面向数控加工的酥油灯智能产线设计

周远扬，赵 兵，2，代 文

（1.青海大学 机械工程学院，青海 西宁 810016；2.青海大学智能制造车间，青海 西宁 810016）

0 引言

目前青海省藏族人口大约137.50 万人，约占青海省总人口的24.44%，青海省寺庙数量多，其中藏传佛教寺庙有十几座，并且大多数藏民基本都信奉佛教，酥油灯的产值约1.8 亿，其利润也接近7000 万元。除此之外，每年来青海的旅游人口也将近122 万人次，其中塔尔寺一天的游客接待量近6 万人，经调查，初步估计游客购买酥油灯工艺品每年能达到2 万盏，产值约1200 万元。传统的酥油灯，基本靠翻砂铸造生产，导致其外表粗糙，成品率低，还造成环境污染，操作工人长期吸入过多的粉尘以及有害气体对身体健康产生不好的影响，传统的生产模式不满足节能环保的发展要求以及《中国制造2025》的发展规划，亟需升级转型。

针对传统酥油灯翻砂铸造工艺导致的外表粗糙、成品率低、污染环境等一系列问题，如果采用传统的机械加工，难以解决其复杂造型以及图案雕刻等问题。而数控加工可以解决上述问题，故采用数控加工实现酥油灯生产加工，根据酥油灯的数控加工技术要求设计一条智能产线，实现浮雕、圆雕、激光雕刻等加工工艺，解决传统酥油灯加工工艺的耗能污染以及危害工人身体健康等问题[1]。本研究提出酥油灯智能产线工艺设计思路，通过分析酥油灯加工工艺，从而进行产线布局设计以及设备选型，重点对产线工艺流程、产线控制系统进行分析和设计，为后续酥油灯面向智能制造的升级转型积累经验并提供理论依据。

1 酥油灯智能产线的设计

1.1 酥油灯加工工艺分析

酥油灯加工的材料为铜，将圆柱体毛坯工件按照如图1 所示设计图纸要求进行加工，加工完成如图2所示。根据其材质的特点，对工件加工精度的要求，灯碗内部的车削加工、灯体形状的粗加工等工序需在数控车床进行，灯体表面浮雕的粗加工、半精加工、精加工等不同工序需在五轴机床上进行，因此，本产线的设计方案中主要工作单元为1 台数控车床、1 台五轴机床及一台工业机器人。由于酥油灯制造材料为铜，材料粘度大，对切削速度和刀具要求较高，且造型奇特，难于装夹，需专门设计工装夹具。为了方便酥油灯的毛胚加工，需通过螺纹链接方式在酥油灯底部增加连接件，专用夹具通过装夹增加的连接件实现固定，目的是使车床和五轴机床方便夹取酥油灯毛胚，也避免毛胚被夹具直接夹取造成的损害。

图2 酥油灯实际产品图

1.2 酥油灯智能产线布局设计

酥油灯智能产线布局设计方案如图3 所示：

图3 产线布局图

产线主要包括1 台工业机器人及机械手夹具、1台数控车床及工装夹具、1 台五轴机床及工装夹具、RFID 无线射频识别系统、1 辆AGV 智能小车、4 套滚筒线、检测设备、1 台工件中转台、MES 系统控制台以及相应的安全防护装置。

目前，数控加工技术与智能制造技术的联合应用越发广泛，一些面向数控加工的智能制造产线主要根据不同工件的工艺特点、工艺流程，进行一些硬件设施的配置；主要由数控车床及工装夹具、数控机床及工装夹具和若干台工业机器人等设备组成，然后将这些设备进行联网组线并运行；由PLC 的模块化、结构化编程来实现调试、监视、诊断等功能，由MES 制造执行系统对实时数据和信息进行分析处理，同时满足信息的可视化，来实现智能产线加工过程的自动化，对产线的设备异常状态做出快速反应以及分析判断，可使产线长时间安全可靠地工作，从而解决传统生产方式造成的酥油灯成品表面粗糙、污染环境、危害工人身体健康等问题，改变传统生产模式。

该酥油灯智能加工产线是模拟实际生产全过程，实现酥油灯坯料从智能料库出库上线AGV 智能小车、工业机器人上料输送、数控机床加工、检测、五轴机床加工、检测、工业机器人下料输送、AGV 小车运输下线入库智能料库等生产工序[2]。按照“自动化+精益化+集成化”的构建思路，将数控车床、五轴机床、工业机器人、AGV 小车等硬件设备集成到智能生产线的“硬件”系统中，再将集成的“软件”技术平台与RFID 视觉射频技术、物联网技结合到一起。酥油灯智能生产线展现出数控加工设备互联、柔性化加工、生产过程可追溯、MES 系统等智能管理系统的应用方案[3]。

2 酥油灯工艺流程的制定

分析酥油灯的工艺流程是智能产线的设计基础。首先通过与专业技术人员进行沟通，确定酥油灯产品的加工精度以及其他的加工特点，再进行整套工艺流程的制定。然后，根据酥油灯加工工艺流程的特点，全面考虑酥油灯在其各个工序之间所进行的物料转移时的信息读取、物料定位、在数控车床以及五轴机床中的加工翻转、工件参数的检测等要求，并统计AGV小车接料所进行的定位、运输等动作所需时间，工业机器人抓取工件时的定位、夹取、放下等动作所需时间，以及数控车床和五轴机床里的工件定位、装卡等所需时间。最后，对以上所述的工艺节拍进行综合分析，最终对酥油灯智能产线进行设计。经过多次研究论证，最终确定酥油灯加工的工艺流程如图4 所示。

图4 加工流程框架图

毛坯件→人工入库→立体仓→订单下发→毛坯出库→单工位定位台定位读取RFID 信息→AGV 小车接料→AGV 小车送料→双工位定位台接料→加工单元（机器人→车削中心→五轴加工中心→在线检测→车削中心）→下料至双工位定位台→AGV 小车接料→单工位接料台接料→入立体仓。

确定酥油灯的加工工序：

1）数控车床加工：主要进行进行酥油灯灯碗的精加工与灯体形状的粗加工。

Step1：进行准备工作，调取刀具轮盘上的推料装置将连接件底部与夹具贴合，使夹具夹紧，毛胚完全固定。然后调取U 钻（直径20 mm），钻至灯碗底部，方便灯碗的加工。

Step2：调取镗刀（刀杆直径10 mm，刀片角度65°，有色金属加工专用刀片），进行酥油灯灯碗内部的车削加工。

Step3：调取刀具轮盘上的左偏刀（20 mm × 20 mm 刀杆，刀片35°，有色金属加工专用刀片），进行外轮廓的车削（进行灯杯外轮廓的正向车削加工）。

Step4：调取右偏刀具（20 mm × 20 mm 刀杆，刀片35°，有色金属加工专用刀片），进行灯杯轮廓的反向加工，进行灯体毛胚整体的完善；

2）五轴机床加工：进行酥油灯表面浮雕精加工；

Step1：首先要完成的是酥油灯的夹紧，选择通过气动膨胀心轴胀紧（便于零件加工的装卡方式）；

Step2：机床调取D6R3 球头刀，进行酥油灯表面浮雕粗加工，单边余量应控制在0.3 mm；

Step3：机床调取D4R2 球头刀，进行酥油灯表面浮雕半精加工，单边余量应控制在0.1 mm；

Step4：机床调取D4R0.5 球头刀，进行酥油灯表面浮雕半精加工，单边余量应控制在0.03 mm；

Step5：机床调取D4R0.2 球头刀，进行酥油灯表面浮雕精加工，最终完成酥油灯表面浮雕加工。

生产流程：首先，利用RFID 无线射频读取上料托盘物料数据，然后与系统交互确认；其次，运用传送带将酥油灯毛胚运送到AGV 小车上并由AGV 小车运送到入料口；再次，机器人与输送装置、产线控制系统相结合，将各工序与数控车床加工交互上料，待对酥油灯灯碗的精加工与灯体形状的粗加工加工完成后，在线检测酥油灯关键尺寸，并反馈给总控系统；再由机器人将酥油灯放入五轴机床，而后进行酥油灯表面浮雕精雕加工；最后，机器人将成品酥油灯放置到托盘，将整个加工过程中采集的数据信息反馈到MES 制造执行系统，成品酥油灯由AGV 小车运输入库智能料库；整个生产过程的数据由主控系统直观显示，对整个生产进行智能控制。

3 智能产线控制系统设计方案

由于目前大多数企业采用的是处于单机工作模式的自动化加工设备，难以解决相应的信息采集问题，其生产制造就会形成所谓的“数据孤岛”。实现智能制造不能只满足生产设备的自动化，更重要的是信息采集、信息管理效率的提高。据统计，目前我国的MRPII、MIS 已经逐渐趋于成熟与普及，然而处于执行层的MES 制造执行系在相应软件的研发以及应用还未得到完善。企业应通过MES 系统来实现对信息和数据的分析处理、集成，来提高生产制造的水平，对整个制造业的水平提高也具有重要意义[4]。

该智能产线控制系统的核心是MES 系统，通过MES 系统强大数据采集的功能，来对产线上各个制造环节中RFID、CNC、PLC、PC 等一些数据采集渠道进行数据整合，来实现现场数据的全面采集的功能，同时可以保证数据的实时性和准确性。工业机器人装配以太网接口，Modbus 通信协议，能实现工业机器人与MES 制造系统的实时数据交互通信的功能。数控车床和五轴机床的控制和反馈信号可以直接连接到机床本身的I/O 模块，其状态可以通过网络反馈到智能生产线主控系统。AGV 智能小车与料仓、加工单位定位台、料盘等实现信号自动传输，依据信号指令正转接料，反转送料，实现自动精确定位接料；采用一种测头对机床内产品在装夹状态下进行测量以判断合格与否的装置；与数控系统进行通讯，实现自动测量；同时应带有主轴保护功能。测量所得到的数据可以发送到控制系统，然后数据分析，给机床刀具半径以及长度自动补偿等提供依据。工业互联网的搭建和网络检测通信状态的连接需要根据网络拓扑图对产线上数控车床、五轴机床、工业机器人等设备和PLC、MES系统等进行端口和IP 的分配及设置。

根据产品的工艺流程应对PLC 进行调试并扩展相应模块，对I/O 接口进行配置，实现逻辑控制、数据采集、人机交互、网络通讯、故障诊断及处理、安全保护等功能；进行人机界面的设计和正确分配HMI 的寄存器、变量等数据，然后通过HMI 工控组态和相应的PLC 梯形图的编程，实现与工业机器人、数控车床、五轴机床、智能料库等各个设备之间的通信调试以及信号交互。最后完成各个设备与MES 系统的参数配置，实现信号交互、数据采集以及可视化管理[5]。最后通过数控云管家大数据平台可在终端远程实时查看设备运行状态，实现对设备的网络化、远程化监控和管理等功能。

4 结语

为实现酥油灯传统生产模式的升级转型，设计了集1 台工业机器人及夹具、1 台车床及工装夹具、1 台五轴机床及工装夹具、RFID 射频识别系统、滚筒输送线、AGV 智能小车、检测装置、清洗机构、安全围栏组、PLC 控制器及MES 制造智执行系统于一体的多功能、可个性化定制的酥油灯加工智能产线，分析并制定酥油灯的加工流程和加工工艺。旨在解决酥油灯传统翻砂铸造生产方式所导致的耗能污染、过量的粉尘以及有害气体对人体造成的危害、加工出来的产品表面粗糙等问题，同时实现产品加工的多样性，工业机器人替代人工生产也能保证产品加工的稳定性问题。这条产线的设计思路是对酥油灯加工模式升级转型的初步探索，为实现酥油灯加工的工艺路线，浮雕、圆雕、激光雕刻等加工工艺，同时为解决酥油灯数字化设计和制造等问题提供有效的思路方法，并通过合理的酥油灯智能产线设计，为未来智能制造提供技术储备。