智能制造产线工业互联协同制造体系应用研究.pdf
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1、总第2 2 9 期2023年第7 期经验交流智能制造产线工业互联协同制造体系应用研究刘欢,嵇正波(江苏财经职业技术学院,江苏淮安2 2 30 0 3)摘要:智能制造是在新一代信息技术与先进制造技术深度融合的基础上,应对生产制造过程复杂状况的有效模式,其相关技术正在全球范围内迅速发展,并将对传统制造业企业产生颠覆性的变革。以促进先进制造技术和工业互联网技术的融合发展为宗旨,依托于江苏财经职业技术学院智能制造综合实训中心产线,研究智能制造产线和工业互联网协同制造的总体架构,以鲁班锁的智能生产和装配任务为例,探索智能制造产线各生产要素工业互联的实现路径。关键词:工业互联网;智能制造;MES;协同制造
2、中图分类号:TH-391智能制造产线总体架构制造业是构筑我国国民经济体系的基石,但是,近年来,国内制造业的低成本优势正逐渐消失1-2 。当前,全球范围内的制造业正经历着大变局,以工业大数据、云计算以及物联网等近年来飞速发展的新一代信息技术为驱动的第四次工业革命已正式拉开序幕,并不断推动着全球传统制造业的转型变革,构建出面向产品全生命周期、实现泛在感知的智能制造模式3-5。即利用智能感知、人机交互决策和执行技术,实现产品设计过程、生产制造过程以及生产加工设备的智能化,是信息技术、智能技术以及装备制造技术的深度融合与集成,其体系架构如图1所示。决策控制智能研发大数据原料供应运营优化工业互联网数据共
3、享物联网资源协同以工业互联网为基础的智能制造模式个性化定制协同化组织智能化生产服务化制造图1智能制造工业互联体系架构基于上述架构,智能制造产线一般包括软件系统和硬件系统两大部分,其中软件部分以MES(制造执行系统)为主,硬件则以各类自动化生产加工设备为主6 。江苏财经职业技术学院智能制造实训中心产线(下称智造产线)是根据智能设备的应用技术,并结合制造类企业的实际生产案例而进行设计和研发的,主要包含智能装配区、智能制造国赛实训区、产教融合生产区、智能立体仓库区以及模具零件加工区等5个模块,产线以产品零部件RFID编码为信息流载体,从产品零部件的出库到成品的最终人库,传递着各个工作站的生产加工任务
4、信息,融合了工业机器人、车收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 1基金项目:淮安市科学技术局项目(项目编号:2 0 2 2 42 2 0 0 4);江苏财经职业技术学院省市级平台建设专项课题(项目编号:2 0 2 2 42 2 0 0 4)第一作者简介:刘欢(19 9 1一),男,江苏淮安人,硕士,助教,研究方向为机电一体化技术智能制造技术;嵇正波(19 8 3一),男,江苏淮安人,博士,副教授,研究方向为智能制造技术及职业教育。现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and Informationization文献标识码:A铣复合加工中心、三坐标测量仪、自动化
5、立体仓库、RFID、A G V 小车以及传送带等智能设备,采用离散型、模块化以及加工岛的布局模式,可利用各个工作站的从控系统独立控制分布式布局的生产加工单元,其核心技术是建立产线设备间的工业互联,并通过MES系统实现集中式管理控制,将生产制造过程的现场管理变得更加科学化、数据化、可视化和智能化,从而实现信息系统与智能制造技术之间的有效融合,辅助生产制造流程,助力传统制造产线降低运行成本、提高生产效率。2MES制造执行系统智能制造体系一般包括工业软件、具备感测和自动控制功能的硬件、用于数据传输的工业网络以及接智能生产收、存储和分析数据的工业云服务平台等模块。其中,云计算白动仓储智慧物流智能服务T
6、otal 229No.7,2023D0I:10.16525/ki.14-1362/n.2023.07.096文章编号:2 0 9 5-0 7 48(2 0 2 3)0 7-0 2 8 2-0 3工业软件是最为核心的组分,甚至可以说智能制造的本质就是工业的软件化7。以工业互联网为核心的智造产线信息化管理系统在企业生产制造的全生命周期内起着承上启下的重要作用,对上承接ERP(企业资源管理系统)MES(制造执行系统)以及PDM(产品数据管理系统)等,对下通过通信协议与PLC实现衔接,以实时获取并掌握设备运行状态信息、产品制造信息以及仓储信息等。智造产线系统由SMES智能制造产线管理系统(MES制造执
7、行系统的一种)进行控制,主要包括基础信息、仓库配置、设备信息、工艺配置、生产订单、排程、监控以及运行结果分析等管理功能。SMES通过对接上层的ERP数据,并依据ERP数据、其他MES数据以及自定义的数据库对生产制造过程实现智能控制与调度,利用 OPC/UA协议下发指令给主控PLC系统,主控PLC系统再发出控制指令给下位的从站2023年第7 期PLC,从站PLC再驱动底层的自动化设备完成整个生产加工制造过程。与此同时,再将生产设备的运行状态信息采集并反馈至SMES,系统通过生产设备所反馈的信息进行生产优化,从而实现供应链的协同管理,以达到生产资源整合与优化的目的,进而提高产线柔性化生产制造能力,
8、同时降低运行成本,缩短生产周期。3鲁班锁的智能生产与装配应用案例鲁班锁来源于我国古代建筑中的卯构件,其内部的三维凹凸拼插构件的啮合十分精巧,为体现其智能生产与装配流程,基于智造产线智能装配工作站(如图2 所示),以鲁班锁的生产与装配为应用案例,阐述智能制造的工业互联路径。图2 智能装配工作站3.1生产与装配流程分析鲁班锁是一种严丝合缝的十字立方体构件,生产时采用铝质材料,其在智造产线的生产与装配流程设计如图3所示。解读图纸编制鲁班锁装配工艺编制智能制造生产工艺SMES.上配置智能制造生产工艺+生产订单录人排程模拟仿真生产生产结果优化切换到实际产线生产L图3鲁班锁智能生产与装配流程完成鲁班锁生产
9、与装配工艺流程的编制后,将其导人SMES系统即可进行进一步的应用。3.2装配夹具的设计工装夹具在德国、美国以及日本等工业发达国家已获得了广泛的应用,近年来,在国内的发展进度也逐渐加快。在生产制造过程中,为确保产品的加工质量,使用工装夹具可将工件准确地放至工序位置,从刘欢,等:智能制造产线工业互联协同制造体系应用研究MMLi鲁班锁1;L鲁班锁2;L一鲁班锁3;L4一鲁班锁4;L一鲁班锁5;L一鲁班锁6;M一装配夹具1;M一装配夹具2;M,一装配夹具3;M一装配夹具4;Ms一装配夹具5;M一装配夹具6;Q一装配手指1;Q2一装配手指2;Q:一装配手指3图4鲁班锁智能装配站结构示意图3.3装配工艺的
10、设计工业产品一般都是由多个零件和部件所组装构成的,装配的实质就是将多个零件连接成部件或将多个零件和部件连接成产品,并经过调试、检验,最终形成合格产品的一种劳动过程。鲁班锁的装配工艺流程设计如表1所示。立体仓库根据表1鲁班锁装配工艺流程MES指令出料1号机器人到本地料库1取料鲁班锁零件逐一装配1号机器人取成品送视觉系统检测完成检测后由机器人送人本地料库任务完成283而缩短人工摆放工件的时间,同时提高加工工具的易操作性,进而改善劳动条件,提高生产效率,降低产品生产成本。智造产线智能装配站鲁班锁的装配夹具及相应的附件结构如图4所示,包括六轴机械手、缓存托盘、装配夹具以及双杆气缸等部件。MMQQ3装配
11、夹具M工序操作内容01使用机器人夹爪将鲁班锁1(L)从缓存托盘的位置放置到装配夹具M,的位置02使用机器人夹爪将鲁班锁2(L2)从缓存托盘的位置放置到装配夹具M,的位置使用机器人夹爪将鲁班锁3(L3)从缓存托盘的位03置放置到装配手指Q的位置,通过Q,气缸将L3缓慢推送到M,的位置,并退回气缸使用机器人夹爪将鲁班锁4(L4)从缓存托盘的位04置放置到装配手指0 的位置,通过Q气缸将L4缓慢推送到M4的位置,且保持推出状态使用机器人夹爪将鲁班锁5(Ls)从缓存托盘的位05置放置到装配夹具Ms的位置,且收回Q气缸使用机器人夹爪将鲁班锁6(L6)从缓存托盘的位06置放置到装配手指Q:的位置,通过Q气
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