智能制造技術(shù)與工程應(yīng)用第九章智能制造系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)案例浙江省普通本科高校‘十四五’重點(diǎn)教材目錄2模塊化生產(chǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Modularproductionteachingexperimentsystem01名片盒激光雕刻系統(tǒng)Cardcaselaserengravingsystem02模塊化生產(chǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用背景供料、抓取、加工、搬運(yùn)、裝配和分揀是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。供料：將原材料或半成品送至生產(chǎn)線上，以供后續(xù)加工使用抓?。簩⑿枰庸さ奈锲窂墓┝衔恢没騼?chǔ)存位置中取出加工：對原材料或半成品進(jìn)行加工，以得到成品產(chǎn)品搬運(yùn)：將已經(jīng)加工好的物品從生產(chǎn)線上運(yùn)送至下一個(gè)環(huán)節(jié)，或者將儲(chǔ)存位置中的物品移動(dòng)到另一個(gè)位置裝配：將不同的零部件組合成一個(gè)成品產(chǎn)品分揀：將不同的物品按照一定的規(guī)則進(jìn)行分類這些環(huán)節(jié)的自動(dòng)化運(yùn)行和優(yōu)化管理可以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低成本，縮短時(shí)間，并且減少人力和資源的浪費(fèi)。模塊化生產(chǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用背景本節(jié)以模塊化生產(chǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計(jì)供料、抓取、加工、搬運(yùn)、裝配和分揀的模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和控制系統(tǒng)，對圓柱形工件底座進(jìn)行加工裝配和分揀，實(shí)時(shí)自動(dòng)化的生產(chǎn)流程。該系統(tǒng)是用臺(tái)達(dá)PLC作為控制核心，由檢測裝置、傳送帶、電磁閥、電機(jī)、機(jī)械爪和伺服電機(jī)等元件組成。檢測裝置將信號轉(zhuǎn)換為電信號傳達(dá)到PLC，PLC對采集到的設(shè)備位置及狀態(tài)信號做出判斷，以此來控制傳送帶和伺服電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作。圖9?1模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊化生產(chǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用背景該實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有以下特點(diǎn)：1.全自動(dòng)化模擬：實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠模擬多種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)物料輸入、加工、搬運(yùn)、裝配和分揀等全自動(dòng)化操作，讓學(xué)生真正了解自動(dòng)化生產(chǎn)的過程和特點(diǎn)。2.多樣化操作：實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠提供多種操作方案，包括不同的加工、搬運(yùn)和裝配方案，幫助學(xué)生理解不同操作的特點(diǎn)和應(yīng)用場景。3.真實(shí)環(huán)境模擬：實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠提供真實(shí)的工業(yè)環(huán)境和操作場景，幫助學(xué)生感受到生產(chǎn)現(xiàn)場的氛圍和壓力，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和應(yīng)對能力。4.互動(dòng)性強(qiáng)：實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有良好的互動(dòng)性，學(xué)生可以通過對機(jī)器人和控制器的操作，調(diào)整加工方案和參數(shù)，掌握控制技能和策略。系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)說明生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)是一種基于現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的教學(xué)設(shè)備，它能夠模擬工廠生產(chǎn)過程中的各種操作，包括供料、抓取、加工、搬運(yùn)、裝配和分揀等環(huán)節(jié)。圖9?1模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠提供真實(shí)的工業(yè)環(huán)境和操作場景，幫助學(xué)生掌握生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化的基礎(chǔ)知識(shí)和技能。系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由一系列的傳感器、執(zhí)行器和控制器組成，能夠模擬多種工業(yè)操作。在供料環(huán)節(jié)，可以模擬物料的輸入，通過傳感器檢測物料狀態(tài)，將物料送入下一步操作。在抓取環(huán)節(jié)，機(jī)械手單元可以自動(dòng)抓取物料，并精確定位。在加工環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以模擬多種工業(yè)加工操作，如鉆孔、焊接、削減等，提供不同的加工方案和參數(shù)。在搬運(yùn)環(huán)節(jié)，機(jī)器人可以根據(jù)預(yù)定路徑，將加工好的物料運(yùn)送到指定位置。在裝配環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以模擬多種組裝操作，包括裝配、拆卸、調(diào)整等，讓學(xué)生了解各個(gè)部件的構(gòu)造和關(guān)系。在分揀環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以根據(jù)要求將物料分類，完成分揀任務(wù)。系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析該系統(tǒng)的操作對象如下圖所示。在實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)送入白色或者黑色的圓柱底座，系統(tǒng)需要對底座進(jìn)行識(shí)別、加工、將白色合格的圓柱底座自動(dòng)地安裝入金屬圓柱銷，而不合格和黑色的圓柱底座通過分揀歸置到對應(yīng)的位置。圖9?2加工對象示意圖系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析2.供料檢測單元基本功能：提供毛坯件。在管狀料倉中可存放多個(gè)毛坯件。供料過程中，推料氣缸從料倉中將毛坯件逐一推出至傳輸帶的起始端，對工件進(jìn)行屬性區(qū)分并記錄，傳輸帶啟動(dòng)將工件移動(dòng)至傳輸帶末端停止。圖9?3供料檢測單元系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析下表為供料檢測單元相關(guān)參數(shù)。表9?1供料檢測單元相關(guān)參數(shù)系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析3.機(jī)械手單元機(jī)械手單元的基本功能：在氣動(dòng)搬運(yùn)單元，擺臂氣缸伸出到檢測單元一側(cè)，氣爪伸出并下降到工件位置并抓起，然后上升并縮回氣爪，轉(zhuǎn)動(dòng)180°將工件搬運(yùn)到加工單元第一個(gè)工位處。圖9?4機(jī)械手單元系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析下表為機(jī)械手單元相關(guān)參數(shù)：表9?2機(jī)械手單元相關(guān)參數(shù)系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析4.加工單元基本過程：上單元的合格工件通過滑道進(jìn)入四工位轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)；分別設(shè)置為一號待料工位、二號鉆孔工位、三號深度檢測工位、四號卸料工位，分別間隔90°轉(zhuǎn)角。當(dāng)檢測分揀單元的工件通過滑道落入待料工位后，轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)逐次旋轉(zhuǎn)90°，鉆孔機(jī)構(gòu)模擬鉆孔，深度檢測機(jī)構(gòu)檢測孔深。當(dāng)工件轉(zhuǎn)至第四工位時(shí)通知下一單元的機(jī)械手實(shí)施卸料工作。圖9?5加工單元系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析下表加工單元相關(guān)參數(shù)：

表9?3加工單元相關(guān)參數(shù)系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析5.搬運(yùn)單元基本過程：首先判斷加工零件的合格與否，將不合格工件從卸料工位直接提取到廢料槽；而將合格的加工工件則輸送至裝配單元，當(dāng)裝配完成后再將裝配好的總成品送到分揀單。圖9?6搬運(yùn)單元系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析下表搬運(yùn)單元相關(guān)參數(shù)：表9?4搬運(yùn)單元相關(guān)參數(shù)系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析6.裝配單元基本過程：首先載有工件的裝配平臺(tái)旋轉(zhuǎn)90度后，定位氣缸推出并使工件貼緊裝配件料倉，推料缸將圓柱銷推出裝配到工件的柱型孔中，裝配平臺(tái)恢復(fù)到平行狀態(tài)，完成裝配過程。圖9?7裝配單元系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析下表搬運(yùn)單元相關(guān)參數(shù)：表9?5裝配單元相關(guān)參數(shù)系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析7.分揀單元基本過程：進(jìn)入分揀單元的加工工件被分別放置在兩根不同的滑槽上。當(dāng)加工好的工件被送到檢測機(jī)構(gòu)上來，直流電機(jī)帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)通過分揀機(jī)構(gòu)判斷高低、黑白件，導(dǎo)向氣缸根據(jù)記錄的工件屬性分別動(dòng)作，完成分揀入槽。圖9?8分揀單元系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及分析下表搬運(yùn)單元相關(guān)參數(shù)：表9?6分揀單元相關(guān)參數(shù)系統(tǒng)功能配合設(shè)計(jì)及分析為了確保整個(gè)生產(chǎn)加工系統(tǒng)的各個(gè)模塊能夠協(xié)調(diào)配合，系統(tǒng)控制器和各個(gè)設(shè)備之間需要實(shí)現(xiàn)通信和相互協(xié)作。每個(gè)模塊既可以單獨(dú)操作，也可以聯(lián)機(jī)運(yùn)行，因此每個(gè)模塊都配備有一個(gè)獨(dú)立的PLC作為主控制器。圖9?9生產(chǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接圖系統(tǒng)功能配合設(shè)計(jì)及分析以搬運(yùn)模塊為例，該模塊中的氣爪（夾取底座）、氣缸（推出插銷）和電磁閥（控制氣路）等設(shè)備通過IO口連接至PLC，并受PLC控制。伺服電機(jī)則通過一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器與PLC相連，PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制（轉(zhuǎn)到對應(yīng)的角度進(jìn)行夾取動(dòng)作）。PLC和人機(jī)交互HMI觸摸屏之間通過以太網(wǎng)和RS485兩種方式連接。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可以通過路由器發(fā)送給同一網(wǎng)絡(luò)中的上位機(jī)（組態(tài)軟件），將整體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。圖9?10生產(chǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接實(shí)物圖系統(tǒng)功能配合設(shè)計(jì)及分析當(dāng)模塊單機(jī)運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)PLC單獨(dú)控制其下屬設(shè)備運(yùn)行。所有PLC之間通過DeviceNet串聯(lián)在一起，當(dāng)系統(tǒng)處于聯(lián)機(jī)運(yùn)行模式時(shí)，前后模塊之間的信號互相通信，前級動(dòng)作的完成情況及結(jié)果會(huì)決定后續(xù)模塊的運(yùn)行狀態(tài)。表9?7各模塊之間的信號傳遞關(guān)系系統(tǒng)功能配合設(shè)計(jì)及分析模塊化生產(chǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還設(shè)計(jì)的專門的人機(jī)交互主界面，如圖所示。通過人機(jī)交互的界面可以實(shí)現(xiàn)每一個(gè)環(huán)節(jié)操作進(jìn)程的監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理，包括：機(jī)種管理、參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)控制模式、IO口監(jiān)控、報(bào)警管理和形成DVR報(bào)表等。圖9?11HMI運(yùn)行主界面名片盒激光雕刻系統(tǒng)激光雕刻是一種高精度、高速、無接觸的加工技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電子、汽車、機(jī)械、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。激光雕刻具有高效、精準(zhǔn)、靈活等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要工具。激光雕刻自動(dòng)化流水線通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)將激光切割、雕刻、打標(biāo)等工藝與傳送帶、機(jī)械臂、傳感器等設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化加工、分類、分揀等功能，大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。應(yīng)用背景名片盒激光雕刻系統(tǒng)本節(jié)以名片盒激光雕刻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為研究對象，設(shè)計(jì)具有供料、預(yù)處理、激光雕刻、圖像識(shí)別和檢測、拋光、分揀和碼垛等功能的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和控制系統(tǒng)，對金屬長方形名片盒進(jìn)行加工，實(shí)時(shí)自動(dòng)化的生產(chǎn)流程。構(gòu)成：臺(tái)達(dá)PLC作為控制核心，由機(jī)械臂、激光雕刻機(jī)、攝像頭、檢測裝置、傳送帶、電磁閥、電機(jī)和伺服電機(jī)等元件。工作原理：檢測裝置將信號轉(zhuǎn)換為電信號傳達(dá)到PLC，PLC對采集到的設(shè)備位置及狀態(tài)信號做出判斷，以此來控制傳送帶和伺服電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作，同時(shí)PLC和機(jī)械臂、激光雕刻機(jī)和攝像頭之間通過網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)信號的傳輸和聯(lián)動(dòng)，協(xié)作配合實(shí)現(xiàn)各種操作功能。名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析1. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)說明工業(yè)現(xiàn)場的激光雕刻自動(dòng)化流水線通常包括自動(dòng)上下料、自動(dòng)定位、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)檢測等功能，還可以通過聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化管理和優(yōu)化。本名片盒激光雕刻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合應(yīng)用了智能制造中的先進(jìn)技術(shù)，通過六軸機(jī)械臂夾取翻轉(zhuǎn)、激光鐳雕機(jī)進(jìn)行激光雕刻和四軸機(jī)械臂夾取后送圖像識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，可高效高質(zhì)量地完成名片盒的制作。圖9?12整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)俯視圖名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析本系統(tǒng)的加工對象是長9.3cm、寬6.2cm、高1cm的鋁合金名片盒，通過本系統(tǒng)的加工，可以在名片盒的正反兩面實(shí)現(xiàn)任意文字/圖案的激光雕刻。整個(gè)加工系統(tǒng)可以分為四個(gè)加工單元：預(yù)處理單元、激光雕刻單元、視覺檢測及傳送單元以及最后的綜合單元。圖9?13成品效果圖名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析整體的運(yùn)行流程：1.六軸機(jī)械臂能夠精準(zhǔn)地夾取名片盒并進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以便在另一面進(jìn)行激光鐳雕。激光鐳雕機(jī)具有高精度和高效率，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的雕刻任務(wù)。2.四軸機(jī)械臂將夾取已完成激光雕刻的名片盒并送入圖像識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。該系統(tǒng)能夠迅速識(shí)別和篩選出質(zhì)量合格的產(chǎn)品并送入下一加工環(huán)節(jié)，而不合格的名片盒將被移至廢品盒中。3.通過傳送帶，已經(jīng)通過質(zhì)量檢驗(yàn)的產(chǎn)品將被送往綜合單元，由另外一臺(tái)六軸機(jī)械臂和相關(guān)機(jī)構(gòu)對名片盒進(jìn)行清理和打磨，以獲得更高的制品質(zhì)量和美觀度。4.優(yōu)質(zhì)加工的名片盒將整齊地?cái)[放入指定的物料盤中。名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析2.預(yù)處理單元基本流程：兩個(gè)名片槽用于放置待加工的名片盒，左右兩側(cè)分別擺放正面和反面朝上的名片盒。名片盒底端有一個(gè)滑軌，可以推動(dòng)名片盒向上至夾取位置。夾取位置附近安裝接近開關(guān)，檢測最上方名片盒位置。本單元裝有一臺(tái)六軸機(jī)械臂，前端安裝真空吸盤，可吸附名片盒，將其放置于名片盒翻轉(zhuǎn)卡槽中。翻轉(zhuǎn)卡槽前端安裝的電機(jī)可以與氣泵配合，夾取名片盒并翻轉(zhuǎn)180°，將反面朝上的名片盒進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。當(dāng)名片盒翻轉(zhuǎn)完畢準(zhǔn)備就位時(shí)，六軸機(jī)械臂實(shí)施吸取并放至下一單元的1號加工位。圖9?14預(yù)處理單元名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析下表給出了預(yù)處理單元的相關(guān)參數(shù)：表9?8預(yù)處理單元相關(guān)參數(shù)名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析3.激光雕刻單元基本流程：1號加工位下方安裝有光電傳感器，當(dāng)1號加工位上方的名片盒就位后，通知加工盤旋轉(zhuǎn)，將名片盒移送至2號位，即激光雕刻位。雕刻完畢后送至三號位。四軸機(jī)械臂前端安裝有真空吸盤，可以將三號位的名片盒進(jìn)行吸取。如果需要雙面雕刻，則四軸機(jī)械臂夾取名片盒至翻轉(zhuǎn)卡槽進(jìn)行翻轉(zhuǎn)后再次送回加工盤進(jìn)行反面雕刻。如果是單面加工，則直接將名片盒送入下一環(huán)節(jié)的視覺檢測卡槽位置。圖9?15激光雕刻單元名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析下表給出了激光雕刻單元的相關(guān)參數(shù)：表9?9激光雕刻單元相關(guān)參數(shù)名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析4.視覺檢驗(yàn)單元及傳送單元視覺檢測卡槽位于可移動(dòng)的滑軌上，初始位于最右側(cè)。接收到名片盒后，移動(dòng)至攝像頭下方的拍攝位。攝像頭通過圖像識(shí)別判斷名片盒上雕刻的圖案是否正確，并將結(jié)果傳送給四軸機(jī)械臂2號。如果是雙面加工，二號機(jī)械臂將吸取名片至翻轉(zhuǎn)位，翻轉(zhuǎn)完畢后再放置回拍攝位進(jìn)行第二次反面的檢測。檢測完畢后如果合格，則機(jī)械臂將名片盒送入傳送帶，如果結(jié)果不合格，名片盒則送入廢品盒。圖9?16視覺檢驗(yàn)單元及傳送單元名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析下表給出了視覺檢驗(yàn)單元及傳送單元的相關(guān)參數(shù)：表9?10視覺檢驗(yàn)單元及傳送單元相關(guān)參數(shù)名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析5.打磨分揀碼垛綜合單元基本流程：雕刻和檢測完畢的名片盒經(jīng)過傳送帶，運(yùn)送至最后的綜合單元，在此進(jìn)行打磨、分揀和碼垛等系列操作。首先，在傳送帶的終端，由回轉(zhuǎn)氣缸和真空吸盤組成的結(jié)構(gòu)會(huì)將名片盒吸取至打磨卡槽中。就位之后，裝有打磨工件末端的六軸機(jī)械臂會(huì)對名片盒的表面進(jìn)行清理和拋光等處理。之后，裝有真空吸盤的桁車會(huì)將名片盒依次按順序整齊地?cái)[放至物料盤中。圖9?17打磨分揀碼垛綜合單元名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析下表給出了打磨分揀碼垛綜合單元及傳送單元的相關(guān)參數(shù)：表9?11打磨分揀碼垛綜合單元相關(guān)參數(shù)名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析每個(gè)模塊都配備有一個(gè)獨(dú)立的PLC作為控制器。模塊中控制復(fù)雜的組件，例如機(jī)械臂和觸摸屏，通過以太網(wǎng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。一些簡單的傳感器或者氣動(dòng)機(jī)構(gòu)，則可以通過IO口進(jìn)行控制。另外，整個(gè)系統(tǒng)中需要的氣動(dòng)裝置由統(tǒng)一的氣泵來提供氣壓，電磁閥提供氣路的切換控制。圖9?18名片盒激光雕刻系統(tǒng)的接口連接關(guān)系圖名片盒激光雕刻系統(tǒng)主要設(shè)備介紹及功能分析以激光雕刻單元為例，該模塊中的四軸機(jī)械臂、觸摸屏(HMI)和激光雕刻機(jī)等設(shè)備通過以太網(wǎng)連接至PLC，由PLC統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。其他結(jié)構(gòu)較為簡單的基礎(chǔ)裝置，可以直接通過IO口連接至PLC。氣泵為回轉(zhuǎn)氣缸、