料區(qū)，工業機器人(rén)移動到下(xià)料區(qū)，末端執行器根據成品零件編号，将成品零件進行抓取，再由工業機器人(rén)将成品零件轉移到倉儲櫃的(de)指定位置。末端執行器需要各用(yòng)戶單位根據加工零件的(de)形狀、尺寸進行特殊設計，以滿足不同零件的(de)抓取工作。倉儲櫃由大(dà)小相同的(de)獨立小櫃構成，各小櫃之間可(kě)以快(kuài)速地拼接和(hé)拆分(fēn)。對(duì)于固定式工業機器人(rén)，用(yòng)戶車間應當根據工業機器人(rén)的(de)最大(dà)工作高(gāo)度和(hé)最大(dà)工作範圍，自行調整設計倉儲櫃長(cháng)度和(hé)高(gāo)度。配備行走軌道的(de)工業機器人(rén)，成品倉儲櫃可(kě)以設計得(de)相對(duì)長(cháng)一些。機器人(rén)通(tōng)過行走軌道，能夠增加工作覆蓋範圍，行走軌道可(kě)以根據需求，設置爲直線形或者環形。對(duì)于有多(duō)個(gè)倉儲櫃的(de)用(yòng)戶車間，或者有不同零件分(fēn)類的(de)成品倉儲櫃，用(yòng)戶單位也(yě)可(kě)以調整行走軌道的(de)長(cháng)度和(hé)形狀，如環形軌道就能使一台機器人(rén)對(duì)應多(duō)個(gè)成品倉儲櫃，實現—台機器人(rén)多(duō)服務，提高(gāo)機器人(rén)利用(yòng)率。成品物(wù)流倉儲櫃數量較多(duō)的(de)時(shí)候，應當增加行走軌道的(de)長(cháng)度，或者配備兩個(gè)及以上的(de)工業機器人(rén)以保證物(wù)流的(de)效率。需要注意的(de)是，行走軌道長(cháng)度設計要考慮機器人(rén)的(de)行走時(shí)間，不能設計得(de)過長(cháng)，如果機器人(rén)行走時(shí)間過長(cháng)，則可(kě)能導緻物(wù)流配送效率低，造成成品零件在下(xià)料區(qū)出現堆積，産生零件碰撞等意外，這(zhè)樣反倒增加了(le)生産風險，同時(shí)也(yě)降低了(le)工作效率。

人(rén)工智能與計算(suàn)機技術的(de)結合，極大(dà)地推動了(le)數控系統的(de)智能化(huà)程度，主要體現在數控系統中的(de)各個(gè)方面：

制造過程中，機床控制器的(de)控制層級可(kě)以劃分(fēn)爲圖7所示的(de)3個(gè)層級，包括電機控制層級、過程控制層級和(hé)監督控制層級。其中，電機控制層級可(kě)以通(tōng)過光(guāng)栅、脈沖編碼器等機床檢測設備實現機床的(de)位置和(hé)速度監控；過程控制層級主要包括對(duì)加工過程中的(de)切削力、切削熱(rè)、刀(dāo)具磨損等進行監控，并對(duì)加工過程參數做(zuò)出調整；監督控制層級是将加工産品的(de)尺寸精度、表面粗糙度等參數作爲控制目标，以提高(gāo)産品的(de)加工質量。

◉ 智能控制策略研究：在神經網絡控制加工領域，專家提出了(le)一種粒子群驅動的(de)魚群搜索算(suàn)法，用(yòng)來(lái)優化(huà)數控機床加工參數。神經網絡需要進行過程叠代、收斂受網絡複雜(zá)度的(de)影(yǐng)響要花費一定時(shí)間的(de)問題，爲了(le)解決這(zhè)一問題，提出了(le)基于神經網絡和(hé)遺傳算(suàn)法的(de)混合方法以減少神經網絡的(de)計算(suàn)複雜(zá)度和(hé)時(shí)間消耗，并對(duì)平面加工的(de)特征識别進行模拟實驗，證明(míng)其可(kě)行性。有人(rén)提出了(le)一種基于遺傳算(suàn)法，适用(yòng)于求解細小的(de)切削力預測模型，該模型可(kě)以實現對(duì)切削力的(de)預測和(hé)對(duì)切削參數的(de)優化(huà)。

在智能化(huà)控制下(xià)，自動化(huà)系統能夠主動對(duì)故障進行檢修，因爲自動化(huà)系統在應用(yòng)過程當中能夠很好地将所有的(de)機器通(tōng)過計算(suàn)機語言聯系在一起，并産生一個(gè)具有聯動性的(de)處理(lǐ)系統。根據采用(yòng)的(de)傳感器、控制方法和(hé)控制目标的(de)不同，對(duì)加工過程監控的(de)研究主要集中在以下(xià)幾個(gè)方面：

①通(tōng)過對(duì)刀(dāo)具磨損的(de)研究，實現加工狀态監控；

②通(tōng)過對(duì)測力儀或測量電機電流等間接方式獲得(de)的(de)切削力的(de)研究，對(duì)加工過程狀态進行改進；

③CAM領域的(de)離線參數優化(huà)研究；

④智能加工控制算(suàn)法仿真研究等。

智能制造是面向産品全生命周期，實現泛在感知條件下(xià)的(de)信息化(huà)制造。數據和(hé)信息是智能制造中流動著(zhe)的(de)“血液”，數字化(huà)将數據轉變成信息，通(tōng)過網絡化(huà)和(hé)智能化(huà)決策創造出有用(yòng)的(de)價值，因此，智能産品制造都是由數據驅動的(de)。産品全生命周期建檔分(fēn)爲4個(gè)階段。

①部件生産階段：采購(gòu)環節數據、生産環節數據、測試入庫記錄；

②配套産品入庫階段：配套産品入庫檢測記錄、配套産品采購(gòu)訂單信息；

③機床整機調試階段：機床制造過程數據、機床出廠測試調機數據、機床出廠記錄；

④機床交機階段：用(yòng)戶開機、調機數據記錄、自主維修、—鍵報修、用(yòng)戶維修記錄、用(yòng)戶使用(yòng)過程數據。

數控機床全生命周期管理(lǐ)服務平台應用(yòng)物(wù)聯網、雲服務、大(dà)數據等關鍵技術，采集數控機床從設計、加工到機床整機調試，用(yòng)戶交機使用(yòng)等全生命周期數據，建立機床檔案數據庫，進行全生命周期信息追溯，爲用(yòng)戶提供遠(yuǎn)程設備監控、生産統計管理(lǐ)、設備運行維護等服務。圖8所示爲陝西寶雞機床集團有限公司的(de)寶雞雲（BOCHICLOUD）技術架構。寶雞雲的(de)核心亮點是其運維服務功能：

圖8 BOCHICLUD技術架構[4]

随著(zhe)集成控制系統技術的(de)快(kuài)速發展，自動化(huà)生産線向著(zhe)更高(gāo)的(de)自動化(huà)和(hé)集成化(huà)方向發展。生産線集成控制是通(tōng)過某種網絡将其中需要連接的(de)智能設備進行組網，使之成爲一個(gè)整體，使其内部信息實現集成及交互進而達到控制目的(de)。生産線集成控制的(de)種類有設備集成和(hé)信息集成兩種。設備集成是通(tōng)過網絡将各種具有獨立控制功能的(de)設備組合成一個(gè)有機的(de)整體，這(zhè)個(gè)整體是一個(gè)既獨立又關聯而且還(hái)可(kě)以根據生産需求的(de)不同而進行相應組态的(de)集成的(de)控制系統。信息集成是運用(yòng)功能模塊化(huà)的(de)設計思想實現資源的(de)動态調配、設備監控、數據采集處理(lǐ)、質量控制等功能，構成包括獨立控制等處理(lǐ)功能在内的(de)基本功能模塊，各個(gè)功能模塊實現規範互聯，構造功能單元時(shí)采用(yòng)特定的(de)控制模式和(hé)調度策略，達到預期的(de)目标，進而實現集成控制。

傳統的(de)自動化(huà)企業專注于設備級的(de)自動化(huà)實現，但對(duì)上層SCADAMES/ERP等系統不熟悉，緻使忽視生産線信息的(de)數字化(huà)獲取及生産信息的(de)橫向、縱向流動。MES/ERP等軟件系統企業專注于上層系統級的(de)數據分(fēn)析與調配控制，對(duì)于底層型号各異的(de)執行設備和(hé)控制器等硬件設備以及控制方式難以涉及，影(yǐng)響信息縱向流動。通(tōng)過數字化(huà)測量實現制造信息（關鍵參數）的(de)數字化(huà)獲取及流轉，可(kě)打通(tōng)上層系統與底層生産線之間的(de)阻隔，釋放已有的(de)優質生産力，加快(kuài)我國制造業發展進程。通(tōng)過集成工裝設計、制造、管理(lǐ)技術，構建工裝數字化(huà)生産線，實現工裝研發過程各環節數據流的(de)暢通(tōng)，才能充分(fēn)發揮數字化(huà)技術在工裝研發過程中的(de)作用(yòng)，從而提高(gāo)工裝制造精度和(hé)效率，縮短研制周期，降低研制成本。

生産線集成控制是将通(tōng)信、計算(suàn)機及自動化(huà)技術組合在一起的(de)有機整體。爲了(le)使生産線中各設備和(hé)分(fēn)系統能夠協調工作，系統采用(yòng)PLC及其分(fēn)布式遠(yuǎn)程I/0模塊實現生産單元的(de)“集中管理(lǐ)、分(fēn)散控制”；同時(shí)PLC接收來(lái)自上位MES系統的(de)管理(lǐ)，包括操作人(rén)員(yuán)信息核對(duì)、産品控制、物(wù)料管理(lǐ)等信息。生産線控制系統結構如圖9所示，通(tōng)信内容包括操作人(rén)員(yuán)身份識别、生産線線體狀态、機械手信息、機器人(rén)信息、工件加工信息、機床工作狀态及各種故障信息等。

圖9 生産線控制系統結構示意圖

控制系統硬件組态如圖10所示，采用(yòng)PROFINET網絡與底層的(de)現場(chǎng)IO設備通(tōng)信， IO設備包括IM151-3PN現場(chǎng)模塊、ET200ecoPN輸入輸出模塊、RF180C通(tōng)信模塊等具有以太網功能的(de)模塊。爲了(le)與車間其他(tā)單元PLC系統數據共享，控制系統還(hái)配備了(le)工業級PN/PN耦合器，通(tōng)過該網橋，可(kě)以實現自動生産線與車間其他(tā)PLC系統之間的(de)信息交互。同時(shí)，爲了(le)保證生産的(de)可(kě)靠性，在各單元的(de)控制器間采用(yòng)光(guāng)纖環網連接，一旦MES系統出現故障，控制系統可(kě)以脫離MES系統正常運行。

圖10 控制系統硬件組态

參考文獻

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