CN105023500A - 一种智能流水线实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能流水线实验装置，包括依次完成分拣备料工段、加工装配工段、质量检验工段、打印包装工段和立体仓储工段的分拣备料单元、加工装配单元、质量检验单元、打印包装单元和立体仓储单元，且各个单元独立控制。本发明的智能流水线实验装置，通过灵活的工艺流程配置及智能控制，可以满足多层次的实验教学需求，其每个工段都可以独立工作运行，实验者可以对实验内容进行专项、重点的操作与研究，并且在同一时间内可以进行多项科目或实验，从而提高了实验平台的利用效率。

Description

一种智能流水线实验装置

技术领域

本发明涉及智能制造领域，具体涉及一种智能流水线实验装置。

背景技术

进入21世纪后，新能源、互联网、生物技术和新材料正在快速形成巨大产业能力和市场，这使得整个工业生产体系提升到一个新的水平，推动了一场新的工业革命。“工业4.0”是由德国政府在2013年汉诺威工业博览会上首次提出的，这寓意人类将迎来以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。工业4.0是一个产业的技术转型，是产业的变革。它提出的智能制造是面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化制造。智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术以及人工智能的基础上，通过感知、人机交互、决策、执行和反馈，实现产品设计过程、制造过程和企业管理及服务的智能化，是信息技术与制造技术的深度融合与集成。由此而产生了智能工厂和智能制造等概念。

但随着计算机及控制技术的发展，在高校及研究所方面，相关研究学者已经在控制理论及运筹方面有很多创新性的理论；在企业方面，工程师们也已经设计出了很多可供工程应用的设备。针对智能工厂及智能制造的实验研究，国内外通常以计算机仿真实验或单元装置对象过程控制装置为主要手段，如国内浙江大学研制了一种流水线炉温控制实验装置，可以进行多温度对象自动控制实验教学；同济大学研制了一种智能制造流水线实验系统，实现了自动加工控制和机器人搬运等功能；国内某职业技术学校研制的汽车模拟组装喷涂流水线实验装置，可以针对汽车装配线进行汽车生产过程仿真培训等实验。

公开号为103236202A的发明公开了一种集成式流程工业动态过程控制实验装置。实验装置的被控对象采用无管路、无阀门集成基本单元即阻容环节构成，可以模拟对象的动态特性，并且可对大化工、流体等生产装置、设备和机器工艺过程进行过程控制模拟实验。

公开号为104108581A的发明公开了一种智能流水线，包括检测仪、传送带、传动轮、基础支架、控制器和电动机，对运输的物品进行湿度和金属异物的检测，检测到异常后进行停车报警。

公开号为103914042A的发明公开了一种柔性智能化设备，包括柔性执行单元和控制器单元。柔性执行单元包括：电机，用于驱动终端的加工结构执行基本加工动作，基本加工动作由加工工序经过分解形成；驱动器，具有通信接口和电机驱动接口，驱动器还包括可配置的柔性系统模块，驱动器通过通信接口接收驱动配置信息，根据驱动配置信息对柔性系统模块进行配置，并通过电机驱动接口输出用于驱动电机的驱动信号。控制器单元管理多个柔性执行单元，并提供计算服务；并对应执行一个较为完整的工艺。

由于智能工厂及智能制造生产过程的复杂性，制作相应的实验装置需要耗费较高成本，现在还没有较完备的用于实验教学的智能流水线生产装置。

发明内容

本发明提供了一种智能流水线实验装置，用于智能制造科研实验及教学。流水线生成过程包括分拣备料、加工装配、质量检验、打印包装、立体仓储五个工段。本发明的智能流水线实验装置针对每个工段均采用模块化设计的方法，具有独立的分布式控制系统，可以独立完成其模块功能，并通过工业以太网互相连接，形成一个完整的智能生产流水线系统。在根据用户订单确定产品及生产模式之后，围绕所选定的原料和生产方案，可以配置整体生产工艺流程。本装置可真实反映智能流水线生产过程，具有较强的生产柔性及智能控制效果。

一种智能流水线实验装置，包括：

分拣备料单元，用于完成对原料进行筛选、摆放，放入备料仓库的分拣备料工段；

加工装配单元，用于完成从备料仓库中获取原料，并传送至装配转盘进行加工组装的加工装配工段；

质量检验单元，用于完成对加工组装得到的成品进行质量检测的质量检测工段；

打印包装单元，用于完成对质量检测合格成品进行成品包装以进行存储的打印包装工段；

立体仓储单元，用于完成成品的立体仓储工段。

本发明中分拣备料工段采用混合进料，按产品订单要求分解原料组成配方，采用机械手臂将原料筛选、摆放，放入备料仓库备用。

本发明中质量检验单元，包括检测智能相机及图像识别部件(多基于微处理器实现，本发明中优选为计算机)，通过对比被检产品与目标产品的颜色、形状，判断产品是否合格。

以上每个单元采用模块化设计的方法，可以独立工作完成模块功能。在确定产品及生产模式之后，围绕所选定的原料和产品方案，可以确定整体生产工艺流程。

所述原料为具有特殊形状的小型木制工件模块，尺寸不超过20cm。

作为优选，所述小型木制工件模块具有4种不同形状，分别为长方体、圆柱体、正方体及五角星体，6种不同颜色，每个工件预留2个圆形安装插孔及插杠。且对于形状为长方体、圆柱体、正方体的小型木制工件模块，其长、宽、高的最大尺寸不大于20mm，对于五角星体的小型木制工件模块，其五角星外接圆直径不大于20mm，五角星体高度不大于20mm。

在进行流水线工作时，可根据订单选择不同颜色和不同形状工件模块进行组装形成不同的产品。

优选地，对原料进行分类处理，一类预先进行贴码处理，定义为精加工原料工件，另一类未经贴码处理，定义为粗加工原料工件。

所述分拣备料单元包括：

用于放置备料的工件平台部件；

用于对放置于工件平台部件上的进料进行进料检测的进料检测部件；

用于根据进料检测部件的进料检测结果从工件平台部件抓取备料并放置于相应的进料传送带上的抓取机械臂；

用于将备料传送至下工位的进料传送带；

以及用于控制分拣备料工段和显示分拣备料工段进程信息的人机交互设备。

作为优选，所述工件平台部件包括1个原料框和8个备料轨道。

进一步优选，所述分拣备料单元还包括用于对备料进行视觉分拣的视觉分拣单元。

相应的，本发明的智能流水线实验装置提供了2种备选的生产工艺流程。当订单选用低成本未贴码的粗加工原料时，选用带视觉分拣工段的生产流程，即进行流水线作业时利用视觉分拣单元对初始原料进行分类筛选以及贴码处理，然后再进料检测即后续工段流程；当选用高成本的已贴码精加工原料时，可以直接通过机械手将原料放入备料轨道中，进行下后续工段流程。且备料工序和流程可以根据订单产品进行自动配置。

所述加工装配单元包括：

具有多个工位的装配转盘；

用于从备料仓库中抓取进料并放置于装配转盘上的预定工位处的进料机械臂；

用于检测装配转盘上进料进行进料检测的进料检测部件；

用于对装配转盘上原料组装并将组装得到的成品推出的装配机械臂；

以及用于控制加工装配工段和显示加工装配工段进程信息的人机交互设备。

作为优选，所述的进料机械臂和装配机械臂均为6轴机器人多自由度的机械臂，所述的装配转盘为8工位自动装配转盘。进一步优选，所述的包装单元还用于在质量检测合格成品进行激光打印预定图案。

本发明的智能流水线实验装置中各个机械臂(包括抓取机械臂、进料机械臂和装配机械臂)以及装配转盘均设有由相应的控制单元进行控制完成相应的动作。

本发明一种智能流水线实验装置，通过灵活的工艺流程配置，可以满足多层次的实验教学需求。由于每个工段都可以独立工作运行，实验者可以对实验内容进行专项、重点的操作与研究，并且在同一时间内可以进行多项科目或实验，从而提高了实验平台的利用效率。

附图说明

图1为本实施例的智能流水线实验装置的结构示意图；

图2为本实施例的智能流水线实验装置的工艺方案1；

图3为本实施例的智能流水线实验装置的工艺方案2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明智能流水线实验装置做详细描述。

如图1所示，一种智能流水线实验装置包括分拣备料单元、加工装配单元，产品质检单元、质量检验单元、打印包装单元和立体仓储单元。

(a)分拣备料单元，用于完成分拣备料工段进行选料备货，包括HMI人机交互设备、工件放置平台、智能相机、抓取机械臂、进料传送带。

HMI人机交互设备是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，通过显示HMI人机界面(Human Machine Interface)实现了信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。

在本装置中，HMI人机界面显示如下信息，方便操作人员实时了解设备的运行情况：

1)原料盛放容器中原料的数量。当容器中数量不足时，提醒工作人员进行原料的添加。

2)图像识别的结果。在界面中，应当能够在每一次智能相机按照设定的图像识别算法进行图像识别后进行识别结果的显示，方便对识别程序的正确性进行确认。

3)分拣后的原料的数量及种类统计结果。对经过分拣后的原料进行统计，明确原料的形状、颜色、数量，一方面可以将信息传递给装配环节进行调度安排，一方面可以提醒工作人员对原料进行初筛选，尽量保证装配所需原料的充足性。

工件放置平台，用作待分拣原料盛放容器，原料在工作人员投入之后会首先进入一个暂时存储区，之后再进入工件放置平台。

由于智能相机的图像识别功能需要原料间有较大的空隙，并且原料需要与放置平台的底色进行对比，因此不能在第一时间将所有原料放置于工件放置平台上，否则工件的严重重叠将导致图像识别的失败。

在进行图像识别分拣的时候，放置于暂时存储区的原料通过抖动的方式，以每次小批量的形式，经过斜滑道滑入工件放置平台。之后工件放置平台通过顶起底板或抖动的方式带动其中的原料运动，改变其摆放方式，方便图像识别。

智能相机，用于对工件放置平台中的原料的摆放方式发生变化时进行摄影照相。

当每一次工件放置平台中的原料经运动改变摆放方式后，智能相机进行摄影照相。相机安装位置位于工件放置平台正上方，在照相之前还需要进行照明、对焦等步骤。

基本确定对所选相机的功能要求。在照相完成后，进行图像识别处理，获取原料的位置信息(原料在工件放置平台上的位置)为接下来的抓取机械臂提供原料的位置信息。

抓取机械臂，用于根据原料的位置信息夹起原料放入传送带(进料传送带)。

图像识别结果的分享需要其与机械臂有统一的定位规则。机械臂的前段结构在夹起原料的时候需要随着原料的摆放位置进行旋转调整，确保原料在放入传送带时有统一确定方向，方便随后装配环节的进料。

抓取机械臂在搬运原料的时候需要考虑到分拣的速度与数量。在分拣速度方面，图像识别的速度与机械臂的运动速度是最大的两个影响因素。图像识别的速度取决于图像识别算法的运算速度与控制系统控制下相机工作的时间，机械臂的运动速度则取决于机械臂的功率及负荷量。在分拣数量方面，每次分拣至传送带上的原料数量应当与从暂时存储区通过抖动进入工件放置平台的原料数量持平，保证分拣装置处于正常工作状态。

当一次性分拣数量与进料数量相差较大时，在图像识别环节应当作出警告，进而智能调整机械臂的工作速度或每次从暂时存储区进料的量，以达到平衡状态。

进料传送带，用于抓取机械臂在从工件放置平台夹起原料后，根据识别的颜色、形状，放入专门的进料传送带。

(b)加工装配单元，用于完成原料的生产装配，包括HMI人机交互设备、进料检测智能相机、进料机械臂、装配机械臂、自动装配转盘及产品推出机械臂。

HMI人机交互设备，用于显示人数交互界面，工作人员们可以从该交互界面中了解到以下信息：

进料的检测情况。在装置左侧进料区，通过智能相机检测原料的颜色，从而发现分拣阶段的出现错误。工作人员也可以通过对进料的检测统计数据了解当前的进料情况。

订单管理。在这个界面需要显示客户订单的详细情况与挡墙装配完成的产品的数据，提示工作人员订单的完成情况，方便进行下一步生产计划的安排。

成品的检测情况。在装置右侧装配区，通过智能相机检测装配完成的产品的颜色及外观，与订单内的定制产品样式进行比较，在这里能够显示比较结果和产品的合格率、误差率、误差因素等信息。

进料检测智能相机，用于对进料(即当前原料)进行拍摄，通过当前原料与控制系统安排的原料装配顺序中的原料进行对比，确认颜色的正确性，以此提升之后装配环节的合格率。

在原料分拣阶段不可避免会有一些失误导致原料的分拣失败，因此，在进料阶段添加一个检测环节可以很好地避免此类情况发生。

当进料机械臂取出进料传送带上的原料后，经过智能摄像机镜头，智能相机则通过对比当前原料与控制系统安排的原料装配顺序中的原料进行对比，确认颜色的正确性，以此提升之后装配环节的合格率。

此环节仅是对原料进行颜色识别，从编程角度讲，难易度将低于分拣环节的图像识别编程，可以作为教学中的初步内容进行训练，循序渐进。

进料机械臂和装配机械臂

装配环节的机械臂选择对产品的复杂度有一定的限制。由于采用的是转盘装配的装配方式，产品的底座将不可移动，那么产品最终组合的复杂程度，很大程度取决于装配机械臂的自由度。

本次设计中，装配机器人的选择更倾向于采用6轴机器人实现，多自由度的机械臂能够从斜角、内部进行多角度操作。特别的，由于装置整体位于起安全保护作用的保护结构中，机械手臂的占地空间和工作空间比也是一个需要考虑到的问题。

当生产装配活动开始之后，机械臂从进料传送带上根据具体装配方案安排，由控制系统控制，取下特定原料，安装在转盘工位上的产品底座上，由此完成装配过程。

装配转盘，用于接收进料机械臂抓取的进料，并通过装配机械臂进行装配。

装配转盘上的产品都是装配在产品底座上的，底座的进料因为型号统一，可以由经典的进料方式单一进料。

在装配过程中装配转盘需要由控制系统协调好装配、成品检测、成品推出这三个工序的执行顺序，在进料机械臂抓取传送带上的原料的时候，可以先将装配完成的成品转至成品检测智能相机的位置进行检测，在进料机械臂抓取完成后，再将待装配的工位对准进料机械臂。此时在相对的工位若有已检测完毕的成品在，则成品推出机械臂可以同时将成品取出，放入下一工段。

产品推出机械臂，用于在装配完成的成品在检测通过之后将合格的产品从转盘上取出，放入后续加工环节的装置中，或直接放入仓储系统的传送带上。

产品推出机械臂的自由度并不需要很高，从功能和成本两方面来考虑多不需要用到如装配机械臂那样的6轴机械臂。但是在工序上看，如果在产品需要经过包装、贴标等附属加工的情况下，产品推出机械臂需要将产品准确的放入下一工序的托盘中，这在精确度和工作速度上对推送机械臂提出了要求。

(c)质量检验单元，用于在产品装配完成后，控制系统控制装配转盘将成品转至检测智能相机前，智能相机通过对比当前产品与客户订单产品的颜色、形状，判断产品是否合格(即进行质量检测)。

该阶段的检测图像识别相比于原料检测环节多出了一个对形状的检测，并且在检测形状时，单一方向的形状检测在有时是不够可靠的，因此在检测时，若对产品进行正视图、侧视图、俯视图的三视图检测，则正确率能够得到极大保证。但这样的检测程序会一定程度上影响生产效率，并且对于硬件来说也是很大的挑战。

(d)打印包装单元，用于对装配转盘上经之间合格后的产品进行包装。

打印包装阶段属于一个附属加工的环节，主要加工标准是用户的需求样式(图案或文字)，同时也可以进行工厂预设的一些样式来进行加工。

(e)立体仓储单元，用于对经过打印包装后的产品进行放入仓库进行立体存储。

立体存储单元通过高层货架存储货物，存储区可以大幅度地向高空发展，以充分利用仓库地面和空间，这就大大节省了库存占地面积，提高了空间利用率，同时由于使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了劳动生产率，有效降低了操作人员的劳动强度。而与计算机管理信息系统联网以及与生产线紧密相连的自动化立体仓库更是当今CIMS(计算机集成制造系统)及FMS(柔性制造系统)必不可少的关键环节。可以说，自动化立体仓库是当代货架储存系统发展的最高阶段，它与自动分拣系统和自动导向车并称为物流技术现代化的三大标志。

一个比较完善的自动化立体仓库系统主要包括:

(1)用以货物的存放、周转的高层货架及托盘、货箱；

(2)入、出库作业的堆垛起重机；

(3)入、出库分配系统。辊式、链式输送机、分配车、升降机等；

(4)自控系统。包括由计算机控制的入、出库设备、分配系统以及各种检测、保险机构的全部电控装置；

(5)计算机管理系统。仓库的账目管理、数据分析、合理管理货位、设备运。

基于离散制造的生产模式，针对本实验装置提出两种工艺流程实施方案，分别如图2、3所示。

如图2所示的方案1的设计注重点在原料加工阶段，原料A和原料B经过分拣过程和备料过程之后经过不同的装配方式进行加工装配组成产品1、产品2和产品3，经过分类装置之后放入仓储系统中存储起来。

在该方案1中在分拣过程和备料过程之后需要经过检测环节(即图中所示)，组装过程后需要经过分拣环节和检测环节。对于质量检测不合格的产品重新送入加工装配环节再次进行加工装配。

在方案1中，离散制造的概念主要体现在两种原料的加工过程中。对每种原料来说，加工过程1和2都可以选择加工或不加工，并且在每一个加工环节之后都有一个检测环节来检测原料的加工是否合格，避免报废原料的进入装配环节，产生不合格产品。该方案可以很好的模拟离散加工制造行业的加工——装配系列流程。

如图3所示的方案2的设计重点在于原料的装配环节。设计中三种原料(包括原料A、原料B和原料C)在进料后，暂时性的存储在原料存储区，在装配生产活动开始后，首先对暂时性的存储的原料进行检测，然后从原料备料仓进行分拣备料，并通过分拣运输系统将原料送入加工装配环节进行加工装配工作。同时，对于质量检测不合格的成品(产品)还进行拆分放入原料备料仓中或直接送入加工装配环节进行加工装配工作。

该方案中，离散制造业的概念主要体现在装配环节，不同的原料配比或搭配就能够产生出不同的产品，这种工艺流程在某种程度上也参考了连续工业的比值控制思想，体现了过程控制向离散控制过度的思想。

利用本实施例的流水线实现装置可以进行如下两个典型的实验案例：

实验一装配工段原料检测智能相机图像识别

1.实验目的

熟练掌握图像处理的步骤与方法。

熟悉智能相机的工作原理和硬件选型。

掌握图像识别的步骤与方法。

了解离散生产过程中原料检测的重要性。

2.实验器材

装配工段原料检测环节的智能相机。

进料机械臂。

3.实验原理

在原料分拣阶段不可避免会有一些失误导致原料的分拣失败，因此，在进料阶段添加一个检测环节可以很好地避免此类情况发生。

当进料机械臂取出进料传送带上的原料后，经过智能摄像机镜头，智能相机则通过对比当前原料与控制系统安排的原料装配顺序中的原料进行对比，确认颜色的正确性。

此环节仅是对原料进行颜色识别，从编程角度讲，难易度将低于分拣环节的图像识别编程，可以作为教学中的初步内容进行训练，循序渐进。

4.实验内容和步骤

开启实验装置电源。

调整进料仓至合适位置，并手动添加原料，添加数量自定，建议为满仓的0.3至0.5。

开启装配进料阶段控制程序，选择进料机械臂工作方式为依次抓取，装盘转动方式这是为依次转动。

在图像识别程序编辑界面编写图像识别程序，烧录至控制器。

启动进料工作模式，观察图像识别功能工作状态。

实验二分拣工段自动控制系统

1.实验目的

了解离散生产的原料进料方式。

掌握现代分拣技术的主要软、硬件构成。

熟悉离散控制系统的组成和控制方式。

2.实验器材

分拣工段模块装置，相应控制器及传感器。

3.实验原理

该装置的进料方式采用混合进料，其中原料分拣工段由人工将混合的积木块倒入准备好的容器中，之后由智能相机进行原料的形状及颜色筛选，再由机械手臂进行分类摆放，使其分门别类放入专门的进料备件仓库中，方便下一阶段的调用。在分类的同时，这一调动操作可以统计出所有原料的数量、形状、颜色信息(扫描、贴码)，方便后续调度操作的管理。

4.实验内容和步骤

开启实验装置电源。

将适量混合原料倒入原料盛放容器。

检查模块内各个传感器、控制器及机械臂、智能相机的工作状态，确保硬件正常工作。

在控制系统组态程序中对分拣工段的控制程序进行编程和烧录。

启动分拣工段工作模式，观察分拣工作运行状态。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能流水线实验装置，其特征在于，包括：

分拣备料单元，用于完成对原料进行筛选、摆放，放入备料仓库的分拣备料工段；

加工装配单元，用于完成从备料仓库中获取原料，并传送至装配转盘进行加工组装的加工装配工段；

质量检验单元，用于完成对加工组装得到的成品进行质量检测的质量检测工段；

打印包装单元，用于完成对质量检测合格成品进行成品包装以进行存储的打印包装工段；

立体仓储单元，用于完成成品的立体仓储工段。

2.如权利要求1所述的智能流水线实验装置，其特征在于，所述原料为小型木制工件模块。

3.如权利要求2所述的智能流水线实验装置，其特征在于，所述原料为预先进行过二维码贴码处理。

4.如权利要求1所述的智能流水线实验装置，其特征在于，所述分拣备料单元包括：

用于放置备料的工件平台部件；

用于对放置于工件平台部件上的进料进行进料检测的进料检测部件；

用于根据进料检测部件的进料检测结果从工件平台部件抓取备料并放置于相应的进料传送带上的抓取机械臂；

用于将备料传送至下工位的进料传送带；

以及用于控制分拣备料工段和显示分拣备料工段进程信息的人机交互设备。

5.如权利要求4所述的智能流水线实验装置，其特征在于，所述工件平台部件包括1个原料框和8个备料轨道。

6.如权利要求1～5中任意一项所述的智能流水线实验装置，其特征在于，所述加工装配单元包括：

具有多个工位的装配转盘；

用于从备料仓库中抓取进料并放置于装配转盘上的预定工位处的进料机械臂；

用于检测装配转盘上进料进行进料检测的进料检测部件；

用于对装配转盘上原料组装并将组装得到的成品推出的装配机械臂；

以及用于控制加工装配工段和显示加工装配工段进程信息的人机交互设备。

7.如权利要求6所述的智能流水线实验装置，其特征在于，所述进料机械臂和装配机械臂均为6轴机器人多自由度的机械臂，

所述的装配转盘为8工位自动装配转盘。

8.如权利要求7所述的智能流水线实验装置，其特征在于，所述打印包装单元还用于在质量检测合格成品进行激光打印预定图案。