基於葉（yè）輪等複（fù）雜部件的智能製造生產線設計
2024-4-7 來源： 滕州華數智能製造研究院研發部 作者：範（fàn）業鵬
【摘要】: 為了解決複（fù）雜部件加工製造工藝的複雜性，以葉輪等複雜部件的智（zhì）能製造生產線設計為（wéi）基礎，通過智能製造生產線的工藝分析和設計方（fāng）案（àn），結合機（jī）器視覺、智能檢測（cè）、智能物流和工業互聯等技（jì）術（shù）進行產線仿真與驗證。 結果表明（míng） : 該智能製造生產線設計不（bú）僅滿（mǎn）足生產要求、工作運行穩定，而且實現生產（chǎn）過程（chéng）的自動化、信息（xī）化和智能化，滿足多品種小批量產（chǎn）品的（de）定製化（huà）混流生（shēng）產，達到為企（qǐ）業降本增效的（de）目的。
【關鍵詞】: 智能（néng）製造生產線 ; 設施布局 ; 設計與仿真 ; 葉輪加（jiā）工
本文作者以葉輪等複雜部件的智能製造生產線設計為基礎（chǔ），以智能產線功能設計需求為導向，分析智能製造生產線的工藝設計及模塊設計，最後對其進行仿真與驗證。
1. 功（gōng）能設計
智能（néng）製造生產線是智（zhì）能工廠建（jiàn）設的重點和離散製造型（xíng）中柔性生產的關鍵部分，以產品的生產流程為基礎，結合智能化（huà）生產係統、網絡化分布設施，采用（yòng）數控裝備、工業機器人、智能傳感器、數字化倉儲設備、物流輸送設（shè）備和（hé）自動化專機作為（wéi）智能化設備，融入自主（zhǔ）數據判斷處理等智能化軟件分（fèn）析，實現（xiàn）產品的智能排產和生產（chǎn）過程。以葉輪等複雜零件為（wéi）研究示例，以實現葉輪的智（zhì）能（néng）化生產過程為基礎進行需求分析和概要設計。
（1）需求分析。 以葉（yè）輪為典型複雜（zá）零件，以智能化產線設計方法為導引，結合葉輪加工生產工藝，完成生產、分析和總（zǒng）結過程。
(2) 總體功能。 以複雜零件葉（yè）輪加工生產為（wéi）核心（xīn），通過智能裝備的並行和串行設計組成生產（chǎn）線，並能結合信息化網（wǎng）絡化實現智（zhì）能生產和分析決策等過程，提高產量和產品質量，達到工藝合理化，智能設備與工業軟件（jiàn）的（de）融合（hé），各個物理鏈路和工業互聯的鏈接。
（3）電氣網需求。380V/220V、50Hz 三相五線製，氣（qì）源壓力（lì） 0.5~0.8MPa，提供 Internet 接入。
（4）設備需（xū）求。 以加工工件工藝路（lù）線為核心，完成複雜零件葉輪軸、軸（zhóu）套的加工檢測及（jí）裝配，涵蓋機械加工（車床、加工中心等）、檢測、裝配、倉儲（chǔ）等（děng）模塊。
表 1 葉（yè）輪軸零件加工工藝分析
２.智能製造生產線的工藝設（shè）計分析
文中主要以葉輪軸和軸套為（wéi）生產工件進（jìn）行分（fèn）析。葉輪軸結構如圖（tú） 1 所示。 葉輪軸零件加工工藝分析如表 1 所示。
圖 1 葉（yè）輪軸結構
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（yào）求（qiú）較高，加工難度也較大，對應（yīng）的軸套（tào）零件Φ80、Φ66、Φ8、Φ4.1、Φ40 ｍｍ等尺寸精度要求也較（jiào）高。 為保證上述加工精度，首先對軸套各個軸段進（jìn）行車削（xuē）加工，隨後（hòu）銑削（xuē）平麵和鑽孔。 葉輪（lún）軸、軸套配合後（hòu），要求台階銷（xiāo）能（néng）插入Φ8ｍｍ 的孔中，為了達到這個要求，必須將葉輪軸、軸（zhóu）套進行組合加工。
因此，在工藝路線設置中綜合考慮零件結構、加工難度和數控（kòng）設備情（qíng）況（kuàng），選擇數控車床和加工中心完成加工內容，選用專用檢測設備完成（chéng）關鍵尺寸檢（jiǎn）測。
３.智能製造生產線的模（mó）塊設計分析
3.1 智（zhì）能（néng）製產造線生（shēng）整體分析（xī）
此智（zhì）能產（chǎn）線主要由智（zhì）能製造加工單元，智（zhì）能中央控製（zhì）單元模塊、智能裝配模塊（kuài）、智能（néng）倉（cāng）儲物流單元、智能檢測模塊和（hé）機（jī）器（qì）人視覺單元組成。在整體架構上采（cǎi）用智能設備層、智能傳感層、智能執行層和（hé）智能決策（cè）層。 通過智能設備層與傳感層構建（jiàn）智能化生（shēng）產（chǎn）協（xié）同柔性自動（dòng）化生產線，由智能執行層與智（zhì）能決策（cè）層構建生產智能製造的管控平（píng）台，以物聯網技術為基礎，應用大數據處理，可以實現生產過程全覆蓋監控（kòng），係統遇到生產的殘次品會（huì）自動報警，保證出貨（huò）良品率。 智能製造（zào）加工單元機械手裝配（pèi）快換夾具，保證加工效率和實現柔性連接，其裝備流程如圖 2 所示。
圖 2 裝配流程
3.2 智能製造生產線（xiàn）整體設計
根據工藝分析及功能分析，以工藝流（liú）程為模塊設計的基礎，結合智（zhì）能製造生產線設計規劃（huá），設計架構如圖 3 所示。
圖 3 網絡拓撲結構
綜合上述分析，此智能（néng）製造生產線布局如圖４所示。 框架分（fèn）析為整體架構的形成奠定基礎，下麵將詳細分析每個模塊設計的原理和定位。
(1) 倉儲物流模塊
圖（tú） 4 整（zhěng）體（tǐ）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（含調度係統）、輸送設備、物料定位台、RFID 係統、視覺檢測係統等。 能夠實（shí）現物料的自動出入庫、自動運輸、自動檢測智能追蹤等功能（néng），如圖 5 所示（shì）。
圖 5 智（zhì）能倉儲物流單元
（２）加工模（mó）塊
加（jiā）工單元的配置以工件的（de）工藝設計（jì）為（wéi）基（jī）礎，此生產線加工零件葉輪軸和軸套（tào）類零件（jiàn）均以（yǐ）車床加工中心的組（zǔ）合方式完成加工（gōng），因葉（yè）輪軸（zhóu）在加工中心上（shàng）完成時間較長，設置單獨（dú）的（de）加工單元完成加工中心的工序，同時在加工中心設置機內檢測，便於在加工完成後即檢（jiǎn）測關鍵尺寸，完成第一次合格品篩選，提高生產線加（jiā）工效率。 各單元工序（xù）流程如下 : 1 號加工單（dān）元和 2 號加工單元 : 單（dān）元總控係統根（gēn）據輸送（sòng）物料下（xià）單→工業機器人從物料定（dìng）位台取料→機器人放料到數控車（chē）床→機器人放料到加工中心→ 機內檢測（cè）→放置回物（wù）料定位台→合格進入下一工序（不合格直接返回料倉，入（rù）不合格品庫）。3 號加工單元 : 單元總控係統根據輸送物（wù）料（葉輪軸）下單→工業機器人從物料定位台取料→機器人放料到加（jiā）工中心→機器人從物料定位（wèi）台（tái）取第二件葉輪軸（zhóu）放料（liào）到加工中心→ 加工完成後均進行機內檢測→放置回物料定位台→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
為了提高加工產品的加工（gōng）精（jīng）度，提高（gāo）後段效率，配置三坐標檢測儀及其輸送設備組成智能檢測單（dān）元。因三坐標檢測環境的特殊性，在此模塊中設置恒溫室（shì）。 工序過程如下 : AGV 小車進入（rù）模塊→物料定位台接（jiē）收物料儀檢測→機器人取料→機器人上料至三坐標檢（jiǎn）測→機器人取檢測完成物料（liào）放入物料定位台→物料輸（shū）送至 AGV 小車→合格進入下（xià）一工序（不合格直接返（fǎn）回料倉，入不合格品庫）。
3.3 智能裝配單（dān）元
葉輪軸和軸套（tào）在此單元完成裝配。根據兩類（lèi）零件的結構特（tè）性選用六關節機器人（rén）完成工件（jiàn）的（de）運轉，設計工作台完成工件的裝配，在工作台上選（xuǎn）用 SCARA 機器人，配置定位機構完成工件的（de）桌麵（miàn）式裝配。
(1) 智能製造生產線中央控製模塊。 此模塊主要依據（jù）中央控製係統實現對智能產線運行的控製、排產、監測（cè）、數據采集分析、定期維護等功能。中央控製係統（tǒng）用於生產製造（zào）產線執行層的生產信息化（huà）管理，包括製造數（shù）據管理（lǐ）、生產調度管理、設備管理、看板管理、生產（chǎn）過程控製、設備數據采集及集（jí）成等管理模塊。整個產線的智能化生產流程控製（zhì）和（hé）管理整體架構如圖 6 所示。
圖 6 智能製造生產線（xiàn）中央控製係統組成模塊
(2) 中央控製係統主要實現立體（tǐ）料倉（cāng）、RFID係統、AGV 小車、上下料機（jī）器人、數控機床、檢測設備、裝配（pèi）設備等的數據采集功能，訂單管理功能，生產排產功能，生產調度功能，生產統計分析功能。 係統打通生（shēng）產、物料（liào）、設備、質量、工藝、資源和人員之間的數據及實體交互，構建完整的工廠運作流程，如圖（tú） 7 所示。
圖 7 中央控製係統框架
4.智（zhì）能製（zhì）造生產（chǎn）線仿真與（yǔ）驗證
4.1 產線仿真
根據產線整體設計規劃圖，通過建模軟件進行三維建模，整體模（mó）型采（cǎi）用輕量化技術，保證大規模場景的流暢顯示，從而建立一個與實際環境1:1 的虛擬環境。 根（gēn）據（jù）設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）設備建模 : 數字化立體倉庫、堆垛機、輸送（sòng）線、AGV、定位台、上（shàng）下料機（jī）器人、加工零件、數（shù）控車床（chuáng）、加工中心、機器人軌道、檢測機（jī）構、裝配機構等設備模型 ; (2) 場（chǎng）景建模 : 虛擬的環境，包含房 屋、加工（gōng）工（gōng）件、其（qí）他輔助設備等。
此虛擬工廠模型采用 3ds Max 建模軟件建模並采用烘焙（bèi）貼出等（děng）進（jìn）行效果處理，通過插件將模型文件導入 PE 引擎中，再通過 PE 引擎對模型整體的效果進（jìn）行調整（zhěng），包含材質、紋理、燈光等（děng）的處理，最終整（zhěng）合得虛擬三維工廠。 葉輪加工單元仿（fǎng）真如圖 8 所示，其加工數據如表 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（zú）要求，產品合格。
表 2 葉輪加工數據（jù）
4.2 基於事實數據驅動的虛擬（nǐ）驗證
基於三維虛擬產線，通過與實時數據庫、設備監控係統集成，建立數據驅動的動態仿（fǎng）真機製（zhì）如圖 9 所示，實現生產（chǎn）數據驅動的三維虛擬（nǐ）可視化（huà）監控，並實（shí）現虛擬產線與物理產線的融（róng）合，即通過（guò）在三維虛擬產線漫遊，查看生產（chǎn）計劃執行狀態、設備狀（zhuàng）態、質量狀（zhuàng）態、生（shēng）產曆史、生（shēng）產（chǎn）績效
等實況。
圖 9 智能（néng）製造生產線實地照片
5. 結論（lùn）
文中（zhōng）智能製造生產線的設計以技（jì）術技能為導向，以典型工程問題為基礎，引入設備＋軟件的（de）控製應用，結（jié）合當前智能製造技術的發展和應用，將智能製造全產（chǎn）業鏈的關鍵技術要素（sù）包含智能加（jiā）工、智能機器人、智能物流和倉儲、測量、裝配、自（zì）動化工藝、自動搬運和碼垛等進行模塊化組合，融（róng）入工業軟件控製係統，完整體現智能製造（zào）關鍵技術的應用。 同時結合虛實（shí）一體運行結果的對（duì）比實驗，可知此智能製造生產（chǎn）線的設計滿足要求、運行穩定、可達設計目標。
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