基于葉輪等復(fù)雜部件的智能制造生產(chǎn)線設(shè)計
2024-4-7 來源： 滕州華數(shù)智能制造研究院研發(fā)部 作者：范業(yè)鵬
【摘要】: 為了解決復(fù)雜部件加工制造工藝的復(fù)雜性，以葉輪等復(fù)雜部件的智能制造生產(chǎn)線設(shè)計為基礎(chǔ)，通過智能制造生產(chǎn)線的工藝分析和設(shè)計方案，結(jié)合機器視覺、智能檢測、智能物流和工業(yè)互聯(lián)等技術(shù)進行產(chǎn)線仿真與驗證。 結(jié)果表明 : 該智能制造生產(chǎn)線設(shè)計不僅滿足生產(chǎn)要求、工作運行穩(wěn)定，而且實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、信息化和智能化，滿足多品種小批量產(chǎn)品的定制化混流生產(chǎn)，達到為企業(yè)降本增效的目的。
【關(guān)鍵詞】: 智能制造生產(chǎn)線 ; 設(shè)施布局 ; 設(shè)計與仿真 ; 葉輪加工
本文作者以葉輪等復(fù)雜部件的智能制造生產(chǎn)線設(shè)計為基礎(chǔ)，以智能產(chǎn)線功能設(shè)計需求為導(dǎo)向，分析智能制造生產(chǎn)線的工藝設(shè)計及模塊設(shè)計，最后對其進行仿真與驗證。
1. 功能設(shè)計
智能制造生產(chǎn)線是智能工廠建設(shè)的重點和離散制造型中柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵部分，以產(chǎn)品的生產(chǎn)流程為基礎(chǔ)，結(jié)合智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布設(shè)施，采用數(shù)控裝備、工業(yè)機器人、智能傳感器、數(shù)字化倉儲設(shè)備、物流輸送設(shè)備和自動化專機作為智能化設(shè)備，融入自主數(shù)據(jù)判斷處理等智能化軟件分析，實現(xiàn)產(chǎn)品的智能排產(chǎn)和生產(chǎn)過程。以葉輪等復(fù)雜零件為研究示例，以實現(xiàn)葉輪的智能化生產(chǎn)過程為基礎(chǔ)進行需求分析和概要設(shè)計。
（1）需求分析。 以葉輪為典型復(fù)雜零件，以智能化產(chǎn)線設(shè)計方法為導(dǎo)引，結(jié)合葉輪加工生產(chǎn)工藝，完成生產(chǎn)、分析和總結(jié)過程。
(2) 總體功能。 以復(fù)雜零件葉輪加工生產(chǎn)為核心，通過智能裝備的并行和串行設(shè)計組成生產(chǎn)線，并能結(jié)合信息化網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)智能生產(chǎn)和分析決策等過程，提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量，達到工藝合理化，智能設(shè)備與工業(yè)軟件的融合，各個物理鏈路和工業(yè)互聯(lián)的鏈接。
（3）電氣網(wǎng)需求。380V/220V、50Hz 三相五線制，氣源壓力 0.5~0.8MPa，提供 Internet 接入。
（4）設(shè)備需求。 以加工工件工藝路線為核心，完成復(fù)雜零件葉輪軸、軸套的加工檢測及裝配，涵蓋機械加工（車床、加工中心等）、檢測、裝配、倉儲等模塊。
表 1 葉輪軸零件加工工藝分析
２.智能制造生產(chǎn)線的工藝設(shè)計分析
文中主要以葉輪軸和軸套為生產(chǎn)工件進行分析。葉輪軸結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 葉輪軸零件加工工藝分析如表 1 所示。
圖 1 葉輪軸結(jié)構(gòu)
從圖1可以看出: 葉輪軸零件直徑為Φ48、Φ51.5、Φ18、Φ15m ｍ，加工精度要求較高，加工難度也較大，對應(yīng)的軸套零件Φ80、Φ66、Φ8、Φ4.1、Φ40 ｍｍ等尺寸精度要求也較高。 為保證上述加工精度，首先對軸套各個軸段進行車削加工，隨后銑削平面和鉆孔。 葉輪軸、軸套配合后，要求臺階銷能插入Φ8ｍｍ 的孔中，為了達到這個要求，必須將葉輪軸、軸套進行組合加工。
因此，在工藝路線設(shè)置中綜合考慮零件結(jié)構(gòu)、加工難度和數(shù)控設(shè)備情況，選擇數(shù)控車床和加工中心完成加工內(nèi)容，選用專用檢測設(shè)備完成關(guān)鍵尺寸檢測。
３.智能制造生產(chǎn)線的模塊設(shè)計分析
3.1 智能制產(chǎn)造線生整體分析
此智能產(chǎn)線主要由智能制造加工單元，智能中央控制單元模塊、智能裝配模塊、智能倉儲物流單元、智能檢測模塊和機器人視覺單元組成。在整體架構(gòu)上采用智能設(shè)備層、智能傳感層、智能執(zhí)行層和智能決策層。 通過智能設(shè)備層與傳感層構(gòu)建智能化生產(chǎn)協(xié)同柔性自動化生產(chǎn)線，由智能執(zhí)行層與智能決策層構(gòu)建生產(chǎn)智能制造的管控平臺，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)處理，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程全覆蓋監(jiān)控，系統(tǒng)遇到生產(chǎn)的殘次品會自動報警，保證出貨良品率。 智能制造加工單元機械手裝配快換夾具，保證加工效率和實現(xiàn)柔性連接，其裝備流程如圖 2 所示。
圖 2 裝配流程
3.2 智能制造生產(chǎn)線整體設(shè)計
根據(jù)工藝分析及功能分析，以工藝流程為模塊設(shè)計的基礎(chǔ)，結(jié)合智能制造生產(chǎn)線設(shè)計規(guī)劃，設(shè)計架構(gòu)如圖 3 所示。
圖 3 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
綜合上述分析，此智能制造生產(chǎn)線布局如圖４所示。 框架分析為整體架構(gòu)的形成奠定基礎(chǔ)，下面將詳細分析每個模塊設(shè)計的原理和定位。
(1) 倉儲物流模塊
圖 4 整體布局
倉儲物流模塊根據(jù)功能和總體設(shè)計配置立體料倉、AGV 小車（含調(diào)度系統(tǒng)）、輸送設(shè)備、物料定位臺、RFID 系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)等。 能夠?qū)崿F(xiàn)物料的自動出入庫、自動運輸、自動檢測智能追蹤等功能，如圖 5 所示。
圖 5 智能倉儲物流單元
（２）加工模塊
加工單元的配置以工件的工藝設(shè)計為基礎(chǔ)，此生產(chǎn)線加工零件葉輪軸和軸套類零件均以車床加工中心的組合方式完成加工，因葉輪軸在加工中心上完成時間較長，設(shè)置單獨的加工單元完成加工中心的工序，同時在加工中心設(shè)置機內(nèi)檢測，便于在加工完成后即檢測關(guān)鍵尺寸，完成第一次合格品篩選，提高生產(chǎn)線加工效率。 各單元工序流程如下 : 1 號加工單元和 2 號加工單元 : 單元總控系統(tǒng)根據(jù)輸送物料下單→工業(yè)機器人從物料定位臺取料→機器人放料到數(shù)控車床→機器人放料到加工中心→ 機內(nèi)檢測→放置回物料定位臺→合格進入下一工序（不合格直接返回料倉，入不合格品庫）。3 號加工單元 : 單元總控系統(tǒng)根據(jù)輸送物料（葉輪軸）下單→工業(yè)機器人從物料定位臺取料→機器人放料到加工中心→機器人從物料定位臺取第二件葉輪軸放料到加工中心→ 加工完成后均進行機內(nèi)檢測→放置回物料定位臺→合格進入下一工序（不合格直接返回料倉，入不合格品庫）。
（３）智能檢測模塊
為了提高加工產(chǎn)品的加工精度，提高后段效率，配置三坐標(biāo)檢測儀及其輸送設(shè)備組成智能檢測單元。因三坐標(biāo)檢測環(huán)境的特殊性，在此模塊中設(shè)置恒溫室。 工序過程如下 : AGV 小車進入模塊→物料定位臺接收物料儀檢測→機器人取料→機器人上料至三坐標(biāo)檢測→機器人取檢測完成物料放入物料定位臺→物料輸送至 AGV 小車→合格進入下一工序（不合格直接返回料倉，入不合格品庫）。
3.3 智能裝配單元
葉輪軸和軸套在此單元完成裝配。根據(jù)兩類零件的結(jié)構(gòu)特性選用六關(guān)節(jié)機器人完成工件的運轉(zhuǎn)，設(shè)計工作臺完成工件的裝配，在工作臺上選用 SCARA 機器人，配置定位機構(gòu)完成工件的桌面式裝配。
(1) 智能制造生產(chǎn)線中央控制模塊。 此模塊主要依據(jù)中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)對智能產(chǎn)線運行的控制、排產(chǎn)、監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集分析、定期維護等功能。中央控制系統(tǒng)用于生產(chǎn)制造產(chǎn)線執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理，包括制造數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、設(shè)備管理、看板管理、生產(chǎn)過程控制、設(shè)備數(shù)據(jù)采集及集成等管理模塊。整個產(chǎn)線的智能化生產(chǎn)流程控制和管理整體架構(gòu)如圖 6 所示。
圖 6 智能制造生產(chǎn)線中央控制系統(tǒng)組成模塊
(2) 中央控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)立體料倉、RFID系統(tǒng)、AGV 小車、上下料機器人、數(shù)控機床、檢測設(shè)備、裝配設(shè)備等的數(shù)據(jù)采集功能，訂單管理功能，生產(chǎn)排產(chǎn)功能，生產(chǎn)調(diào)度功能，生產(chǎn)統(tǒng)計分析功能。 系統(tǒng)打通生產(chǎn)、物料、設(shè)備、質(zhì)量、工藝、資源和人員之間的數(shù)據(jù)及實體交互，構(gòu)建完整的工廠運作流程，如圖 7 所示。
圖 7 中央控制系統(tǒng)框架
4.智能制造生產(chǎn)線仿真與驗證
4.1 產(chǎn)線仿真
根據(jù)產(chǎn)線整體設(shè)計規(guī)劃圖，通過建模軟件進行三維建模，整體模型采用輕量化技術(shù)，保證大規(guī)模場景的流暢顯示，從而建立一個與實際環(huán)境1:1 的虛擬環(huán)境。 根據(jù)設(shè)計圖紙進行三維建模能夠顯示整條線體的全貌，主要包含 :（1）設(shè)備建模 : 數(shù)字化立體倉庫、堆垛機、輸送線、AGV、定位臺、上下料機器人、加工零件、數(shù)控車床、加工中心、機器人軌道、檢測機構(gòu)、裝配機構(gòu)等設(shè)備模型 ; (2) 場景建模 : 虛擬的環(huán)境，包含房 屋、加工工件、其他輔助設(shè)備等。
此虛擬工廠模型采用 3ds Max 建模軟件建模并采用烘焙貼出等進行效果處理，通過插件將模型文件導(dǎo)入 PE 引擎中，再通過 PE 引擎對模型整體的效果進行調(diào)整，包含材質(zhì)、紋理、燈光等的處理，最終整合得虛擬三維工廠。 葉輪加工單元仿真如圖 8 所示，其加工數(shù)據(jù)如表 2 所示，其中，葉輪軸允許的讀數(shù)誤差為 ±0.007mm。
圖 8 葉輪加工單元仿真
由表 2 可知 : 工作流程及加工工藝滿足要求，產(chǎn)品合格。
表 2 葉輪加工數(shù)據(jù)
4.2 基于事實數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬驗證
基于三維虛擬產(chǎn)線，通過與實時數(shù)據(jù)庫、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)集成，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)仿真機制如圖 9 所示，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維虛擬可視化監(jiān)控，并實現(xiàn)虛擬產(chǎn)線與物理產(chǎn)線的融合，即通過在三維虛擬產(chǎn)線漫游，查看生產(chǎn)計劃執(zhí)行狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、質(zhì)量狀態(tài)、生產(chǎn)歷史、生產(chǎn)績效
等實況。
圖 9 智能制造生產(chǎn)線實地照片
5. 結(jié)論
文中智能制造生產(chǎn)線的設(shè)計以技術(shù)技能為導(dǎo)向，以典型工程問題為基礎(chǔ)，引入設(shè)備＋軟件的控制應(yīng)用，結(jié)合當(dāng)前智能制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將智能制造全產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵技術(shù)要素包含智能加工、智能機器人、智能物流和倉儲、測量、裝配、自動化工藝、自動搬運和碼垛等進行模塊化組合，融入工業(yè)軟件控制系統(tǒng)，完整體現(xiàn)智能制造關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。 同時結(jié)合虛實一體運行結(jié)果的對比實驗，可知此智能制造生產(chǎn)線的設(shè)計滿足要求、運行穩(wěn)定、可達設(shè)計目標(biāo)。
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