CN107331230A - 一种面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台 - Google Patents

Abstract

一种面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，包括移动终端设备、主控机单元和机器人柔性生产线；移动终端设备通过网络与主控机单元通信，主控机单元通过以太网与水平多关节机器人搬运单元、激光切割单元、精雕加工单元、监控单元以及图像处理和检测单元相连，所述机器人柔性生产线各单元均与PLC控制单元相连。本发明一方面省时省力，自动化程度高，大大提高了生产效率；另一方面，能够激发学生的学习兴趣，综合提高智能制造专业群学生的设计、装配、调试和维护等方面的能力，最终使得学生和老师具有智能制造系统的技术集成和应用开发能力。

Description

一种面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台

技术领域

本发明涉及一种教学设备，特别是一种面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台。

背景技术

“工业4.0”的概念是德国于2013年4月在汉诺威工业博览会上提出的，实质上工业4.0就是“互联网＋制造”，美国称为“工业互联网”，我国叫“中国制造2025”，这三个称谓的本质内容是一致的，都指向一个核心，即智能制造。在计算机及其软件、互联网和工业机器人等支撑下，智能制造将过去企业中相互独立的生产制造、客户和物流等单元有机结合并构成一个全域的、高效益和高柔性的企业生态系统，体现了一个国家的制造业技术水平。

智能制造具有为社会提供多样化产品、低成本制造和短制造周期等等传统制造无法比拟的优势，其发展势头凶猛。然而，我们国家工业发展起步较晚，错过了与世界其他国家同步进行第一次、第二次和第三次工业革命。在以物联网及务联网为基础的第四次工业革命开启之际我们国家一方面不断推进产业化转型，另一方面不断推进工业化程度。为应对这种深度工业化过程中高技术人才的需求，对于智能制造的人才储备以及教学普及显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种省时省力，自动化程度高，生产效率高的面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台。

本发明的技术方案是：一种面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，包括移动终端设备、主控机单元和机器人柔性生产线；所述机器人柔性生产线包括多关节机器人上料单元、直角坐标机器人搬运单元、水平多关节机器人搬运单元、激光切割单元、精雕加工单元、双端面抛光单元、清洗烘干单元、喷砂单元、图像处理和检测单元、打包单元和输送线运输单元；所述移动终端设备通过网络与主控机单元通信，所述主控机单元通过以太网与所述水平多关节机器人搬运单元、所述激光切割单元、所述精雕加工单元、监控单元以及所述图像处理和检测单元相连，所述机器人柔性生产线的各单元均与PLC控制单元相连。

进一步，所述移动终端设备通过无线接入点或公用网络与交换机相连，所述交换机通过以太网与主控机单元相连。

进一步，所述移动终端设备为安装有APP软件的手机或平板电脑,所述APP软件包括订单系统和监控系统。

进一步，所述主控机单元采用C/S架构搭建，包括订单管理系统、工业控制系统和数据库服务器，所述订单管理系统与工业控制系统之间采用以太网互联，由工业控制系统通过PLC控制单元控制机器人柔性生产线各个单元并采集各个单元的状态。

进一步，所述激光切割单元，用于接收主控机单元通过以太网传输的加工数据指令，并通过PLC控制单元传输的启动指令，执行激光切割加工和反馈加工状态信息；

所述精雕加工单元用于接收主控机单元通过以太网传输的数控加工程序，并通过PLC控制单元反馈加工状态；

所述双端面抛光单元用于接收主控机单元通过PLC控制单元的启动指令，执行加工程序，并向主控机单元反馈工作状态；

所述多关节机器人上料单元用于接收主控机单元传输的上料指令，并通过PLC控制单元传输的启动指令，将原料放到指定的激光切割单元工作台面上，把废料从激光切割机工作台面取出，并通过PLC控制单元向主控机单元反馈工作状态；

所述直角坐标机器人搬运单元，用于接收主控机单元通过PLC控制单元的启动指令，将半成品从激光切割单元搬运到精雕加工单元以及从精雕加工单元搬运到双端面抛光单元，并通过PLC控制单元向主控机单元反馈工作状态；

所述清洗烘干单元、喷砂单元、图像处理和检测单元、打包单元和输送线运输单元通过接收主控机单元经PLC控制单元的启动指令，执行相应操作，向主控机单元反馈工作过程。

进一步，所述输送线运输单元包括第一输送带和第二输送带；

所述水平多关节机器人搬运单元包括第一水平多关节搬运机器人和第二水平多关节搬运机器人；

所述清洗烘干单元通过自身输送带从双端面抛光单元接入半成品，并将半成品送出至第一输送带，再经第一水平多关节搬运机器人转至喷砂单元；

所述图像处理和检测单元接收主控机单元通过以太网传输的订单图像数据信息，所述图像处理和检测单元通过CCD获取和以太网传输的金属片状工艺品表面图像信息，一方面给水平多关节机器人搬运单元提供定位中心，另一方面与订单图像数据信息进行对比以确定金属片状工艺品是否进入下一工作站。

进一步，所述第一输送带具有两个停止位，在第1个停止位处，CCD获取金属状工艺品定位中心，并将定位信息传输给第一水平多关节搬运机器人，再经第一水平多关节搬运机器人转至喷砂单元；在第2个停止位处，进行图像检测并向第二水平多关节搬运机器人提供定位中心；

经检测合格的金属状工艺品由第二水平多关节搬运机器人从第一输送带的第2个停止位送入打包单元，打包后再由第二水平多关节搬运机器人送入第二输送带，进行成品下线。

进一步，所述机器人柔性生产线的各单元均设置于所述防护单元的安全栅栏中，安全栅栏配置装载自动门，融入PLC控制单元。

进一步，所述监控单元用于对机器人柔性生产线的控制与状态进行监控，监控录像通过主控机单元经网络传递给移动终端设备。

进一步，所述机器人柔性生产线包括单击或联机模式，在单机模式下，机器人柔性生产线的各单元在自身控制系统控制下独立运行；在联机模式下，各单元受主控机单元调度。

本发明的有益效果：

（1）激光切割单元、精雕加工单元、图像处理和检测单元通过以太网接收主控机单元传送来的生产订单加工数据，图像处理和检测单元的定位数据再通过以太网传输给水平多关节机器人搬运单元，监控单元的视频监控数据通过以太网传输给主控机单元；各单元启停控制信息、状态信息等通过PLC控制单元与主控机单元传输。本实施例通过这种分布式控制技术，数据流和信息流分开传输，大大降低了系统的通信要求，提高了抗干扰能力，控制灵活；

（2）集多元化的加工单元、光机电气一体化技术、模块化理念、互联网和机器人技术为一体，构建一种基于APP、互联网和机器人柔性生产线的智能制造产学研平台，该平台以生产一个金属片状工艺品为目的，呈现了从订单到生产、以及最后提供一个礼品的过程，降低了人工强度，缩短了生产时间，提高了生产效率；

（3）通过该产学研平台，学生和老师了解智能制造系统的基本组成和基本原理，体会工业4.0理念，全面掌握智能制造专业群课程结构和体系；促进学生在机械设计、机械加工、电气自动化、自动控制技术、机器人技术、计算机技术、通信技术、传感器技术和电子商务技术等方面的学习，并实际训练学生的机械设计与加工能力、PLC控制系统的设计与应用能力和高级语言编程能力等等；激发学生的学习兴趣，综合提高智能制造专业群学生的设计、装配、调试和维护等方面的能力，最终使得学生和老师具有智能制造系统的技术集成和应用开发能力。

附图说明

图1是本发明实施例的结构框图；

图2是本发明实施例APP软件系统的示意框图；

图3是本发明实施例主控机单元的示意框图；

图4是本发明实施例机器人柔性生产线的结构示意图；

图5是本发明实施例机器人柔性生产线的工作流程示意图。

图1中：1是移动终端设备，2是交换机，3是机器人柔性生产线，30是主控机单元，31是料车，32是多关节机器人上料单元，33是激光切割单元，34是直角坐标机器人搬运单元，35是精雕加工单元，36是双端面抛光单元，37是清洗烘干单元，38是水平多关节机器人搬运单元，39是喷砂单元，3a是输送线运输单元，3b是打包单元，3c是图像处理和检测单元，3d是防护单元，3e是监控单元，4是PLC控制单元。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示：一种面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，包括移动终端设备1、主控机单元30和机器人柔性生产线3；所述机器人柔性生产线3包括多关节机器人上料单元32、直角坐标机器人搬运单元34、水平多关节机器人搬运单元38、激光切割单元33、精雕加工单元35、双端面抛光单元36、清洗烘干单元37、喷砂单元39、图像处理和检测单元3c、打包单元3b和输送线运输单元3a；移动终端设备1通过网络与主控机单元30通信，主控机单元30通过以太网与水平多关节机器人搬运单元38、激光切割单元33、精雕加工单元35、监控单元3e以及图像处理和检测单元3c相连，机器人柔性生产线3各单元均与PLC控制单元4相连。

具体的工作原理为：激光切割单元33、精雕加工单元35、图像处理和检测单元3c通过以太网接收主控机单元30传送来的生产订单加工数据，图像处理和检测单元3c的定位数据再通过以太网传输给水平多关节机器人搬运单元38，监控单元3e的视频监控数据通过以太网传输给主控机单元30；各单元启停控制信息、状态信息等通过PLC控制单元4与主控机单元30传输。本实施例通过这种分布式控制技术，数据流和信息流分开传输，大大降低了系统的通信要求，提高了抗干扰能力，控制灵活。

如图2所示：所述移动终端设备1为安装有APP软件的手机或平板电脑, 该APP软件系统具体包括定制下单、标准下单、订单生产管理、视频监控和关于我们。学生或老师通过移动终端设备1上的APP平台进行工艺品外形和图案选择（标准下单）或DIY制作（定制下单），付费和生产视频监控等操作。

互联网通过交换机2和无线路由器为学生、老师的移动终端设备1提供无线接入点，或者通过交换机2、局域网和广域网为学生、老师的移动终端设备1提供公用网络接入点。交换机2与主控机单元30以及机器人柔性生产线3中的激光切割单元33、精雕加工单元35、水平多关节机器人搬运单元38、图像处理和检测单元3c以及监控单元3e通过以太网组成局域网，通信网络为C/S网络架构。

机器人柔性生产线3的各单元均与PLC控制单元4相连，形成PLC控制网络。机器人柔性生产线3中各单元具备单击或联机功能。具体为：主控机单元30的工业控制软件中设有单机或联机模式，可以通过界面按钮进行单机/联机模式切换。在单机模式下各单元由自身控制系统控制下独立运行，不受主控机单元30和PLC控制单元4控制；在联机模式下，各单元受主控机单元30调度，并在主控机单元30调度下由PLC控制单元4控制其运行。

如图3所示：所述主控机单元30具有订单管理、工业控制和数据库服务功能，在自身系统内进行加工数据和控制数据的交互，支持C/S架构模式。具体地，主控机单元30包括订单管理系统、工业控制系统和数据库服务器，其中订单管理系统为订单管理计算机，工业控制系统为工业控制计算机。订单管理计算机通过UI设计界面结合软件编写实现相应功能，具体功能包括订单生产管理、产品维护管理和用户管理，其中，订单生产管理可包含生产订单查询、生产订单管理、生产订单排产和生产订单下发；产品维护管理可包含产品外形查询、产品外形编辑、产品图案查询、产品图案编辑、标准产品查询、标准产品编辑和定制产品查询；用户管理可包含登录查询、用户登录、退出登录和用户管理。生产订单用户操作的数据被存放至数据库服务器中以便查询。工业控制系统包括设备监控管理，可包含设备I/O监控、设备监控、手动模式监控、手动控制和设备使能设置。工业控制系统的专用部分软件向数控系统发送NC程序，远程启动数控加工，读取数控系统内部变量，监视数控系统状态和异常等功能。工业控制系统通过UI设计界面结合软件编写实现相应功能。订单管理系统与工业控制系统之间采用以太网互联，由工业控制系统通过PLC控制单元4控制机器人柔性生产线3各个单元并采集各个单元的状态。

如图4和图5所示：所述多关节机器人上料单元32能够被主控机单元30通过PLC控制单元4调用，多关节上料机器人将金属薄片原料放到激光切割机331的工作台面上，再将激光切割机331工作台面的网格状废料薄片放到废料箱312内，然后把激光切割机331工作台面上的废料盒中的废料屑倒入废料箱312内，并把废料盒放回激光切割机331工作台面，多关节机器人上料单元32向主控机单元30反馈工作状态信息。

所述激光切割单元33执行主控机单元30通过以太网传输的数据指令和通过PLC控制网络传输的启动指令，并反馈工作状态信息。激光切割机单元33与多关节机器人上料单元32和直角坐标机器人搬运单元34通过PLC控制网络连接，向多关节机器人上料单元32发送装载和卸载信号，向直角坐标机器人搬运单元34发送卸载信号。

所述精雕加工单元35执行主控机单元30通过以太网传输的数控加工程序，通过PLC控制单元4向主控机单元30反馈工作状态信息；精雕加工单元35向直角坐标机器人搬运单元34发送装载和卸载信号。

所述双端面抛光单元36接收主控机单元30通过PLC控制单元4的启动指令，执行加工程序，并向主控机单元30反馈工作状态；双端面抛光单元上料机构361具有柔性功能，可以匹配多种不同大小尺寸的金属片状半成品，并通过PLC控制单元4向直角坐标机器人搬运单元34发出装载信号。

所述直角坐标机器人搬运单元34接收主控机单元通过PLC控制单元4的启动指令，当直角坐标机器人搬运单元34接收到激光切割单元33发送来的卸载信号和精雕加工单元35发送来的装载信号时，直角坐标机器人搬运单元34则将半成品从激光切割单元33搬运到精雕加工单元35，并通过PLC控制单元4向主控机单元30反馈工作状态；当直角坐标机器人搬运单元34接收到精雕加工单元35发送来的卸载信号和双端面抛光单元36发送来的装载信号时，直角坐标机器人搬运单元34则将精雕后的半成品从精雕加工单元35搬运到双端面抛光单元36，并通过PLC控制单元4向主控机单元30反馈工作状态。

所述清洗烘干单元37、喷砂单元39、图像处理和检测单元3c、打包单元3b和输送线运输单元3a通过接收主控机单元30经PLC控制单元4的启动指令，执行相应操作，向主控机单元30反馈工作过程,并实现各单元间的协同控制。

所述清洗烘干单元37通过自身输送带371从双端面抛光单元36接入半成品，并将半成品送出至第一输送带3a1，再经第一水平多关节搬运机器人381转至喷砂单元39。

所述图像处理和检测单元3c接收主控机单元30通过以太网传输的订单图像数据信息，图像处理和检测单元3c通过CCD获取和以太网传输的金属片状工艺品表面图像信息，一方面给水平多关节机器人搬运单元38提供定位中心，另一方面与订单图像数据信息进行对比以确定金属片状工艺品是否进入下一工作站。

所述第一输送带3a1具有两个停止位，在第1个停止位处，CCD获取金属状工艺品定位中心，并将定位信息传输给第一水平多关节搬运机器人381，以便第一水平多关节搬运机器人381将金属状工艺品送入喷砂单元39；在第2个停止位处，进行图像检测并向第二水平多关节搬运机器人382提供定位中心。

经检测合格的金属状工艺品由第二水平多关节搬运机器人382从第一输送带3a1的第2个停止位送入打包单元3b，被包装含有金属状工艺品的礼品盒再由第二水平多关节搬运机器人382送入第二输送带3a2，进行成品下线。

所述机器人柔性生产线3的各单元均设置于防护单元3d的安全栅栏中，安全栅栏配置装载自动门，融入PLC控制网络。

所述监控单元3e配置有视频监控设备，用于对机器人柔性生产线3的控制与状态进行监控，监控录像通过主控机单元30经网络传递给移动终端设备1。

本实施例的机器人柔性生产线3只需学生、老师将金属薄片原料放入原料车311，最后再将打包后的工艺品盒从第二输送带3a2取走，是一条具有实际产品的智能生产线。

本实施例集多元化的加工单元、光机电气一体化技术、模块化理念、互联网和机器人技术为一体，构建一种基于APP、互联网和机器人柔性生产线的智能制造产学研平台，该平台以生产一个金属片状工艺品为目的，真实呈现了从订单到生产、以及最后提供一个礼品的过程，完全不同于以往技术所体现的模拟教学或实训系统，并较好地体现了工业4.0理念。

通过该产学研平台，学生和老师了解智能制造系统的基本组成和基本原理，体会工业4.0理念，全面掌握智能制造专业群课程结构和体系；促进学生在机械设计、机械加工、电气自动化、自动控制技术、机器人技术、计算机技术、通信技术、传感器技术和电子商务技术等方面的学习，并实际训练学生的机械设计与加工能力、PLC控制系统的设计与应用能力和高级语言编程能力等等；激发学生的学习兴趣，综合提高智能制造专业群学生的设计、装配、调试和维护等方面的能力，最终使得学生和老师具有智能制造系统的技术集成和应用开发能力。

Claims (10)

1.一种面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，包括移动终端设备、主控机单元和机器人柔性生产线；其特征在于，所述机器人柔性生产线包括多关节机器人上料单元、直角坐标机器人搬运单元、水平多关节机器人搬运单元、激光切割单元、精雕加工单元、双端面抛光单元、清洗烘干单元、喷砂单元、图像处理和检测单元、打包单元和输送线运输单元；所述移动终端设备通过网络与主控机单元通信，所述主控机单元通过以太网与所述水平多关节机器人搬运单元、所述激光切割单元、所述精雕加工单元、监控单元以及所述图像处理和检测单元相连，所述机器人柔性生产线的各单元均与PLC控制单元相连。

2.根据权利要1所述面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，其特征在于，所述移动终端设备通过无线接入点或公用网络与交换机相连，所述交换机通过以太网与主控机单元相连。

3.根据权利要1或2所述面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，其特征在于，所述移动终端设备为安装有APP软件的手机或平板电脑,所述APP软件包括订单系统和监控系统。

4.根据权利要1或2所述面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，其特征在于，所述主控机单元采用C/S架构搭建，包括订单管理系统、工业控制系统和数据库服务器，所述订单管理系统与工业控制系统之间采用以太网互联，由工业控制系统通过PLC控制单元控制机器人柔性生产线各个单元并采集各个单元的状态。

5.根据权利要1所述面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，其特征在于，所述激光切割单元，用于接收主控机单元通过以太网传输的加工数据指令，并通过PLC控制单元传输的启动指令，执行激光切割加工和反馈加工状态信息；

所述精雕加工单元用于接收主控机单元通过以太网传输的数控加工程序，并通过PLC控制单元反馈加工状态；

所述双端面抛光单元用于接收主控机单元通过PLC控制单元的启动指令，执行加工程序，并向主控机单元反馈工作状态；

所述多关节机器人上料单元用于接收主控机单元传输的上料指令，并通过PLC控制单元传输的启动指令，将原料放到指定的激光切割单元工作台面上，把废料从激光切割机工作台面取出，并通过PLC控制单元向主控机单元反馈工作状态；

所述直角坐标机器人搬运单元，用于接收主控机单元通过PLC控制单元的启动指令，将半成品从激光切割单元搬运到精雕加工单元以及从精雕加工单元搬运到双端面抛光单元，并通过PLC控制单元向主控机单元反馈工作状态；

所述清洗烘干单元、喷砂单元、图像处理和检测单元、打包单元和输送线运输单元通过接收主控机单元经PLC控制单元的启动指令，执行相应操作，向主控机单元反馈工作过程。

6.根据权利要求1或2 或5所述面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，其特征在于，所述输送线运输单元包括第一输送带和第二输送带；

所述水平多关节机器人搬运单元包括第一水平多关节搬运机器人和第二水平多关节搬运机器人；

所述清洗烘干单元通过自身输送带从双端面抛光单元接入半成品，并将半成品送出至第一输送带，再经第一水平多关节搬运机器人转至喷砂单元；

所述图像处理和检测单元接收主控机单元通过以太网传输的订单图像数据信息，所述图像处理和检测单元通过CCD获取和以太网传输的金属片状工艺品表面图像信息，一方面给水平多关节机器人搬运单元提供定位中心，另一方面与订单图像数据信息进行对比以确定金属片状工艺品是否进入下一工作站。

7.根据权利要6所述面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，其特征在于，所述第一输送带具有两个停止位，在第1个停止位处，CCD获取金属状工艺品定位中心，并将定位信息传输给第一水平多关节搬运机器人，再经第一水平多关节搬运机器人转至喷砂单元；在第2个停止位处，进行图像检测并向第二水平多关节搬运机器人提供定位中心；

经检测合格的金属状工艺品由第二水平多关节搬运机器人从第一输送带的第2个停止位送入打包单元，打包后再由第二水平多关节搬运机器人送入第二输送带，进行成品下线。

8.根据权利要1或2 或5所述面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，其特征在于，所述机器人柔性生产线的各单元均设置于所述防护单元的安全栅栏中，安全栅栏配置装载自动门，融入PLC控制单元。

9.根据权利要1或2或5所述面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，其特征在于， 所述监控单元用于对机器人柔性生产线的控制与状态进行监控，监控录像通过主控机单元经网络传递给移动终端设备。

10.根据权利要1或2或5所述面向金属片状工艺品加工的智能制造产学研平台，其特征在于，所述机器人柔性生产线包括单击或联机模式，在单机模式下，机器人柔性生产线的各单元在自身控制系统控制下独立运行；在联机模式下，各单元受主控机单元调度。