自動生產(chǎn)線是在流水線的基礎上逐漸發(fā)展起來的，是通過工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，將—組數(shù)控機床和輔助設備按照工藝順序聯(lián)結(jié)起來，自動完成產(chǎn)品全部或部分制造過程的生產(chǎn)系統(tǒng)。在整個自動化生產(chǎn)線中，其具體組成所包括的內(nèi)容共有13個部分，主要為各個功能站點、不同功能模塊、傳感器、電磁閥及進出口接口等相關內(nèi)容。其中，功能站點主要包括工料站、加工站、裝配站與搬運站、成品分揀站；在各種不同模塊中，共包括5種類型，分別為變頻器模塊、電源模塊、PLC模塊與按鈕模塊、電機驅(qū)動模塊。在對這些部分進行集成的基礎上，自動化生產(chǎn)線不但能夠?qū)崿F(xiàn)上下料及加工，同時還能夠完成裝配、分揀以及輸送等相關內(nèi)容。
智能車床及車削中心作為單機產(chǎn)品，能夠滿足一般小型簡單零件的生產(chǎn)制造，然而隨著工業(yè)生產(chǎn)模式向自動化和柔性化轉(zhuǎn)型升級，傳統(tǒng)的流水線作業(yè)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有高精度、高效率、高柔性的生產(chǎn)要求，因此，基于智能機器人和智能車床、智能車削中心發(fā)展起來的智能車削生產(chǎn)線，將會成為生產(chǎn)自動化的主要發(fā)展方向。智能車削生產(chǎn)線涉及生產(chǎn)線總控、質(zhì)量檢測、搬運機器人、加工機床、物流運輸線、生產(chǎn)管理和成品倉儲等設備，每一臺設備都是智能車削生產(chǎn)線中的重要組成部分。由多條智能生產(chǎn)線，通過進一步的系統(tǒng)集成，將能夠形成數(shù)字化車間和數(shù)字化工廠，實現(xiàn)整個工廠的自動化和智能化。
「 1. 智能生產(chǎn)線總體布局 」
圖1所示是一條典型的智能車削生產(chǎn)線，主要完成零件從毛坯到成品的混線自動加工生產(chǎn)。車削生產(chǎn)線由產(chǎn)線總控系統(tǒng)、在線檢測單元、工業(yè)機器人單元、加工機床單元、毛坯倉儲單元、成品倉儲單元和RGV小車物流單元組成，加工設備采用陜西寶雞機床集團有限公司生產(chǎn)的CK系列智能機床，該機床裝載了寶雞B80智能數(shù)控系統(tǒng)。
圖1 智能車削生產(chǎn)線[1]
1）總控系統(tǒng)和檢測單元
圖2所示為陜西寶雞機床集團有限公司設計的典型總控系統(tǒng)，由室內(nèi)終端和現(xiàn)場終端兩部分組成。室內(nèi)終端配備多臺顯示器及數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫負責接收整個生產(chǎn)車間傳輸過來的制造生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，顯示器用于用戶車間現(xiàn)場各項狀態(tài)的顯示，包括設備運行狀態(tài)、零件加工狀態(tài)、物流情況、人員狀況以及用戶車間現(xiàn)場溫度、濕度等環(huán)境信息，高層管理人員在室內(nèi)終端可以非常方便、直觀清晰地查看現(xiàn)場的各項狀況。在用戶生產(chǎn)車間中，配備現(xiàn)場終端，用于控制整個生產(chǎn)線的現(xiàn)場運行，完成設備基礎數(shù)據(jù)的采集、分析、本地和遠程管理、動態(tài)信息可視化等操作。現(xiàn)場終端配備顯示器，通過顯示器可以清晰方便地查看用戶車間的各項狀態(tài)，包括設備監(jiān)控、生產(chǎn)統(tǒng)計、故障統(tǒng)計、設備分布、報警分析、工藝知識庫等?，F(xiàn)場終端可以添加生產(chǎn)管理看板、實現(xiàn)加工程序的上傳下載、人員刷卡身份識別以及生產(chǎn)任務的進度統(tǒng)計與分析等功能，可以通過有線、Wi-Fi、2G/3G/4G/5G等多種接入方式進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與傳輸，搜集到的相關制造大數(shù)據(jù)可通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)接脩羰覂?nèi)終端的SQLServer數(shù)據(jù)庫中，通過終端計算機與室內(nèi)終端進行數(shù)據(jù)交互。
圖2 總控系統(tǒng)[2]
圖3所示是典型的在線檢測單元，由工業(yè)機器人、末端執(zhí)行器和多源傳感器等組成。物流系統(tǒng)將成品運輸?shù)街付ㄎ恢弥?，工業(yè)機器人將整個檢測單元移動到指定工位上，通過視覺相機對待檢測零件進行拍照識別和定位，工業(yè)機器人再次調(diào)整自身位置，使整個檢測單元對準待檢測部位。
圖3 在線檢測單元
其中，識別與定位完成之后，由末端執(zhí)行器負責待檢測零件的抓取，通過工業(yè)機器人將零件轉(zhuǎn)移到檢測臺上的指定位置，由檢測臺上預先配備的多源傳感器對待檢測零件的孔徑、窩深、曲率、粗糙度、齊平度等精度指標進行在線檢測，也可以通過智能算法對零件進行自動測量和自動分類，將不同類型的零部件轉(zhuǎn)移到不同的物流線上，完成零件的自動分類操作。檢測單元通過互聯(lián)網(wǎng)可以將檢測結(jié)果返回給總控系統(tǒng)，操作人員通過室內(nèi)總控系統(tǒng)或者現(xiàn)場總控系統(tǒng)的終端電腦和顯示器可以直接觀看到零件的檢測結(jié)果，符合檢測要求的，直接進行下一工位操作，不符合要求的，在顯示器上顯示不合格提醒，由操作人根據(jù)零件的不合格程度進行判定與決策。在檢測完成之后，末端執(zhí)行器抓取已檢測零件，工業(yè)機器人將已檢測零件轉(zhuǎn)移到物流系統(tǒng)上，由物流系統(tǒng)運送到下一工位進行處理。
2）工業(yè)機器人和車削機床單元
圖4所示是陜西寶雞機床集團有限公司設計制造的加工模塊，由工業(yè)機器人和車削機床兩部分組成。其中，工業(yè)機器人負責待加工零件的移動和抓取，車削機床為智能機床，能夠保證高精度和加工效率。
圖4 加工模塊
物流配送系統(tǒng)將毛坯零件或者半成品零件運輸?shù)街付üの恢?，由工業(yè)機器人抓取毛坯零件或者半成品零件，將其放入智能車削機床中，輔助機床完成待加工零件的裝夾工作。對于雙工位車削機床，在其中一臺智能車床完成車削工作之后，由工業(yè)機器人將半成品零件轉(zhuǎn)移到另外—臺智能車床中完成下一工位的加工。待所有的加工工作完成之后，由工業(yè)機器人將成品零件抓取轉(zhuǎn)移到物流系統(tǒng)中，由物流系統(tǒng)將零件轉(zhuǎn)移到下一工位。
車削機床配備了智能健康保障功能、熱溫度補償功能、智能斷刀檢測功能、智能工藝參數(shù)優(yōu)化功能、專家診斷功能、主軸動平衡分析和智能健康管理功能、主軸振動主動避讓功能和智能云管家功能[3]。智能機床的主要作用是與工業(yè)機器人配合完成不同階段的加工生產(chǎn)任務，同時保證零件加工生產(chǎn)的效率和精度。用戶可以根據(jù)生產(chǎn)車間需要，將智能機床更換為不同檔次的機床，如高速車削機床、精密車削機床和加工中心等，也可以根據(jù)自身需要增加或減少相應的智能化功能，以組成最適合企業(yè)生產(chǎn)需求的車削生產(chǎn)線。
3）物流與成品倉儲單元
圖5所示是陜西寶雞機床集團有限公司設計和生產(chǎn)的典型物流單元，由工業(yè)機器人、末端執(zhí)行器、RGV小車、零件托運工裝和行走軌道組成，主要實現(xiàn)機床加工零件的轉(zhuǎn)移運輸工作。在用戶車間中，根據(jù)生產(chǎn)任務的需求，智能生產(chǎn)線可以選擇配備單條或者多條物流生產(chǎn)線。機床較少或者加工任務較為簡單的智能車削生產(chǎn)線，可以采用單物流線模式，完成上料、轉(zhuǎn)移和下料等操作；機床任務較多或者加工任務較為復雜的情況，為了避免物流系統(tǒng)的任務繁雜和沖突，可以配備兩條或者多條物流線，一條用于毛坯零件或者半成品零件的上料，—條用于中間過程的轉(zhuǎn)運，—條用于成品零件的下料。對于加工場景較為簡單的智能車削生產(chǎn)線，工業(yè)機器人可以固定不動，即可完成零件的裝夾和取放；對于較為復雜的智能車削生產(chǎn)線，可以再單獨配備移動機器人，在行走軌道上進行零件的分配、抓取和釋放工作。各工位之間的零件轉(zhuǎn)移由RGV小車完成，通過自動編程，RGV小車能夠在指定時間內(nèi)準確無誤地到達預定的位置，以保證工業(yè)機器人能夠順利識別并抓取零件。RGV小車上配備零件托運工裝，用戶車間可以根據(jù)加工零件的大小及尺寸，配備不同的工裝，待工裝各位置已裝滿足夠的毛坯零件或者成品零件后，RGV小車運行，完成相應的上料、轉(zhuǎn)運和下料工作。
圖5 物流單元圖6成品倉儲單元
圖6所示是陜西寶雞機床集團有限公司設計和生產(chǎn)的典型成品倉儲單元，由倉儲柜、工業(yè)機器人、末端執(zhí)行器、行走軌道組成。零件在完成加工之后，由RGV小車將成品零件轉(zhuǎn)運到下料區(qū)，工業(yè)機器人移動到下料區(qū)，末端執(zhí)行器根據(jù)成品零件編號，將成品零件進行抓取，再由工業(yè)機器人將成品零件轉(zhuǎn)移到倉儲柜的指定位置。末端執(zhí)行器需要各用戶單位根據(jù)加工零件的形狀、尺寸進行特殊設計，以滿足不同零件的抓取工作。倉儲柜由大小相同的獨立小柜構(gòu)成，各小柜之間可以快速地拼接和拆分。對于固定式工業(yè)機器人，用戶車間應當根據(jù)工業(yè)機器人的最大工作高度和最大工作范圍，自行調(diào)整設計倉儲柜長度和高度。配備行走軌道的工業(yè)機器人，成品倉儲柜可以設計得相對長一些。機器人通過行走軌道，能夠增加工作覆蓋范圍，行走軌道可以根據(jù)需求，設置為直線形或者環(huán)形。對于有多個倉儲柜的用戶車間，或者有不同零件分類的成品倉儲柜，用戶單位也可以調(diào)整行走軌道的長度和形狀，如環(huán)形軌道就能使一臺機器人對應多個成品倉儲柜，實現(xiàn)—臺機器人多服務，提高機器人利用率。成品物流倉儲柜數(shù)量較多的時候，應當增加行走軌道的長度，或者配備兩個及以上的工業(yè)機器人以保證物流的效率。需要注意的是，行走軌道長度設計要考慮機器人的行走時間，不能設計得過長，如果機器人行走時間過長，則可能導致物流配送效率低，造成成品零件在下料區(qū)出現(xiàn)堆積，產(chǎn)生零件碰撞等意外，這樣反倒增加了生產(chǎn)風險，同時也降低了工作效率。
「 2. 機床控制器的控制層級 」
人工智能與計算機技術的結(jié)合，極大地推動了數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度，主要體現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：
?。?）應用前饋控制、在線辨識、控制參數(shù)的自整定等技術提高驅(qū)動性能的智能化；
?。?）利用自適應控制技術實現(xiàn)加工效率和加工質(zhì)量的智能化；
?。?）應用專家系統(tǒng)等智能技術實現(xiàn)故障診斷、智能監(jiān)控等加工過程控制方面的智能化。
制造過程中，機床控制器的控制層級可以劃分為圖7所示的3個層級，包括電機控制層級、過程控制層級和監(jiān)督控制層級。其中，電機控制層級可以通過光柵、脈沖編碼器等機床檢測設備實現(xiàn)機床的位置和速度監(jiān)控；過程控制層級主要包括對加工過程中的切削力、切削熱、刀具磨損等進行監(jiān)控，并對加工過程參數(shù)做出調(diào)整；監(jiān)督控制層級是將加工產(chǎn)品的尺寸精度、表面粗糙度等參數(shù)作為控制目標，以提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量。
圖7 機床控制器的控制層級
1）智能化加工控制國外發(fā)展趨勢
?。?）智能控制策略研究：在神經(jīng)網(wǎng)絡控制加工領域，專家提出了一種粒子群驅(qū)動的魚群搜索算法，用來優(yōu)化數(shù)控機床加工參數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡需要進行過程迭代、收斂受網(wǎng)絡復雜度的影響要花費一定時間的問題，為了解決這一問題，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法的混合方法以減少神經(jīng)網(wǎng)絡的計算復雜度和時間消耗，并對平面加工的特征識別進行模擬實驗，證明其可行性。有人提出了一種基于遺傳算法，適用于求解細小的切削力預測模型，該模型可以實現(xiàn)對切削力的預測和對切削參數(shù)的優(yōu)化。
?。?）加工過程的監(jiān)控應用：監(jiān)控監(jiān)測加工過程中的不正?，F(xiàn)象，進而采取停止加工過程、調(diào)整加工過程參數(shù)（如主軸轉(zhuǎn)速）以避免機床破壞。加工過程的不正常現(xiàn)象可能是漸進產(chǎn)生的，如刀具磨損；也可能突然產(chǎn)生，如刀具破損；或者可以預防，如振動或顫振。
2）智能加工控制國內(nèi)發(fā)展趨勢
在智能化控制下，自動化系統(tǒng)能夠主動對故障進行檢修，因為自動化系統(tǒng)在應用過程當中能夠很好地將所有的機器通過計算機語言聯(lián)系在一起，并產(chǎn)生一個具有聯(lián)動性的處理系統(tǒng)。根據(jù)采用的傳感器、控制方法和控制目標的不同，對加工過程監(jiān)控的研究主要集中在以下幾個方面：
?。?）通過對刀具磨損的研究，實現(xiàn)加工狀態(tài)監(jiān)控；
（2）通過對測力儀或測量電機電流等間接方式獲得的切削力的研究，對加工過程狀態(tài)進行改進；
?。?） CAM領域的離線參數(shù)優(yōu)化研究；
?。?）智能加工控制算法仿真研究等。
「 3. 數(shù)控機床全生命周期管理服務平臺 」
智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，實現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。數(shù)據(jù)和信息是智能制造中流動著的“血液”，數(shù)字化將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成信息，通過網(wǎng)絡化和智能化決策創(chuàng)造出有用的價值，因此，智能產(chǎn)品制造都是由數(shù)據(jù)驅(qū)動的。產(chǎn)品全生命周期建檔分為4個階段。
?。?）部件生產(chǎn)階段：采購環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)、測試入庫記錄；
?。?）配套產(chǎn)品入庫階段：配套產(chǎn)品入庫檢測記錄、配套產(chǎn)品采購訂單信息；
?。?）機床整機調(diào)試階段：機床制造過程數(shù)據(jù)、機床出廠測試調(diào)機數(shù)據(jù)、機床出廠記錄；
?。?）機床交機階段：用戶開機、調(diào)機數(shù)據(jù)記錄、自主維修、—鍵報修、用戶維修記錄、用戶使用過程數(shù)據(jù)。
數(shù)控機床全生命周期管理服務平臺應用物聯(lián)網(wǎng)、云服務、大數(shù)據(jù)等關鍵技術，采集數(shù)控機床從設計、加工到機床整機調(diào)試，用戶交機使用等全生命周期數(shù)據(jù)，建立機床檔案數(shù)據(jù)庫，進行全生命周期信息追溯，為用戶提供遠程設備監(jiān)控、生產(chǎn)統(tǒng)計管理、設備運行維護等服務。圖8所示為陜西寶雞機床集團有限公司的寶雞云（BOCHICLOUD）技術架構(gòu)。寶雞云的核心亮點是其運維服務功能：
?。?）故障案例知識庫：為用戶提供故障解決方案；
?。?）故障報修：設備故障在線報修、報修訂單及時派遣、工程師快速跟進等；
?。?）定期保養(yǎng)：跟蹤設備全生命周期性能變化，提供定制化保養(yǎng)計劃；
?。?）預測性維護：預測設備潛在的故障風險并及時備件。
圖8 BOCHICLUD技術架構(gòu)[4]
「 4. 數(shù)字化生產(chǎn)線系統(tǒng)集成 」
隨著集成控制系統(tǒng)技術的快速發(fā)展，自動化生產(chǎn)線向著更高的自動化和集成化方向發(fā)展。生產(chǎn)線集成控制是通過某種網(wǎng)絡將其中需要連接的智能設備進行組網(wǎng)，使之成為一個整體，使其內(nèi)部信息實現(xiàn)集成及交互進而達到控制目的。生產(chǎn)線集成控制的種類有設備集成和信息集成兩種。設備集成是通過網(wǎng)絡將各種具有獨立控制功能的設備組合成一個有機的整體，這個整體是一個既獨立又關聯(lián)而且還可以根據(jù)生產(chǎn)需求的不同而進行相應組態(tài)的集成的控制系統(tǒng)。信息集成是運用功能模塊化的設計思想實現(xiàn)資源的動態(tài)調(diào)配、設備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集處理、質(zhì)量控制等功能，構(gòu)成包括獨立控制等處理功能在內(nèi)的基本功能模塊，各個功能模塊實現(xiàn)規(guī)范互聯(lián)，構(gòu)造功能單元時采用特定的控制模式和調(diào)度策略，達到預期的目標，進而實現(xiàn)集成控制。
傳統(tǒng)的自動化企業(yè)專注于設備級的自動化實現(xiàn)，但對上層SCADAMES/ERP等系統(tǒng)不熟悉，致使忽視生產(chǎn)線信息的數(shù)字化獲取及生產(chǎn)信息的橫向、縱向流動。MES/ERP等軟件系統(tǒng)企業(yè)專注于上層系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)分析與調(diào)配控制，對于底層型號各異的執(zhí)行設備和控制器等硬件設備以及控制方式難以涉及，影響信息縱向流動。通過數(shù)字化測量實現(xiàn)制造信息（關鍵參數(shù)）的數(shù)字化獲取及流轉(zhuǎn)，可打通上層系統(tǒng)與底層生產(chǎn)線之間的阻隔，釋放已有的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)力，加快我國制造業(yè)發(fā)展進程。通過集成工裝設計、制造、管理技術，構(gòu)建工裝數(shù)字化生產(chǎn)線，實現(xiàn)工裝研發(fā)過程各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)流的暢通，才能充分發(fā)揮數(shù)字化技術在工裝研發(fā)過程中的作用，從而提高工裝制造精度和效率，縮短研制周期，降低研制成本。
生產(chǎn)線集成控制是將通信、計算機及自動化技術組合在一起的有機整體。為了使生產(chǎn)線中各設備和分系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)采用PLC及其分布式遠程I/0模塊實現(xiàn)生產(chǎn)單元的“集中管理、分散控制”；同時PLC接收來自上位MES系統(tǒng)的管理，包括操作人員信息核對、產(chǎn)品控制、物料管理等信息。生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示，通信內(nèi)容包括操作人員身份識別、生產(chǎn)線線體狀態(tài)、機械手信息、機器人信息、工件加工信息、機床工作狀態(tài)及各種故障信息等。
圖9 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
控制系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖10所示，采用PROFINET網(wǎng)絡與底層的現(xiàn)場IO設備通信， IO設備包括IM151-3PN現(xiàn)場模塊、ET200ecoPN輸入輸出模塊、RF180C通信模塊等具有以太網(wǎng)功能的模塊。為了與車間其他單元PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，控制系統(tǒng)還配備了工業(yè)級PN/PN耦合器，通過該網(wǎng)橋，可以實現(xiàn)自動生產(chǎn)線與車間其他PLC系統(tǒng)之間的信息交互。同時，為了保證生產(chǎn)的可靠性，在各單元的控制器間采用光纖環(huán)網(wǎng)連接，一旦MES系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)可以脫離MES系統(tǒng)正常運行。
圖10 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)
