柔性生產(chǎn)線功能單元組成及機電控制設計

　　摘要:生產(chǎn)線技術是制造業(yè)生產(chǎn)實施的關鍵技術，柔性生產(chǎn)線具有適應能力強、功能靈活、安全穩(wěn)定等眾多優(yōu)點，有利于制造企業(yè)充分利用設備資源降低生產(chǎn)線建設的資金投入，并實現(xiàn)個性定制、產(chǎn)品快速更新?lián)Q代等功能，具有很高的經(jīng)濟價值和社會價值。從柔性生產(chǎn)線的技術特點和優(yōu)勢出發(fā)，介紹了柔性生產(chǎn)線功能單元組成及技術特征，對柔性生產(chǎn)線機電控制流程及硬件選型進行了設計與合理化分析。

　　關鍵詞:柔性生產(chǎn)線;功能單元;機電;控制

　　0引言

　　近年來，我國的社會經(jīng)濟實現(xiàn)了飛速發(fā)展，人們的生活水平顯著提高，社會對于生產(chǎn)生活用品的需求逐漸由過去的大批量生產(chǎn)向小批量訂單式生產(chǎn)和個性化定制方向轉變，這對制造業(yè)的生產(chǎn)能力提出了更高的要求，隨著《中國制造2025》規(guī)劃的逐步實施，我國的制造業(yè)也正快速進行技術升級與產(chǎn)業(yè)轉型。

　　柔性生產(chǎn)線是制造業(yè)針對現(xiàn)代化生產(chǎn)研究和應用的新技術，其集成了自動化、通信、智能制造、生產(chǎn)線等眾多先進技術，通過自動控制系統(tǒng)將生產(chǎn)線上眾多機床、輸送設備、執(zhí)行單元整合起來，形成一套技術復雜但適應性極強的現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)，十分適合制造業(yè)針對不同用戶需求和產(chǎn)品快速更新?lián)Q代進行生產(chǎn)方案調整，并能實現(xiàn)同一生產(chǎn)線同時生產(chǎn)不同型號、不同規(guī)格的同類產(chǎn)品，實現(xiàn)生產(chǎn)設備的最大化利用。

　　1柔性生產(chǎn)線的技術優(yōu)勢

　　1.1生產(chǎn)力穩(wěn)定、應變能力強

　　柔性生產(chǎn)線的最大優(yōu)勢就是具有很強的適應能力，針對現(xiàn)階段制造類產(chǎn)品生命周期縮短、更新?lián)Q代頻繁的情況，柔性生產(chǎn)線能有效縮短制造類產(chǎn)品更新?lián)Q代造成的生產(chǎn)力下降問題，通過多種設備的組合生產(chǎn)，智能系統(tǒng)能夠優(yōu)先選擇適宜的加工方式，減少技術更新、產(chǎn)品換代過程生產(chǎn)流程調整與設備調試時間，且有利于提升產(chǎn)品的生產(chǎn)品質，確保新產(chǎn)品及時搶占市場，提高企業(yè)的市場競爭力。

　　1.2控制管理方便、調試便捷

　　柔性生產(chǎn)線不僅通過現(xiàn)代化的控制系統(tǒng)實現(xiàn) 對各個設備的控制，還能實現(xiàn)各個設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時獲取，設備數(shù)據(jù)集中分析，自動化設備管理等功能。生產(chǎn)線的管理人員也能夠通過柔性生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)對各個工位的運行狀態(tài)進行查看，通過調整控制方案實現(xiàn)生產(chǎn)方案的調整。通過信息互聯(lián)，針對柔性生產(chǎn)條件，使用者通過對某一設備調試后，可將調試方案應用于全部相同設備，有效縮短設備調試時間，且控制系統(tǒng)能夠監(jiān)測各個設備的故障情況，能夠提醒工作人員及時處理故障或定期維護保養(yǎng)設備。

　　1.3更新?lián)Q代慢、使用經(jīng)濟性好

　　柔性生產(chǎn)線建立后，各個系統(tǒng)形成良好的匹配關系，能夠更好適應特定產(chǎn)品的長時間產(chǎn)品更新對制造設備的需求，生產(chǎn)線整體呈現(xiàn)極強的應變能力，能夠適應大多數(shù)技術升級需求，不需在短時間內更換過多設備，有效減少生產(chǎn)制造企業(yè)的設備更新支出。同時，柔性生產(chǎn)線具有一條生產(chǎn)線生產(chǎn)多個系列產(chǎn)品的能力，能夠充分利用企業(yè)有限場地條件，避免了企業(yè)沒有條件建立多條生產(chǎn)線的場地問題。

　　2柔性生產(chǎn)線功能單元組成

　　2.1柔性生產(chǎn)線的功能單元分類

　　針對制造類企業(yè)的生產(chǎn)線特點，柔性生產(chǎn)線根據(jù)不同的產(chǎn)品種類和流程存在一定差異，但總體上看功能單元的種類大致相同。柔性生產(chǎn)線主要包括搬運單元、產(chǎn)品特征識別單元、加工制造單元、質量檢測單元、品質分揀單元、輸送單元、智能倉儲單元、集成控制系統(tǒng)幾大類[1]。

　　集成控制系統(tǒng)主要用于控制和協(xié)調各個生產(chǎn)工序的關系，使生產(chǎn)有序開展。大體的工作流程是，將待加工產(chǎn)品的原材料搬運到待加工工位，產(chǎn)品特征識別單元的檢測裝置檢測和分析原材料種類特點后，進行加工工藝的自動選擇，并通過加工制造單元進行一次性或多次的原材料處理、加工制造環(huán)節(jié)。各個加工設備之間通過輸送單元的設備連接，實現(xiàn)加工零部件的轉移。各個工序加工完成后都有相應的檢測設備對加工質量進行檢測，對于不合格產(chǎn)品由質量分揀單元去除，加工完成的產(chǎn)品或零部件輸送到智能倉儲單元進行自動分類存儲并記錄存儲位置、數(shù)量等信息。

　　2.2各功能單元的技術特征

　　柔性生產(chǎn)線功能單元的場地布置關系，通過集成控制系統(tǒng)進行關聯(lián)，使整體生產(chǎn)線成為協(xié)調統(tǒng)一的智能控制體[2]。

　　2.2.1集成控制系統(tǒng)集成控制系統(tǒng)是柔性生產(chǎn)線的神經(jīng)樞紐，負責生產(chǎn)過程的協(xié)調工作，集成控制系統(tǒng)直接關聯(lián)各個工作設備，能夠對設備反饋的信息進行分析處理，保證設備正常運轉的同時還具有良好的配合關系。集成控制系統(tǒng)的功能包括按照既定程序的自動控制，識別工作過程的特殊狀態(tài)，處理可能存在的故障問題，收集并記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，人機交互功能支持人工控制、調試、查詢數(shù)據(jù)等。

　　2.2.2產(chǎn)品特征識別單元產(chǎn)品特征識別是柔性生產(chǎn)線功能實施的重要保障，產(chǎn)品的特征識別能夠保證同一生產(chǎn)線生產(chǎn)不同產(chǎn)品生產(chǎn)過程的有效分類，有利于控制系統(tǒng)根據(jù)不同產(chǎn)品體系特征選擇適當?shù)纳�產(chǎn)制造程序。特征識別單元通過視覺技術、傳感器技術、條碼識別技術等實現(xiàn)對產(chǎn)品特征的有效識別。

　　2.2.3搬運單元及輸送單元搬運與輸送是原材料和加工產(chǎn)品轉移的兩種主要形式。搬運單元主要實現(xiàn)現(xiàn)有位置到目標位置的空間轉移，包括抓取、提升、轉移、下降、釋放等動作，柔性生產(chǎn)線的搬運工作主要通過機械手臂實現(xiàn)，能夠實現(xiàn)點對點的精準搬運，并實現(xiàn)物料的擺放、碼垛等功能需求;輸送單元主要是通過皮帶輸送機、輥子輸送機、鏈條輸送機等實現(xiàn)物料的水平或成角度轉移，輸送單元主要用于各個加工單元、檢測單元、分揀單元的連接，并配合完成部分生產(chǎn)加工工作。

　　2.2.4加工、質檢及分揀單元加工、質檢及分揀單元是配合工作的組合體。加工單元包括常規(guī)的機床設備、專用加工設備、清洗或表面處理等設備;質檢單元包括對機械加工單元的精度檢測、表面狀態(tài)檢測、重量檢測、金屬含量檢測等;分揀單元主要用于去除生產(chǎn)線上產(chǎn)生的不合格產(chǎn)品，常用設備包括機械推板、分流輸送機、揀選機械臂等。在生產(chǎn)過程中，加工、質檢及分揀單元的有機配合既保證了生產(chǎn)效率，又保證了生產(chǎn)質量，是柔性生產(chǎn)線的主要工作單元。

　　2.2.5智能倉儲單元智能倉儲單元是針對生產(chǎn)線制造完成的成品進行貯存的機械設備單元，通過現(xiàn)代化的智能倉儲技術，能夠實現(xiàn)產(chǎn)品的分類、分區(qū)存儲。具有標準化、智能化、集成化特點，能夠完成成品或外加工完成零件的精確倉儲，并能實現(xiàn)產(chǎn)品的倉庫自動調取、出庫等功能。

　　3柔性生產(chǎn)線機電控制流程設計

　　3.1軟件系統(tǒng)的總體流程設計

　　柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)模式多樣化，因此，軟件系統(tǒng)的運行流程應充分考慮模式切換、正常狀態(tài)控制、應急狀態(tài)處理、人機交互、遠程控制、單機獨立控制等眾多工作條件。軟件控制程序的編寫主要采用模塊化編寫技術，能夠實現(xiàn)各個工序的正常開關機、工作邏輯控制，實現(xiàn)搬運、加工、檢測、分揀、輸送、智能倉儲等單元每個設備的獨立控制功能，并具備對故障設備的應急處理能力，具備良好的人機交互開放性和程序升級空間。

　　3.2系統(tǒng)的初始化功能

　　在整條柔性化生產(chǎn)線開機后，搬運、加工、檢測、分揀、輸送、智能倉儲等單元的所有機械設備自動回到起始位置，如加工刀具歸位、伸縮氣缸或液壓缸歸位、機械手臂放松并歸位、輸送裝置停止、監(jiān)測裝置通電并處于待工作狀態(tài)。同時，控制系統(tǒng)會采集各個設備的初始化狀態(tài)，確定各個設備是否歸位，如有異常則發(fā)出警示，如正常則程序處于待命狀態(tài)[3]。

　　3.3各個工作單元的控制功能

　　針對各個單元的控制采用統(tǒng)一協(xié)調和分別獨立控制的結合方式。首先，系統(tǒng)明確各個設備的位置，為設備賦予編號，將單獨設備的控制子程序連接到系統(tǒng)控制總程序中，由系統(tǒng)集中控制管理，匹配各設備的工作效率與輸送裝置的輸送效率;其次，對于各個設備的工作性能，首次使用前由工作人員進行單獨調試，并將調試好的設備程序參數(shù)保存上傳至總程序。

　　3.4系統(tǒng)應急控制程序

　　盡管柔性化生產(chǎn)線的設備與傳統(tǒng)生產(chǎn)線相比更為先進、可靠，但由于應用的設備更多，配合關系要求更高，因此，為保證生產(chǎn)順利進行，必須要充分考慮突發(fā)狀況或設備故障的應急處理方案。常見的生產(chǎn)線突發(fā)狀況包括機械設備損壞、零件在輸送過程卡滯、設備異常高溫或振動等。當發(fā)生突發(fā)狀況時，系統(tǒng)首先發(fā)出警示信號，相關設備停機，系統(tǒng)分析輸送加工設備現(xiàn)狀，提供加工線路變換，繞開故障位置，或由人工進行處理，處理完成后生產(chǎn)線程序控制在斷點位置繼續(xù)加工。

　　4柔性生產(chǎn)線機電控制硬件選型

　　4.1PLC的合理選型

　　現(xiàn)階段，應用于工業(yè)控制的PLC種類較多，為滿足柔性生產(chǎn)線的復雜控制和運算速度要求，應重點選擇適配性好、功能強大、指令兼容性好的一線品牌，針對于生產(chǎn)線設計和工作流程的復雜程度考慮，主流PLC以三菱、西門子的一線產(chǎn)品更為適宜，優(yōu)先選擇性價比更高的三菱公司Q系列、西門子S系列的PLC，對于控制要求不高的生產(chǎn)線也可考慮國產(chǎn)匯川H系列PLC[4]。

　　4.2工業(yè)機器人選型

　　工業(yè)機器人在柔性生產(chǎn)線中應用十分廣泛，也是生產(chǎn)效率的基礎保障，工業(yè)機器人應具有效率高、功能可靠、程序兼容性好、精確度高等特點。選型時要充分考慮機械結構、驅動性能、感知技術、人機交互便捷性等因素�，F(xiàn)階段，生產(chǎn)線應用的工業(yè)機器人以4軸、5軸機械臂居多，部分現(xiàn)代化柔性生產(chǎn)線也應用了更為先進的6軸機器人。現(xiàn)階段性能和口碑較好的工業(yè)機器人廠家包括德國KUKA、日本ABB、國產(chǎn)新松等。

　　4.3通訊網(wǎng)絡選型

　　通訊網(wǎng)絡的建立是柔性生產(chǎn)線機電控制功能實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，柔性化生產(chǎn)線的通訊需求是信息傳遞速度快、通信穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)容量大、兼容性好，推薦選擇基于RS485總線標準的CC-Link通信模式，通過CC-Link通信技術對各個單元的設備進行編號和傳輸參數(shù)設定，并利用FX2N-32CCL進行組網(wǎng)。為保證傳輸?shù)膶崟r性，線路傳輸速度應設置在150kb·s-1，確保各個功能單元實現(xiàn)網(wǎng)絡聯(lián)動控制和數(shù)據(jù)傳輸[5]。

　　5結語

　　在智能化和網(wǎng)絡化時代，制造業(yè)的生產(chǎn)模式已經(jīng)由傳統(tǒng)的盲目批量生產(chǎn)向定制化、精細化生產(chǎn)轉變，柔性生產(chǎn)線技術的應用對于提高制造生產(chǎn)的合理性，提高設備、資源、環(huán)境利用率具有積極作用，使企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品既符合用戶實際需求，又能減少企業(yè)庫存，做到最大化銷售。柔性生產(chǎn)線技術的應用顯著改善了過去生產(chǎn)中產(chǎn)品更新?lián)Q代慢、成本高等問題，顯著提高了生產(chǎn)線的適應能力。從現(xiàn)階段我國的制造業(yè)生產(chǎn)模式來看，柔性生產(chǎn)線的技術普及程度還有待提升，其技術優(yōu)勢正逐漸顯現(xiàn)，將成為未來自動化生產(chǎn)線技術發(fā)展的主流方向，為制造業(yè)的轉型升級提供強大助力。

　　參考文獻：

　　[1]丁濤，齊建軍，杜林，等.基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的柔性生產(chǎn)線智能控制模型[J].信息技術與標準化，2015(7):15-17.

　　[2]李有兵，林勇.柔性生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)設計[J].機電工程技術，2018，47(12):102-105+208.

　　[3]吳斌.基于工業(yè)機器人的智能制造生產(chǎn)線設計[J].機床與液壓，2020，48(23):55-59.

　　[4]潘燕玲.基于PLC控制的柔性自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)分析與設計[D].廣州:華南理工大學，2017.

　　[5]涂小元.基于PLC的柔性自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)分析與設計[J].數(shù)字通信世界，2019(2):88+92.

　　作者：劉昌鵬

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