教学型智能制造生产线设计

肖全1

鞠全勇2苏醒3

（1.河海大学，江苏常州213000；2.金陵科技学院，江苏南京210000；

3.南京南戈特智能技术有限公司，江苏南京210000）

摘

要：工业智能化生产线的教学实训设备主要是为高校及学生提供切合实际的真实生产环境以及应用开发的技术

支持。为解决现有教学实训设备功能单一、不具备混单生产条件的问题，设计了一种以柔性混单智能生产线为基础的教学实训设备，包含了立体仓储站、环形传输站、机器人站、加工中心站、车床加工站、激光雕刻站、装配站、装配检测站和总控站，并分析了其技术要点与工作原理。

关键词：教学型；智能制造；生产线；设计中图分类号：TP278

文献标识码：A

文章编号：1672-4801（2019）06-010-05

DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2019.06.004

当前智能技术高速发展，智能制造成为我国制造业转型升级的重要手段。与此同时，我国对于智能制造专业人才的培养却稍显滞后。其中，高校的教学资源和实验设备的不足和落后严重制约了对于智能制造人才的培养[1]。随着“中国制造2025”战略计划的实施与推进，国家明确指出要打

站集于一条生产线。本设计智能制造生产线采用了模块化结构，每个加工站可单独进行加工，可根据加工需要选择不同的加工设备进行加工，还可根据不同的工艺需求增加或减少加工设备[5]，方便高校学生根据自身需求定制加工工艺。生产线总体结构如图1所示。

13492造智能制造人才队伍，鼓励有条件的高校建设智能制造实训基地[2]。本文设计了一种教学型智能制造生产线，目的是提供一种以柔性混单智能生产线为基础的教学实训设备，以解决现有的教学实训设备功能单一、不具备混单生产条件的问题，从而提高高校对智能制造人才的培养水平[3]。

81生产线总体结构

56目前企业用于实际生产的智能制造生产线规

图1生产线总体结构图

7模较大、操作复杂，且企业往往使用多条生产线，整个加工过程会在不同的产线上完成，故单个生产线的功能性相对单一、不适用于学生教学。为解决企业所用生产线不合适学生教学及目前高校所用教学设备落后、功能单一的问题，本文设计了一种功能齐全、设备简洁、操作简单、可靠性高的教学型智能制造生产线。

为使高校学生直接接触了解当今制造业先进的制造装备，教学型智能制造生产线引进了目前行业先进的制造装备形成各个加工站，包括立体仓储站、环形传输站、机器人站、加工中心站、车床加工站、激光雕刻站、装配站、装配检测站和总控

[4]

1.立体仓储站；2.环形传输站；3.机器人站；4.加工中心站；5.加工

车床站；6.视觉检测站；7.激光雕刻站；8.装配站；9.装配检测站

2加工站结构

教学型智能制造生产线的各个加工站可协同

完成复杂的加工，使高校学生对完整的产品生产工艺流程有深刻的认识；也可单独进行加工，用于学生完成不同的实验教学[6]。2.1

立体仓储站

立体仓储站包括货架和抓取搬运机构。货架用于存储工件。为分别存储毛坯与成品，设计了

作者简介：肖全（1995—），男，硕士生，研究方向为智能制造。

通讯作者：鞠全勇（1964—），男，教授，博士，研究方向为智能制造系统。

第6期肖全等：教学型智能制造生产线设计

11成品货架和毛坯货架，两货架相互平行且都为多层。抓取搬运机构位于两货架之间，可旋转抓取两货架上的工件。抓取搬运机构主要包含了XZ双轴运动模组和手爪机构。其中，手爪机构内装有RFID读写器，用于对出库进行加工的毛坯工件写入工艺路径、加工参数等柔性加工信息，也对加工完成入库的成品工件读取其订单信息。当上位机下达加工工单时，抓取机构将毛坯料从毛坯货架搬运至环形传输站上，使工件进行后续加工；当工件加工完成，通过环形传输站传送到立体仓储站时，抓取机构将工件搬运至成品货架，将成品存储。立体仓储站结构如图2所示。

1211151314图2立体仓储站结构图

11.14.XZ毛坯货架；双轴运动模组；12.成品货架；15.手爪机构

13.固定底板；

2.2环形传输站

环形传输站用于传输或阻挡待加工的工件，主要包括了一条环形传输线和多个缓存区。其中，缓存区包含RFID读写器和阻挡机构。RFID读写器可读取工件出库时写入的柔性加工信息并判断该工件是否需要该缓存区对应的加工站进行加工。若工件需要在其对应的加工站进行加工，则阻挡机构将该工件阻挡，并将该工件推入缓存台；若该工件不需要在其对应的加工站进行加工，则阻挡机构将该工件放行，使工件进入下一个加工站。环形传输站结构如图3所示。2.3

机器人站

机器人站的功能是将各个缓存区上的待加工工件搬运至各个加工站上。机器人站包含两组机

18191716图3环形传输站结构图

16.缓存区；17.RFID读写器；18.缓存台；19.光电传感器

器人手臂、机器人手爪和伺服驱动导轨，机器人手爪里装有RFID读写器。两组机器人分别位于环形传输站的左右两侧，位于左侧的机器人手臂用于搬运加工中心站、车床加工站以及视觉检测站的工件，位于右侧的机器人手臂用于搬运激光雕刻站、装配站以及装配检测站的工件。当工件在各个加工站上完成加工后，机器人在搬运工件的同时，也通过RFID读写器写入该工件完成加工的信息。机器人站结构如图4所示。

202221图4机器人站结构图

2.4

激光雕刻站

20.机器人手臂；21.导轨；22.抓取机构

激光雕刻站用于对工件表面雕刻图案。激光雕刻站包含激光雕刻机和雕刻滑台。激光雕刻机被固定在工作台上，雕刻滑台可相对于激光雕刻机水平移动。激光雕刻滑台包含滑轨组件、平面加工单元和曲面加工单元。平面加工单元用于对平面工件进行激光雕刻，利用定夹块、动夹块和推板气缸来夹紧工件，使工件固定，从而对工件表面进行激光雕刻。曲面加工单元用于对曲面工件进行激光雕刻，利用气动卡盘和夹紧气缸来夹紧工

12机电技术2019年12月件，使工件固定；同时该单元装有步进电机，步进电机驱动工作轴使工件旋转，从而可以对曲面工件的表面雕刻不同的定制图案。激光雕刻站结构如图5所示。

23262524图5

激光雕刻站结构图

24.滑台气缸；25.平面加工单元；

2.5装配站

26.23.曲面加工单元

激光雕刻机；装配站的功能是对密封盖、杯盖和杯体进行装配，主要包含了杯体装配单元、密封盖供料单元、密封盖装配单元和杯盖装配单元。杯体装配单元用于将杯体固定，密封盖供料单元可以存储若干密封盖并在装配时提供密封盖，密封盖装配单元用于将密封盖从密封盖供料单元装配至杯体内，杯盖装配单元用于将杯盖装配至杯体上。装配完成后可形成一个完整的茶罐样品。装配站结构如图6所示。2.6

装配检测站

装配检测站上装有装配检测台，用于检测工件的装配是否合格。装配检测台包含工件定位台、距离传感器、次品回收带和托盘回收带。待检测的工件被机器人放置工件定位台上，工件定位台可将工件固定在其上面，从而避免检测误差。位移传感器安装在立架上并且探测头朝向工件，通过测量传感器与杯盖之间的距离来判断该工件是否装配合格。次品回收带用于回收检测装配不合格的次品；当该工件被检测装配不合格后，则机

30292728图6装配站结构图

27.29.杯体装配单元；密封盖供料单元；28.30.杯盖装配单元；密封盖装配单元

器人将该工件搬运至该回收带上，等待人工检修。托盘回收带用于回收装杯盖的托盘；当工件

完成装配后，机器人将装杯盖的托盘搬运至该回收带上。装配检测站结构如图7所示。

37323336313534图7装配检测站结构图

31.32.立架；33.位移传感器；34.次品传送带；

2.7

35.托盘回收传送带；工件定位台；视觉检测站

36.光电接近开关；37.限位板

视觉检测站被安装在环形传输站上，位于车床加工站后端，用于检测加工中心站和车床加工站的加工是否合格。视觉检测站主要包含了检测站底板、光源和检测镜头。当工件检测合格后，机

第6期肖全等：教学型智能制造生产线设计

13器人将该工件放至传送带上，进入下一个加工站；当检测不合格后，该工件则被机器人搬运至人工检修站，等待人工检修。视觉检测站结构如图8所示。

4039要进入哪些加工站进行加工，环形传输站上的各个加工站对应的RFID读写器读取该工件的加工信息，判断其是否进入相对应的加工站进行加工。若该工件需要进入相对应的加工站进行加工，则该加工站对应的阻挡机构将其推入缓存台；若不需要进行加工，则阻挡机构将其放行，使其进入下一个加工站。

2）机器人站将工件从环形传输站上的各个缓3）工件最先进入加工中心站和车床加工站，4）工件完成铣削与车削加工后，进入视觉检

3生产线加工流程

教学型智能制造生产

38存台搬运至各个工作站内进行加工。

线的加工流程如图9所示。具体加工流程为：指令后，立体仓储站的抓取

1）当上位机下达下单

这两个站分别对杯盖、杯身的毛坯料进行铣削和车削加工。

搬运机构将毛坯工件搬运

至环形传输站上，同时手爪图8视觉检测站结构图上的RFID读写器在毛坯工件上写入该工件的工艺路

38.检测站底板；39.光源；40.检测镜头

测站。该站对之前进行铣削与车削加工的工件进行视觉检测，合格品被机器人放至环形传输线上，进入激光雕刻站；不合格品被机器人放入人工检修站，进行人工检修。

5）合格品完成视觉检测后进入激光雕刻站。径等柔性加工信息。加工信息内记录着该工件需

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14机电技术2019年12月该站对杯盖和杯体的表面雕刻预先设定的图案。将杯身、密封圈和杯盖装配在一起，形成完整的茶罐。

该工件的装配是否合格。检测合格的工件由机器人搬运至环形传输线上，进入立体仓储站，由抓取搬运机构搬运至成品货架上；装配不合格的工件由机器人放入次品传送带上，再由人工装配到位后放至环形传输线上等待再次检测。

7）装配完成后的工件进入装配检测站，检测6）激光雕刻完成后的工件进入装配站，依次

目前高校相关专业学习西门子S7系列PLC较多，为达到让学生提高实践能力和将书本与实际相结合的目的，本设计生产线采用西门子S7系列PLC作为控制器。其中使用S7-1500PLC作为总控站的控制器，S7-1200PLC作为各分站的控制器。

考虑到生产线需要多个PLC对各个加工站进行控制、各个PLC之间独立运行，又要将各个PLC集中控制，将总控系统设计为一个总控PLC控制多个分散的PLC的结构[8]。并且，考虑到生产线数据的采集及传输，采用当下热门的PROFINET工业以太网总线。PROFINET是一种基于工业以太网和IT标准的现场总线通信系统，具有数据传输速率高、数据容量大、响应速度快，稳定性好等优点[9]。系统通讯网络结构图如图10所示。

4电气控制系统

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，

具有网络通信能力，功能更强、可靠性高[7]；又鉴于

󱙫󱧗PLC󰓔󱦒󱵪??󱻰#1图10工业以太网结构图

5结束语

化，完整的模拟了真实生产线。6）实现MES底层硬件与软件的深度融合，实时采集监控生产线的数据及状态，实现了生产的智能化。

本设计教学型智能制造生产线不仅能为高校提供机械设计、电气自动化、自动控制、机器人技术、计算机技术、传感器技术、数控技术等方面的应用学习，使学生从实际的实验训练中获得相应的运用技能，提高高校对于智能制造专业人才的培养水平；还能作为相关企业进行设备革新的参照，有利于提高企业生产设备的智能化水平，进一步提高我国的智能制造水平。

本设计教学型智能制造生产线相较于目前已

有的教学设备具有以下优点：1）生产线引入了目前制造行业先进的制造装备构成各个加工站，可帮助学生了解行业的前沿科技。2）采用了模块化结构，高校可根据实际需要增加或减少加工设备。同时生产线上的各个加工站都可以单独完成加工，方便高校学生完成不同的实验教学。3）具有两种以上加工对象混单生产的优点，可对多种加工对象进行加工，也可完成不同产品的装配。4）可实现柔性化生产。不同产品的加工路径不同，同种产品的加工路径相同。5）实训内容多样

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