海克斯康智能制造综合教学平台系统

甄明吉

摘要：海克斯康智能制造综合教学平台系统是针对学校教学实践而建设的既能满足学校教学实训，又能满足科研、生产和社会培训需要的一站式综合实践平台。该平台包括设计仿真、仓储物流、加工制造、质量检验、MES系统、数据管理与分析、信息与控制系统和数据展示等智能制造领域的全部要素，可根据教学需求进行灵活组线，贴近工业化生产，有利于学生参与和实践教学。

关键词：智能制造；仿真；仓储物流；质量检验；MES系统

1 系统概况及建设目标

本教学平台系统从学校的实际需求出发，围绕“工业4.0”及“中国制造2025”进行项目方案设计。

1.1 系统建设的目的

（1）以智慧工厂和智能制造为主题，为学校建设一个智能制造综合教学平台系统。

（2）确保项目既能满足学校教学实训，又能满足科研、生产和社会培训的需要，为产学研提供一站式综合实践平台。

（3）努力建设成在全国具有标杆意义的“智能制造工厂”。

1.2 系统具有的技术亮点

本系统包括设计仿真、仓储物流、加工制造、质量检验、MES系统、数据管理与分析、信息与控制系统和数据展示等模块，包含智能制造领域的全部要素，是一个较为完整的标准数字化自动生产系统，同时也是一个内容丰富的教学应用系统。

（1）该系统可承担数据采集与分析、生产任务一键式下发、生产信息化实时显示（数字化生产看板系统）、设备状态实时监控等任务，可有效地实现制造层与计划层的信息交互。同时实现了工业软件系统和智能机器设备的软硬结合，从本质上实现了人机一体化。

（2）可以根据教学、生产需求，进行灵活组线，满足多品种、小批量精密机械零部件的柔性制造需求。

（3）安全防護等级高：系统配置安全光栅、上下料安全光栅、安全门锁和位置传感器等安全防护装置，确保系统和人身安全。

（4）所有的单元设备均可进行单项教学和部分系统联机教学，有利于学生的广泛参与和实践教学活动的开展。

（5）系统虽为教学系统，但所有单元设备乃至整个系统都采用了标准工业级装备和集成技术，非常贴近工业化生产配置。

（6）共有15个功能模块，可用于教学演示。该系统还设有教学功能区。

2 硬件系统总架构

硬件系统主要包括立体仓储与物流系统、加工制造执行系统、六轴机器人及导轨系统、测量系统、安全与防护和教学功能区，如图1所示。

3 系统总体层级架构、信息流总架构

系统总体层级架构图如图2所示，共分为三个层级架构，分别为设备层、控制层和MES执行层。

智慧工厂方案信息流总架构如图3所示。

构建真正意义上的“工业4.0”新型工作模式，使整个柔性制造系统既源于生产实际、又符合教学规律要求，便于教师带领学生开展多项专业教学实验。

4 立体仓储与物流系统

自动化立体仓库在国内各行业得到越来越广泛的应用和迅猛发展，成为企业现代物流系统的重要组成部分，具有节约用地、减轻劳动强度、避免货物损坏或遗失、消除差错、提高仓储自动化水平及物流效率等诸多优点。

立体仓储与物流系统（图4）主要包括高层立体货架、升降堆垛机、AGV 输送系统、AGV接货平台、AGV充电站、AGV 调度系统和监控系统和智能仓库实时管控系统。

（1）高层立体货架（图5）。

根据加工零点的特点，系统采用低层立体库，总高度约3 m。系统采用单元货格式立体库，设有自动叉车。

（2）升降堆垛机。

升降堆垛机是一个在立体仓库货架内搬运物品的专用机械设备，可进行横向与纵向两个方向的快速移动，并配有前后伸缩的货叉平台。

通动移动货叉平台可以到立体仓库的任意一个库位，从而可以实现快速将工件从货架中取出或存入。

升降堆垛机具有如下特点：具有过电流和过热保护装置，拥有堆垛机寻址控制系统；以总线通信方式与上位机通信，可与ERP、WMS管理软件实现无缝对接；在堆垛机的控制面板上设有自动/单机开关以选择工作方式；在手动方式上，用户可使用操作面板上的相应按钮直接控制堆垛机的水平运动；载货台的上下升降及货叉的左右伸缩功能方便了用户的安装调试和维修。

（3）AGV输送系统。

本系统采用磁导式AGV小车，以便完成自动接货、卸货及运输。其主要特点有：速度快、噪声小、效率高、故障率低和寿命长。智能制造示范车间 AGV小车的输送路线如图6所示。

（4）AGV接货平台。

本系统配置有AGV接货平台，置于各个设备正前方，用于暂时存放AGV机器人放置的物料托盘。

各设备在成线加工时，可以从接货平台上直接取料到对应设备中进行作业，加工完成后物料由移动机器人放回接货平台。

AGV机器人会根据任务管理系统的指令将加工完成的物料搬运到下一个站点。

在每一个设备前方都设有AGV接货平台，当零件在加工或测量过程中，接货平台上的托盘工件处于上料或等待状态，这样可以最大限度地节约生产等待时间。

（5）AGV调度及监控系统。

本系统配置有AGV调度及监控系统，可完成AGV的基本操作、物料的传输、目标站点的任务配送、常见故障的排除、报警解除等功能。

监控系统可动态监控AGV小车的运行状态，对远程参数进行监控，对电量进行检测，并具有远程呼叫、调度等功能。同时还具有实时监控功能。

（6）智能仓库实时管控系统。

智能仓库实时管控系统可实时显示立体仓库的仓位库存，实时显示当前执行的任务及排队的任务、出入库记录和报警记录等。

B/S架构可通过WiFi用手机、平板电脑等设备进行远程出库、移库、出料操作，并实时监控任务的执行情况。所有出入库、移库操作自动在仓库管理系统中生成出入库单据。本系统可以与MES系统、RFID系统无缝对接。

本系统配置有立体仓库信息终端，立体仓库信息终端采用触摸式人机界面，可通过信息终端对立体仓库进行点动操作、自动操作和复位操作等，是管理立体仓库控制器的重要部件。

本系统配置有立体仓库LED显示屏，用于实时显示立体仓库的动态库存、作业信息，主要显示的信息包括当前任务单信息、库位信息、物料名称、物料编码和出入库仓位等。

5 加工制造执行系统

加工制造执行系统的总体方案布置如图7所示，具体加工零件时需要根据学校的实际需求来定，图7所示的方案采用2台数控加工中心、1台数控车床及1台清洗干燥设备。

具体加工工艺流程、加工工序及夹具系统，可以根据工件的实际需求进行调整。

6 六轴机器人及导轨系统

六轴机器人系统主要包括六轴机器人、第七轴导轨及机器人控制系统，如图8所示。

第七軸导轨系统，机器人移动滑轨用于带动六自由度机器人来回于系统各个机床之间，由伺服电动机、高精密减速机、直线滑轨、齿轮齿条和编码器等组成，采用全钢结构设计制作，它与六自由度机器人组合成灵活柔性的上下料智能作业装置，如图9所示。

本平台的导轨系统具有如下技术特点：系统重复定位精度高；导轨基座结构强度高，承载能力强；系统稳定性强，可以满足高速运行的需求，可大大提高系统效率；导轨系统可以直接与机器人集成，直接作为机器人第七轴使用。

7 测量系统

测量系统负责完成零件的自动检测，主要由三坐标测量机及防护机罩组成。

7.1 三坐标测量机

三坐标测量机（图10）能够根据个性化的需要进行调整，以满足不同的测量和检测需求。

三坐标测量机可以满足工件在不同装夹姿态时的测量需求，能够适合绝大多数零部件的测量需要。

7.2 测量机机罩

（1）测量机机罩（图11）为安装在生产线旁边的测量机提供洁净的环境，并可根据被测工件的检测需要及车间温度环境的实际状况，调整机罩内的工作温度。

（2）机罩系统可选配专门的操作机柜，以便有效整合控制柜、测头控制器、计算机和打印机等测量机外部设备，为现场操作提供方便。

（3）测量机机罩系统由机罩壳体、窗机构、门机构、照明系统、空调系统和PLC控制系统组成。

测量机机罩的特点包括：主体结构为框架结构，墙体、顶板和底板采用高性能的保温板，具有防锈、防火、保温的特点。

前窗便于工件进出，左窗便于操作员调整测头更换架和测量校准球的位置；窗户的上下运动由PLC操作面板按钮控制，窗户的上下运动与手动上下料的运动互锁逻辑由PLC控制。

右面的三个门中，前后门方便操作员对测量机进行维护，中间门只有在搬家移动测量机时开启。所有门上安装有位置传感器，任何门窗处于开启状态时，出于安全和温度考虑，测量机将暂停工件的测量工作。可升降窗由抗弯曲和抗划伤的高性能透明板材制成。

其相关部件还有机柜系统、空调系统。机柜是机罩系统的可选项，机柜集成测量机控制柜、打印机和计算机系统，为内置的设备提供防尘、散热的工作环境，以使其达到IP55的防护等级要求。空调系统采用专业工业空调，可以根据需要对车间环境温度进行调整，并保证测量机按所需的温度波动与梯度要求工作在不同温度下。温度控制要求：t=18～22 ℃，2 ℃/24 h，1 ℃/1 h。

8 柔性制造系统软件

柔性制造系统软件是一套与工业自动化设备同步对接的企业管理、生产管理及质量系统管理软件。该软件跟踪制造业从产品设计，到采购、生产、质量检验，到最终发货的生产经营全过程，是数字化柔性制造工厂的信息管理、生产任务执行和质量数据管理的实时管控平台。

柔性制造系统软件包括CAM加工仿真系统、MES制造执行系统、统计分析质量管理系统软件。

8.1 CAM加工仿真系统

配置CAM加工仿真软件，实现数控编程及加工仿真。CAM作为应用性、实践性极强的专业技术软件，直接面向数控生产实际。

8.2 MES制造执行系统

MES是面向机械加工车间执行层的生产信息化管理系统，MES是处于计划 （ERP） 层和现场过程控制（PCS）层之间的执行层管理系统，主要负责车间生产管理和调度执行，是制造企业实现敏捷化和全局优化的关键系统。

MES通过信息的传递，对从订单下达到完成产品的整个生产过程进行优化管理，对车间发生的实时事件及时作出相应的反应和报告，并用当前准确的数据指导、处理车间生产活动，能够对生产条件的变化做出迅速的响应，提高效率。

MES的主要模块有生产任务及排产管理、资源分配与状态监控、生产计划安排、数据监控与采集、工艺过程管理、质量管理、数据分析与报表和产品跟踪。

MES可以使用统一的数据库和通过网络同时为生产部门、质检部门、工艺部门和物流部门等提供车间管理信息服务。

（1）MES的主要任务包括：从学校（或公司）ERP系统接受生产订单；将库存的可用物料分配给生产订单；由生产订单产生作业计划；根据作业计划建立生产指令并分发给相应的过程计算机系统（各班组或操作执行端）；进行作业调度并控制和监视工厂生产全貌；收集过程数据、质量数据和事件数据；控制和评估产品的质量；将生产情况和質量结果发送给公司ERP系统；完成工厂生产报表。

（2）MES与系统层级架构。MES在生产过程中所处的位置及总体层级架构如图12所示。系统共分为三个层级架构，分别为设备层、控制层和MES执行层。

（3）MES的组成如图13所示。

（4）MES的数据采集。柔性制造车间的数控机床及加工中心均有工业以太网或串口通信功能，通过联网或串口读取， MES可以采集如下信息。

机床开机关机时间、空闲时间、空转时间、加工时间和报警时间；机床的工作状态。实时显示机床当前所处的工作状态，如编辑状态、自动运行状态、MDI状态（手动数据输入方式）、试运行状态和在线加工状态等；程序信息。正在运行哪个程序（零件），程序运行到哪行等；零件加工数量；当前刀具号；当前机床转速、进给速度、倍率、主轴负载；机床坐标信息。能够实时反馈机床当前的坐标情况，包括：绝对坐标、机床坐标、相对坐标和剩余移动量等；报警信息。能够实时反馈机床是否有报警，报警号及报警内容。

（5）MES的教学实训功能说明。MES按照经营目标、管理目标、生产组织、工艺过程、加工中心任务目标、技术原理和工作过程等线索组织知识点，通过机械车间的运行，向学生和参观者展示相关的专业知识。

在常规 MES 功能教学的基础上，设置专用的教学展示用现场终端，用于专业知识展示和支持学员与系统交互。

8.3 统计分析质量管理软件

该平台使用的统计分析质量管理软件提供了制造和生产各阶段质量数据评估的集成解决方案。它通过结构化的图、表和统计分析系统提供了可视化的过程行为和对过程的“正确透视”；并实时监控生产过程的质量状态，对生产过程进行有效分析。

9 信息与控制系统

信息与控制系统（图14）负责整个系统的信息收集、汇总、通信和监控等方面的工作，由管理员负责操作与管理，它拥有电源总控制系统、PLC总控系统，各生产线的数据均可从总控制台收集获取，并可通过总控调度分配各个模块的工作职能，与MES系统集成。

系统支持多种通信协议：包括：RS232/485、Profibus、TCP/IP、（Modbus/TCP）和OPC等。

（1）PLC控制系统。PLC 控制系统负责各生产单元设备的逻辑动作控制、机床与机器人及检测清洗设备的生产协调与控制。

PLC控制系统涉及以太网、现场总线、工业无线等多种通信网络技术，负责将生产现场的数控机床、机器人、立体仓库、各种传感器、执行器和伺服驱动器等连接起来，并将指令向下传递给 PLC 控制的执行设备系统，以及将生产现场的执行设备的有关信息向上传递给总控制系统和MES。

（2）智慧工厂-RFID系统。RFID用于记录工件的加工信息、加工路径等信息，产品的追溯化管理，由RFID标签和RFID读写器组成。RFID标签安装在工件上，RFID读写器安装在工件附近的工位上，当工件到达该工位时系统可通过读写器，识别该工件的运输及加工途径。每个工件都安装有RFID标签，每个加工工位上的物料都需要进行识读操作，并将读到的信息通过串口网络传输给服务器，实时跟踪物料位置和仓储位置，做到物料、成品和半成品的可追溯性管理。

（3）总控制系统与可视化电子看板系统。自动化生产线设计了中央控制室，它是车间精益生产管理体系中的一个重要组成部分， 不仅可以收集车间的生产、设备的各种信息，供车间管理人员及技术人员进行生产管理时参考，还可以通过系统了解运行情况及产品质量，极大地提高了机械加工车间的生产及实训效率。

车间的电子看板系统采用 LED、液晶屏、警告灯等硬件设备，结合PDA、PLC 等采集手段，通过系统接口与MES管理平台相衔接，以报表、图文及声光报警的方式展现生产现场的设备状态、产品质量、生产计划、生产进度、作业指导及生产工艺等信息。

10 系统安全与防护说明

为确保系统的安全性及实训过程中的安全性，整个智能制造系统的安全布置如图15所示。

系统安全与防护功能主要包括：安全防护围栏为高档亚克力板，也可根据需要选择金属围栏围栏可配置安全门及门锁；数控车床、加工中心及清洗设备及测量机上下料位置布置了安全光幕测量机上下料位置布置安全光幕；系统支持自动及手动操作，可以根据实训需要进行切换；系统带安全防护警示标识。

11 教学功能区说明

本系统右侧为教学功能区，包括三个功能区域，分别为应用实训区、设计及过程仿真区和创新功能讨论区，布置方案如图16所示。

本系统包含15处可用于教学及展示的内容，如图17所示。各教学功能区能实现的教学功能见表1。