周遠揚，趙 兵，2，代 文

（1.青海大學 機械工程學院，青海 西寧 810016；2.青海大學智能制造車間，青海 西寧 810016）

0 引言

目前青海省藏族人口大約137.50 萬人，約占青海省總?cè)丝诘?4.44%，青海省寺廟數(shù)量多，其中藏傳佛教寺廟有十幾座，并且大多數(shù)藏民基本都信奉佛教，酥油燈的產(chǎn)值約1.8 億，其利潤也接近7000 萬元。除此之外，每年來青海的旅游人口也將近122 萬人次，其中塔爾寺一天的游客接待量近6 萬人，經(jīng)調(diào)查，初步估計游客購買酥油燈工藝品每年能達到2 萬盞，產(chǎn)值約1200 萬元。傳統(tǒng)的酥油燈，基本靠翻砂鑄造生產(chǎn)，導致其外表粗糙，成品率低，還造成環(huán)境污染，操作工人長期吸入過多的粉塵以及有害氣體對身體健康產(chǎn)生不好的影響，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式不滿足節(jié)能環(huán)保的發(fā)展要求以及《中國制造2025》的發(fā)展規(guī)劃，亟需升級轉(zhuǎn)型。

針對傳統(tǒng)酥油燈翻砂鑄造工藝導致的外表粗糙、成品率低、污染環(huán)境等一系列問題，如果采用傳統(tǒng)的機械加工，難以解決其復雜造型以及圖案雕刻等問題。而數(shù)控加工可以解決上述問題，故采用數(shù)控加工實現(xiàn)酥油燈生產(chǎn)加工，根據(jù)酥油燈的數(shù)控加工技術(shù)要求設(shè)計一條智能產(chǎn)線，實現(xiàn)浮雕、圓雕、激光雕刻等加工工藝，解決傳統(tǒng)酥油燈加工工藝的耗能污染以及危害工人身體健康等問題[1]。本研究提出酥油燈智能產(chǎn)線工藝設(shè)計思路，通過分析酥油燈加工工藝，從而進行產(chǎn)線布局設(shè)計以及設(shè)備選型，重點對產(chǎn)線工藝流程、產(chǎn)線控制系統(tǒng)進行分析和設(shè)計，為后續(xù)酥油燈面向智能制造的升級轉(zhuǎn)型積累經(jīng)驗并提供理論依據(jù)。

1 酥油燈智能產(chǎn)線的設(shè)計

1.1 酥油燈加工工藝分析

酥油燈加工的材料為銅，將圓柱體毛坯工件按照如圖1 所示設(shè)計圖紙要求進行加工，加工完成如圖2所示。根據(jù)其材質(zhì)的特點，對工件加工精度的要求，燈碗內(nèi)部的車削加工、燈體形狀的粗加工等工序需在數(shù)控車床進行，燈體表面浮雕的粗加工、半精加工、精加工等不同工序需在五軸機床上進行，因此，本產(chǎn)線的設(shè)計方案中主要工作單元為1 臺數(shù)控車床、1 臺五軸機床及一臺工業(yè)機器人。由于酥油燈制造材料為銅，材料粘度大，對切削速度和刀具要求較高，且造型奇特，難于裝夾，需專門設(shè)計工裝夾具。為了方便酥油燈的毛胚加工，需通過螺紋鏈接方式在酥油燈底部增加連接件，專用夾具通過裝夾增加的連接件實現(xiàn)固定，目的是使車床和五軸機床方便夾取酥油燈毛胚，也避免毛胚被夾具直接夾取造成的損害。

圖2 酥油燈實際產(chǎn)品圖

1.2 酥油燈智能產(chǎn)線布局設(shè)計

酥油燈智能產(chǎn)線布局設(shè)計方案如圖3 所示：

圖3 產(chǎn)線布局圖

產(chǎn)線主要包括1 臺工業(yè)機器人及機械手夾具、1臺數(shù)控車床及工裝夾具、1 臺五軸機床及工裝夾具、RFID 無線射頻識別系統(tǒng)、1 輛AGV 智能小車、4 套滾筒線、檢測設(shè)備、1 臺工件中轉(zhuǎn)臺、MES 系統(tǒng)控制臺以及相應的安全防護裝置。

目前，數(shù)控加工技術(shù)與智能制造技術(shù)的聯(lián)合應用越發(fā)廣泛，一些面向數(shù)控加工的智能制造產(chǎn)線主要根據(jù)不同工件的工藝特點、工藝流程，進行一些硬件設(shè)施的配置；主要由數(shù)控車床及工裝夾具、數(shù)控機床及工裝夾具和若干臺工業(yè)機器人等設(shè)備組成，然后將這些設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)組線并運行；由PLC 的模塊化、結(jié)構(gòu)化編程來實現(xiàn)調(diào)試、監(jiān)視、診斷等功能，由MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)和信息進行分析處理，同時滿足信息的可視化，來實現(xiàn)智能產(chǎn)線加工過程的自動化，對產(chǎn)線的設(shè)備異常狀態(tài)做出快速反應以及分析判斷，可使產(chǎn)線長時間安全可靠地工作，從而解決傳統(tǒng)生產(chǎn)方式造成的酥油燈成品表面粗糙、污染環(huán)境、危害工人身體健康等問題，改變傳統(tǒng)生產(chǎn)模式。

該酥油燈智能加工產(chǎn)線是模擬實際生產(chǎn)全過程，實現(xiàn)酥油燈坯料從智能料庫出庫上線AGV 智能小車、工業(yè)機器人上料輸送、數(shù)控機床加工、檢測、五軸機床加工、檢測、工業(yè)機器人下料輸送、AGV 小車運輸下線入庫智能料庫等生產(chǎn)工序[2]。按照“自動化+精益化+集成化”的構(gòu)建思路，將數(shù)控車床、五軸機床、工業(yè)機器人、AGV 小車等硬件設(shè)備集成到智能生產(chǎn)線的“硬件”系統(tǒng)中，再將集成的“軟件”技術(shù)平臺與RFID 視覺射頻技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技結(jié)合到一起。酥油燈智能生產(chǎn)線展現(xiàn)出數(shù)控加工設(shè)備互聯(lián)、柔性化加工、生產(chǎn)過程可追溯、MES 系統(tǒng)等智能管理系統(tǒng)的應用方案[3]。

2 酥油燈工藝流程的制定

分析酥油燈的工藝流程是智能產(chǎn)線的設(shè)計基礎(chǔ)。首先通過與專業(yè)技術(shù)人員進行溝通，確定酥油燈產(chǎn)品的加工精度以及其他的加工特點，再進行整套工藝流程的制定。然后，根據(jù)酥油燈加工工藝流程的特點，全面考慮酥油燈在其各個工序之間所進行的物料轉(zhuǎn)移時的信息讀取、物料定位、在數(shù)控車床以及五軸機床中的加工翻轉(zhuǎn)、工件參數(shù)的檢測等要求，并統(tǒng)計AGV小車接料所進行的定位、運輸?shù)葎幼魉钑r間，工業(yè)機器人抓取工件時的定位、夾取、放下等動作所需時間，以及數(shù)控車床和五軸機床里的工件定位、裝卡等所需時間。最后，對以上所述的工藝節(jié)拍進行綜合分析，最終對酥油燈智能產(chǎn)線進行設(shè)計。經(jīng)過多次研究論證，最終確定酥油燈加工的工藝流程如圖4 所示。

圖4 加工流程框架圖

毛坯件→人工入庫→立體倉→訂單下發(fā)→毛坯出庫→單工位定位臺定位讀取RFID 信息→AGV 小車接料→AGV 小車送料→雙工位定位臺接料→加工單元（機器人→車削中心→五軸加工中心→在線檢測→車削中心）→下料至雙工位定位臺→AGV 小車接料→單工位接料臺接料→入立體倉。

確定酥油燈的加工工序：

1）數(shù)控車床加工：主要進行進行酥油燈燈碗的精加工與燈體形狀的粗加工。

Step1：進行準備工作，調(diào)取刀具輪盤上的推料裝置將連接件底部與夾具貼合，使夾具夾緊，毛胚完全固定。然后調(diào)取U 鉆（直徑20 mm），鉆至燈碗底部，方便燈碗的加工。

Step2：調(diào)取鏜刀（刀桿直徑10 mm，刀片角度65°，有色金屬加工專用刀片），進行酥油燈燈碗內(nèi)部的車削加工。

Step3：調(diào)取刀具輪盤上的左偏刀（20 mm × 20 mm 刀桿，刀片35°，有色金屬加工專用刀片），進行外輪廓的車削（進行燈杯外輪廓的正向車削加工）。

Step4：調(diào)取右偏刀具（20 mm × 20 mm 刀桿，刀片35°，有色金屬加工專用刀片），進行燈杯輪廓的反向加工，進行燈體毛胚整體的完善；

2）五軸機床加工：進行酥油燈表面浮雕精加工；

Step1：首先要完成的是酥油燈的夾緊，選擇通過氣動膨脹心軸脹緊（便于零件加工的裝卡方式）；

Step2：機床調(diào)取D6R3 球頭刀，進行酥油燈表面浮雕粗加工，單邊余量應控制在0.3 mm；

Step3：機床調(diào)取D4R2 球頭刀，進行酥油燈表面浮雕半精加工，單邊余量應控制在0.1 mm；

Step4：機床調(diào)取D4R0.5 球頭刀，進行酥油燈表面浮雕半精加工，單邊余量應控制在0.03 mm；

Step5：機床調(diào)取D4R0.2 球頭刀，進行酥油燈表面浮雕精加工，最終完成酥油燈表面浮雕加工。

生產(chǎn)流程：首先，利用RFID 無線射頻讀取上料托盤物料數(shù)據(jù)，然后與系統(tǒng)交互確認；其次，運用傳送帶將酥油燈毛胚運送到AGV 小車上并由AGV 小車運送到入料口；再次，機器人與輸送裝置、產(chǎn)線控制系統(tǒng)相結(jié)合，將各工序與數(shù)控車床加工交互上料，待對酥油燈燈碗的精加工與燈體形狀的粗加工加工完成后，在線檢測酥油燈關(guān)鍵尺寸，并反饋給總控系統(tǒng)；再由機器人將酥油燈放入五軸機床，而后進行酥油燈表面浮雕精雕加工；最后，機器人將成品酥油燈放置到托盤，將整個加工過程中采集的數(shù)據(jù)信息反饋到MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)，成品酥油燈由AGV 小車運輸入庫智能料庫；整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)由主控系統(tǒng)直觀顯示，對整個生產(chǎn)進行智能控制。

3 智能產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計方案

由于目前大多數(shù)企業(yè)采用的是處于單機工作模式的自動化加工設(shè)備，難以解決相應的信息采集問題，其生產(chǎn)制造就會形成所謂的“數(shù)據(jù)孤島”。實現(xiàn)智能制造不能只滿足生產(chǎn)設(shè)備的自動化，更重要的是信息采集、信息管理效率的提高。據(jù)統(tǒng)計，目前我國的MRPII、MIS 已經(jīng)逐漸趨于成熟與普及，然而處于執(zhí)行層的MES 制造執(zhí)行系在相應軟件的研發(fā)以及應用還未得到完善。企業(yè)應通過MES 系統(tǒng)來實現(xiàn)對信息和數(shù)據(jù)的分析處理、集成，來提高生產(chǎn)制造的水平，對整個制造業(yè)的水平提高也具有重要意義[4]。

該智能產(chǎn)線控制系統(tǒng)的核心是MES 系統(tǒng)，通過MES 系統(tǒng)強大數(shù)據(jù)采集的功能，來對產(chǎn)線上各個制造環(huán)節(jié)中RFID、CNC、PLC、PC 等一些數(shù)據(jù)采集渠道進行數(shù)據(jù)整合，來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的全面采集的功能，同時可以保證數(shù)據(jù)的實時性和準確性。工業(yè)機器人裝配以太網(wǎng)接口，Modbus 通信協(xié)議，能實現(xiàn)工業(yè)機器人與MES 制造系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)交互通信的功能。數(shù)控車床和五軸機床的控制和反饋信號可以直接連接到機床本身的I/O 模塊，其狀態(tài)可以通過網(wǎng)絡(luò)反饋到智能生產(chǎn)線主控系統(tǒng)。AGV 智能小車與料倉、加工單位定位臺、料盤等實現(xiàn)信號自動傳輸，依據(jù)信號指令正轉(zhuǎn)接料，反轉(zhuǎn)送料，實現(xiàn)自動精確定位接料；采用一種測頭對機床內(nèi)產(chǎn)品在裝夾狀態(tài)下進行測量以判斷合格與否的裝置；與數(shù)控系統(tǒng)進行通訊，實現(xiàn)自動測量；同時應帶有主軸保護功能。測量所得到的數(shù)據(jù)可以發(fā)送到控制系統(tǒng)，然后數(shù)據(jù)分析，給機床刀具半徑以及長度自動補償?shù)忍峁┮罁?jù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的搭建和網(wǎng)絡(luò)檢測通信狀態(tài)的連接需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖對產(chǎn)線上數(shù)控車床、五軸機床、工業(yè)機器人等設(shè)備和PLC、MES系統(tǒng)等進行端口和IP 的分配及設(shè)置。

根據(jù)產(chǎn)品的工藝流程應對PLC 進行調(diào)試并擴展相應模塊，對I/O 接口進行配置，實現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、人機交互、網(wǎng)絡(luò)通訊、故障診斷及處理、安全保護等功能；進行人機界面的設(shè)計和正確分配HMI 的寄存器、變量等數(shù)據(jù)，然后通過HMI 工控組態(tài)和相應的PLC 梯形圖的編程，實現(xiàn)與工業(yè)機器人、數(shù)控車床、五軸機床、智能料庫等各個設(shè)備之間的通信調(diào)試以及信號交互。最后完成各個設(shè)備與MES 系統(tǒng)的參數(shù)配置，實現(xiàn)信號交互、數(shù)據(jù)采集以及可視化管理[5]。最后通過數(shù)控云管家大數(shù)據(jù)平臺可在終端遠程實時查看設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)對設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、遠程化監(jiān)控和管理等功能。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)酥油燈傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的升級轉(zhuǎn)型，設(shè)計了集1 臺工業(yè)機器人及夾具、1 臺車床及工裝夾具、1 臺五軸機床及工裝夾具、RFID 射頻識別系統(tǒng)、滾筒輸送線、AGV 智能小車、檢測裝置、清洗機構(gòu)、安全圍欄組、PLC 控制器及MES 制造智執(zhí)行系統(tǒng)于一體的多功能、可個性化定制的酥油燈加工智能產(chǎn)線，分析并制定酥油燈的加工流程和加工工藝。旨在解決酥油燈傳統(tǒng)翻砂鑄造生產(chǎn)方式所導致的耗能污染、過量的粉塵以及有害氣體對人體造成的危害、加工出來的產(chǎn)品表面粗糙等問題，同時實現(xiàn)產(chǎn)品加工的多樣性，工業(yè)機器人替代人工生產(chǎn)也能保證產(chǎn)品加工的穩(wěn)定性問題。這條產(chǎn)線的設(shè)計思路是對酥油燈加工模式升級轉(zhuǎn)型的初步探索，為實現(xiàn)酥油燈加工的工藝路線，浮雕、圓雕、激光雕刻等加工工藝，同時為解決酥油燈數(shù)字化設(shè)計和制造等問題提供有效的思路方法，并通過合理的酥油燈智能產(chǎn)線設(shè)計，為未來智能制造提供技術(shù)儲備。