CN107145132A - 微型智慧工厂实验与研究平台 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械加工领域，尤其是一种微型智慧工厂实验与研究平台；包括加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统、AGV送料系统，本方案提供的微型智慧工厂实验与研究平台通过运用工业物联网、工业服务网和智能控制等相关技术，微型智慧工厂实验与研究平台实现了制造的智能化和无人化。与传统制造模式相比具有更透彻的感知、更广泛的互联互通和更深入的智能化。微型智慧工厂实验与研究平台是以印章、象棋、纪念品等工艺品为加工对象，可实现工件的智能仓储、智能加工、智能检测和智能装配的全过程加工生产，更加符合工业4.0时代的生产制造模式。
Description
技术领域
本发明属于机械加工领域，尤其是一种微型智慧工厂实验与研究平台。
背景技术
随着《中国制造2025》发展规划的提出，制造业开始从当前工业2.0和工业3.0并存的发展现状向工业4.0发展过渡，当前立体仓库、AGV小车、机床、机器人等设备技术发展多年，均已实现自动化，ZIGBEE、RFID等物联网技术应用普及，工业以太网技术日臻完善。企业往往根据自身产品会设计不同的制造系统。
在教育教学中，将企业的整条生产线搬入高校教学不切实际。高校教学及科研考虑到场地、价格及维护等因素往往首选微型或者小型的生产系统，从而导致当前高校有些配置工业级的立库、机器人等几个独立设备，搭建不成系统；有些高校配置的小型生产系统往往是环形线设计，系统依据环形输送线而设计，工艺简单，智能化程度不高。
此外，现有平台普遍存在者以下问题。
1、系统输送线多采用环形结构设计，各设备围绕环形线布置，工作模式固定，工艺简单固定，不具备柔性化，无法实现产品的定制化生产。
2、环形流水线的设计导致只能实现串行工序，无法实现并形工序。
3、系统中鲜有配置智能信息采集传感器及工业以太网通讯，导致一些生产加工过程数据无法实时的采集及上传，从而无法实现让客户实时查询生产加工进度及后续产品的追踪溯源，更加不能实现后续大数据的统计分析优化生产。
4、系统大多为串行生产，无法实现多订单的混流生产。
5、不同的设备类型，不同的通讯接口（如RS232\RS485、CAN、MODBUS和PROFINET）及通讯协议导致系统集成困难。
6、系统需要人工参与生产作业的工序较多，无法实现类似无人工厂的生产模式，智能化程度不高。
为此，有必要设计一种新型的生产系统平台，能够实现全自动化、小型化的生产平台。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种微型智慧工厂实验与研究平台，用来克服现有制造平台自动化程度低，过于复杂的问题。
本发明是这样实现的，一种微型智慧工厂实验与研究平台，包括加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统、AGV送料系统，所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统分别与所述AGV送料系统相连；所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统分别设有工作台，所述工作台包括台面和设置在所述台面以下的柜体，所述柜体内部设有电路控制板；所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统之间通过OPC通讯协议相互电连；所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统分别设有PLC控制器。通过有机的将这些系统组合形成平台，能够大大节约空间金钱，完成设备组装。各模块之间通过AGV进行物料的输送，模块之间的流程控制通过智能制造控制系统软件来调度控制。平台各个模块有独立的控制系统，除AGV小车外其他模块均通过工业以太网连接至交换机组成局域网。智能仓储系统、自动分拣系统、生产装配单元及智能加工单元的柔性线采用PLC控制器控制， 采用OPC协议，通过工业以太网口与上位机通讯；上下料机器人、装配机器人、数控铣床、电子标签辅助拣选系统及视觉检测仪均直接通过工业以太网接口与上位机通讯。
本发明的进一步技术方案是：所述立体仓库系统设有设置在所述台面上的货架、入货台输送线、出货台输送线、RFID读写器、货叉和天门立柱；所述天门立柱设置在所述货架侧边；所述货叉设置在所述天门立柱上，所述入货台输送线和所述出货台输送线分别与所述货架相连。立体仓库系统主要用于物料（原材料、半成品及成品）仓储。由堆垛机、前后排货架、出入货台、输送线及RFID读写器组成。前排货架4行5列，后排货架4行7列。控制器采用PLC控制器，配有触摸屏，可方便实现物料的出入库、移库、调库及盘点作业。系统可以单独使用，也可以通过OPC协议来实现调度控制。
本发明的进一步技术方案是：所述加工线系统包括设置在所述台面上的移动控制盒、六轴机器人、铣床、直线模组和输送线，所述移动控制盒、所述六轴机器人和所述铣床依次沿所述输送线形进方向设置。加工线系统主要用于物料智能加工。由多输入多输出的柔性输送线、YASKAWA机器人、机器人行走机构、2台数控铣床及多个RFID读写器组成。柔性输送线控制器采用PLC控制器，配有触摸屏，系统可以单独使用，也可以通过OPC协议来实现调度控制；机器人可以通过以太网远程控制；数控铣床支持以太网远程上传/下载和切换加工代码等控制。智能制造单元各模块可以独立运行，也可以采用智能制造调度控制软件来进行智能调度控制。
本发明的进一步技术方案是：所述加工线系统还设有视觉检测仪，所述视觉检测仪设有相互电连的光源和高精度相机。视觉测量仪主要用于对加工的物料进行测量，对加工质量进行检测。由高精度相机、光源及软件组成。系统可以自动实现对工件的测量并将数据保存后台服务器，可在3秒里实现多到100个数据的快速测量，测量精度高达3um。系统可以单独使用，也可以通过以太网来实现调度控制。
本发明的进一步技术方案是：所述分拣系统设有设置在所述台面之上的一条输送线、RFID读写器和4个分拣口，所述分拣口配有相互连接的顶升装置。自动分拣系统主要用于成品的分拣作业。由一条输送线、4条分拣线、4个顶升平移机构及RFID读写器组成。控制器采用PLC控制器，配有触摸屏，实现分拣口的设置及分拣作业控制。系统可以单独使用，也可以通过OPC协议来实现调度控制。
本发明的进一步技术方案是：所述人工装配系统设有设置在所述台面上的输送线、多个触摸屏和顶升装置，所述触摸屏沿所述输送线平行设置，所述顶升装置与所述触摸屏相电连。人工装配系统主要用于模拟真实工厂中的人工生产装配线。由两条并形输送线、6个带有显示触摸屏工位、主触摸屏及RFID读写器组成。工位上的显示触摸屏可以显示SOP和装配动画等信息；控制器采用PLC控制器，通过主触摸屏系统可以方便设置不同的装配任务，实现对装配线的控制。系统可以单独使用，也可以通过OPC协议来实现调度控制。
本发明的进一步技术方案是：所述输送分流系统设有设置在所述台面上的输送线、左流利货架、右流利货架，所述左流利货架和所述右流利货架分别设置在所述输送线形进方向的左、右两侧，所述左流利货架、右流利货架上分别设有电子标签。输送分流系统主要用于物料（原材料、半成品及成品，主要是针对成品）的拣选作业，是人机交互的单元模块。由左右两排重力式流利货架、无动力输送线及RFID读写器组成。每排货架均设计成两层，每层3个仓位，每个仓位配有中文电子标签。系统还配置有一个订单显示器及订单完成器。控制器采用433M无线网关控制器，支持以太网连接。系统可以单独使用，也可以通过以太网来实现调度控制。
本发明的进一步技术方案是：所述AGV送料系统设有分别与所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统相连的车轨，所述车轨上设有AGV车，所述AGV车上设有ZIGBEE无线通讯网卡。AGV小车送立库出货口自动接收托盘(托盘中有物料)，自动运行到对应设备的入货口，将托盘自动输送到入货口，这个过程称为AGV送料。AGV小车轨道由1050*500*30mm规格的木板组成，木板通过两根100mm长的铝型材固定在桌子两边。AGV采用两轮差动驱动控制，前后各12路灰度传感器用于寻迹及到站姿态控制，配有ZIGBEE无线通讯模块，接收上位机控制命令及反馈状态信息。
本发明的进一步技术方案是：所述工作台的台面为T型槽型材。单元设备机械电气模块化设计，通讯接口标准化设计，统一采用工业以太网。桌面采用标准的带T型槽型材，方便机械安装。电控柜安置于台面下，采用抽屉式设计，配有有机玻璃门，既方便观察状态及维修又能防尘，安全美观又实用。
本发明的进一步技术方案是：所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统采用环形布局、线形布局或并形布局。
本发明的有益效果是：本方案提供的微型智慧工厂实验与研究平台通过运用工业物联网、工业服务网和智能控制等相关技术，微型智慧工厂实验与研究平台实现了制造的智能化和无人化。与传统制造模式相比具有更透彻的感知、更广泛的互联互通和更深入的智能化。微型智慧工厂实验与研究平台是以印章、象棋、纪念品等工艺品为加工对象，可实现工件的智能仓储、智能加工、智能检测和智能装配的全过程加工生产，更加符合工业4.0时代的生产制造模式。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的工作台的示意图。
图2是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的台面型材截面示意图。
图3是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的立体仓库系统示意图。
图4是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的加工线系统示意图。
图5是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的分拣系统示意图。
图6是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的人工装配系统示意图。
图7是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的输送分流系统示意图。
图8是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台环形布局时候的示意图。
图9是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台线形布局时候的示意图。
图10是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台并形布局时候的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种微型智慧工厂实验与研究平台。以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
本方案公开了一种微型智慧工厂实验与研究平台，包括加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统、AGV送料系统，所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统分别与所述AGV送料系统相连；所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统分别设有工作台，所述工作台包括台面和设置在所述台面以下的柜体，所述柜体内部设有电路控制板；所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统之间通过OPC通讯协议相互电连；所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统分别设有PLC控制器。通过有机的将这些系统组合形成平台，能够大大节约空间金钱，完成设备组装。各模块之间通过AGV进行物料的输送，模块之间的流程控制通过智能制造控制系统软件来调度控制。平台各个模块有独立的控制系统，除AGV小车外其他模块均通过工业以太网连接至交换机组成局域网。智能仓储系统、自动分拣系统、生产装配单元及智能加工单元的柔性线采用PLC控制器控制， 采用OPC协议，通过工业以太网口与上位机通讯；上下料机器人、装配机器人、数控铣床、电子标签辅助拣选系统及视觉检测仪均直接通过工业以太网接口与上位机通讯。
图1是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的工作台的示意图。从图中可以看出工作台包括上下两层，台面下层是一个柜体，柜体内包括铝合金支架110，合页109、柜门103，台面101、面板侧面102、门拉手103、移动面板105、面板拉手106、脚杯107、万向轮108等。
图2是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的台面型材截面示意图。也就是图1中面板侧面102的放大图。这种台面有利于装置的固定和安装。
图3是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的立体仓库系统示意图。所述立体仓库系统设有设置在所述台面上的货架22、入货台输送线28、出货台输送线27、RFID读写器、货叉23和天门立柱21；工作台24内部设有移动电路控制板26，还设有人机交互界面25；所述天门立柱设置在所述货架侧边；所述货叉设置在所述天门立柱上，所述入货台输送线和所述出货台输送线分别与所述货架相连。立体仓库系统采用PLC控制，配有工业级触摸屏，模块可以通过触摸屏进行单机作业，也可以与智能制造调度控制软件通讯，实现调度控制，通讯采用OPC通讯协议。出入口配有RFID读写器智能信号传感器，可对工件托盘上的标签进行读写操作，实现关键节点的信息采集及辅助调度控制。
图4是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的加工线系统示意图。所述加工线系统包括设置在所述台面上的移动控制盒19、六轴机器人12、铣床14、直线模组15和输送线16，此外工作台18上还设有移动控制盒10、缓呈台13，工作台内部设有移动电路控制板17；所述移动控制盒、所述六轴机器人和所述铣床依次沿所述输送线形进方向设置。加工线系统有一条多输入多输出的加工线、上下料机器人及2台数控系统组成。智能制造调度控制软件可以柔性控制AGV送料，加工线柔性选择加工口，机器人智能上下料，2台铣床可以实现远程下载CNC加工代码，自动切换代码加工，可以实现工件的不同面加工，机器人自动辅助翻转工件面。关键节点配有多台RFID读写器。设备状态及机床加工过程数据通过工业以太网上传数据至服务器。
加工线系统还配有工业用视觉测量仪11，通过上下料机器人将加工后的工件自动搬运至检测台，可以实现短时间的多达百组加工数据测量，测量精度为um级别。测量数据保存至服务器。
加工线系统还配有装配机器人，可以实现搬运、视觉定位、点胶等装配作业。
图5是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的分拣系统示意图。分拣系统由一条输送线36、4个分拣口32及RFID读写器组成，此外在工作台35内还设有移动电路控制面板33，工作台上部还设有人机交互界面34和顶升装置31。主控器采用PLC控制，可以通过主触摸屏进行单机作业，也可以与智能制造调度控制软件通讯，实现调度控制，通讯采用OPC通讯协议。
图6是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的人工装配系统示意图。人工装配系统为模拟人工装配过程，6个工位配有触摸屏42，可以显示SOP、装配动画等信息。此外，在工作台46内部还设有移动电路控制板44,在工作台46上还设有人机交互界面45、顶升装置41、输送线43；主控器采用PLC控制，可以通过主触摸屏进行单机作业，也可以与智能制造调度控制软件通讯，实现调度控制，通讯采用OPC通讯协议。单元配有RFID读写器智能信号传感器。
图7是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台的输送分流系统示意图。所述输送分流系统设有设置在所述台面上的输送线53、左流利货架56、右流利货架52，所述左流利货架和所述右流利货架分别设置在所述输送线形进方向的左、右两侧，所述左流利货架、右流利货架上分别设有电子标签51。此外，在工作台55内部还设有移动电路控制板54。输送分流系统由RFID读写器、中文电子标签等流利货架组成，单元可进行单机拣选作业，也可以与智能制造调度控制软件通讯，实现调度控制。
图8是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台环形布局时候的示意图。图9是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台线形布局时候的示意图。图10是本发明实施例提供的微型智慧工厂实验与研究平台并形布局时候的示意图。从图中可以看到加工线系统1、立体仓库系统2、分拣系统3、人工装配系统4、输送分流系统5和AGV送料系统的设置位置。
本方案中各模块可以独立运行，也可以整体流程控制。由于模块的独立性强，模块之间物料的输送采用AGV柔性输送，系统得以实现直线式串行布局，也可以类似环形布局，也可以并形布局等多种布局方式，灵活多变，轮式可移动台方便移动，方便现场移动安装。
柔性化的布局设计，附以输送线的多输入口多输出口设计，可以实现并形工序。
得益于智能制造调度控制系统的状态反馈驱动控制机制及智能调度控制算法，可以实现并形工序，可以实现多订单的混流控制。
微型智慧工厂实验与研究平台是一个物理信息高度融合（CPS）的系统，十分利于高校提高综合实验的开出比率，利于复杂工程的教学及科研，对工业4.0的发展有一定的促进作用。
相对于现有平台，本方案具有以下优点。
1、系统模块化设计，实现柔性布局，可以随现场环境改变布局，现场安装简单方便。
2、系统是一个物理信息高度融合系统（CPS），实现可订单的定制化生产，生产过程全程无需人工参与，智能调度控制，智能化程度高。
3、实现了并形工序的生产。
4、实现了多订单的混流生产。
5、现场增加了智能信号传感设备，应用工业以太网技术，可以采集加工过程的海量数据，并保存至后台服务器，从而实现加工状态的实时查询，实现产品全生命周期的追踪溯源，后期可以进行大数据分析进一步优化工艺，提高生产。
6、十分利于高校提高综合实验的开出比率，利于复杂工程的教学及科研，对工业4.0的发展有一定的促进作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微型智慧工厂实验与研究平台，其特征在于：包括加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统、AGV送料系统，所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统分别与所述AGV送料系统相连；所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统分别设有工作台，所述工作台包括台面和设置在所述台面以下的柜体，所述柜体内部设有电路控制板；所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统之间通过OPC通讯协议相互电连；所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统分别设有PLC控制器。
2.根据权利要求1所述的微型智慧工厂实验与研究平台，其特征在于：所述立体仓库系统设有设置在所述台面上的货架、入货台输送线、出货台输送线、RFID读写器、货叉和天门立柱；所述天门立柱设置在所述货架侧边；所述货叉设置在所述天门立柱上，所述入货台输送线和所述出货台输送线分别与所述货架相连。
3.根据权利要求1所述的微型智慧工厂实验与研究平台，其特征在于：所述加工线系统包括设置在所述台面上的移动控制盒、六轴机器人、铣床、直线模组和输送线，所述移动控制盒、所述六轴机器人和所述铣床依次沿所述输送线形进方向设置。
4.根据权利要求3所述的微型智慧工厂实验与研究平台，其特征在于：所述加工线系统还设有视觉检测仪，所述视觉检测仪设有相互电连的光源和高精度相机。
5.根据权利要求1所述的微型智慧工厂实验与研究平台，其特征在于：所述分拣系统设有设置在所述台面之上的一条输送线、RFID读写器和4个分拣口，所述分拣口配有相互连接的顶升装置。
6.根据权利要求1所述的微型智慧工厂实验与研究平台，其特征在于：所述人工装配系统设有设置在所述台面上的输送线、多个触摸屏和顶升装置，所述触摸屏沿所述输送线平行设置，所述顶升装置与所述触摸屏相电连。
7.根据权利要求1所述的微型智慧工厂实验与研究平台，其特征在于：所述输送分流系统设有设置在所述台面上的输送线、左流利货架、右流利货架，所述左流利货架和所述右流利货架分别设置在所述输送线形进方向的左、右两侧，所述左流利货架、右流利货架上分别设有电子标签。
8.根据权利要求1所述的微型智慧工厂实验与研究平台，其特征在于：所述AGV送料系统设有分别与所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统相连的车轨，所述车轨上设有AGV车，所述AGV车上设有ZIGBEE无线通讯网卡。
9.根据权利要求1-8中任一所述的微型智慧工厂实验与研究平台，其特征在于：所述工作台的台面为T型槽型材。
10.根据权利要求1-8中任一所述的微型智慧工厂实验与研究平台，其特征在于：所述加工线系统、立体仓库系统、分拣系统、人工装配系统、输送分流系统采用环形布局、并形布局或线形布局。
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