1、智能工厂系统设计与控智能工厂系统设计与控制培训教材制培训教材课前秀一课前秀一课前秀二课前秀二课前秀三课前秀三课前秀四课前秀四课前秀课前秀五五概述概述本条产线围绕工业4.0与中国制造2025先进理念展开，以亚控操作系统为核心，加以各类先进数控机床、机器人、视觉系统和移动终端构成整个产线的信息物理系统。此次产线所加工的对象是不锈钢，最终产品是各类启瓶器、吊坠等小型工艺品。之所以选择这类产品为生产对象，主要是因为它的多样性，包括外形的多样性、图案文字的多样性以及两者组合的多样性。正是这种多样性的存在，提高了整个系统的设计难度，但是另一方面它满足了柔性化生产、以及个性化的定制，这就使整个产线更加贴合工
2、业4.0于中国制造2025的先进生产制造理念。产线的整个生产流程均在系统的监控与指导下完成，从上料开始到激光切割、数控精雕、双端面磨削、清洗烘干、再到视觉检测以及最后的喷砂处理，每一步都自动完成。下面我们将对整个产线的信息物理系统，加工工艺流程进行介绍，包括加工方式的选择、工艺路线的选定、工艺参数的调整优化和设备调试过程中所遇到的难点以及相应的解决办法。智能制造生产线机器人上料激光切割个性化雕刻双端面磨削清洗烘干表面喷砂视觉检测打包入库提提 纲纲一、生产系统工业一、生产系统工业4.04.0框架框架二、激光切割加工二、激光切割加工三、雕刻加工三、雕刻加工四、毛刺打磨处理四、毛刺打磨处理五、双端面
3、磨削加工五、双端面磨削加工六、六、CCDCCD视觉检测视觉检测七、表面喷砂处理七、表面喷砂处理八、打包装盒八、打包装盒产线信息物理系统（CPS）I/O等以太网以太网CANI/O多媒体教学系统生产管理系统系统工控机双端面磨床数控精雕机激光切割机喷砂机清洗风干机码垛打包机输送机多关机机器人CCD视觉系统直角机器人SCARA机器人移动终端设备人机界面以太网Wifi产线人性化APP操作系统APP系统工控机 生产线以太网I/O实时监控画面产品类型尺寸范围形 状图案文字数 量预览产品样式选择工作站参数查询生产信息查询实时数据查询APP设置生产线设置监控系统设置设置摄像头选择实时监控设置实时画面产线远程管理
4、与自动生产系统产线个性化定制系统系统工控机我要吊坠我要启瓶器双端面磨床数控精雕机激光切割机喷砂机清洗风干机码垛打包机输送机多关节机器人直角机器人CCD视觉系统SCARA机器人产线数字化生产系统（101，201）（101，201）（103，203）（101，201）（102，202）智能生产线激光切割加工激光切割加工一、切割加工的种类一、切割加工的种类切割加工按照加工形式大致可以分为两类，即冷切割冷切割与热切割热切割。其中冷切割包括剪切、锯切割、水射流切割等，热切割包括气体火焰切割、等离子弧切割、和激光切割等。切割作业是本产线的第一道加工工序，将会直接影响后续一系列搬运动作以及加工质量。因此选择
5、一种合适的切割方式显得尤为重要。水流切割火焰切割二、我们为何选择激光切割二、我们为何选择激光切割激光切割相对于以上冷切割方式具有加工精度高、加工噪声小、技术理念更为先进等优势。火焰切割和等离子弧切割虽然切割速度快，但是切割过程中噪声、粉尘污染严重，工作环境差，这些都不符合学校教学要求。此外所选用的激光切割配套有完善数控系统，更有利于学生掌握先进数字化技术。三、激光切割三、激光切割激光切割是材料加工中一种先进的和应用较为广泛的切割工艺。它是利用高能密度的激光束作为“切割刀具”对材料进行切割加工的方法。采用激光加工可以实现对各种金属、非金属板材、复合材料以及碳化钨、碳化钛等硬质材料的加工，在国防建
6、设、航空航天、工程机械等领域获得广泛应用。激光切割加工激光切割加工激光切割等离子切割激光切割加工激光切割加工3.1 激光切割加工激光切割加工原理简介原理简介激光切割时利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射材料迅速融化、汽化、烧蚀或者达到熔点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光加工原理示意图如右所示。激光切割又可以分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂切割四种形式。这里我们选用激光熔化切割激光熔化切割，切割过程中通过与激光束同轴的喷嘴中高速喷出非氧化气体氮气，使得液态金属排出，形成切口。这种切割方式相对其它几种耗能更低，更加适合不
7、锈钢板的切割。激光切割原理图激光切割加工激光切割加工四、加工过程中所遇到四、加工过程中所遇到的问题的问题 无法切透钢板问题一 边缘毛刺严重问题二 激光高热量导致夹具变形问题三如何解决？激光切割加工激光切割加工问题一：无法切透钢板问题一：无法切透钢板解决方案解决方案:影响激光切割深度最直接的因素就是激光的功率，因此针对这一问题，首先适当加大激光切割机功率，并调节吹气气压，最终顺利将钢板完全切透。问题二：边缘毛刺严重问题二：边缘毛刺严重解决方案：解决方案：针对这一问题，经过大量试切后，我们发现产生毛刺的最主要的原因是氮气气压的大小。如果气压过小，熔融的金属将无法被迅速吹走，残留在工件外轮廓上并形成
8、毛刺。因此经过对吹气气压进行优化调节之后，所切割产品已基本无毛刺。问题三：激光的高热量导致夹具变形问题三：激光的高热量导致夹具变形解决方案：解决方案：由于在激光切割过程中会瞬间产生大量热量，夹具中的废料回收装置由于受热不均匀发生严重变形。针对这一现象，我们将直接被激光照射的废料回收装置的底板由原来的钣金换成了厚度更厚的板材，从而解决受热变形这一问题。激光切割加工激光切割加工切割参数优化前的产品切割参数优化后的产品边缘毛刺打磨处理边缘毛刺打磨处理砂纸抛光盘前面我们已经说过，经过对激光切割机参数优化之后我们已经能够获得基本无毛刺的产品，为什么还要在这里加入毛刺打磨这一步？在切割过程中我们不断对激光
9、功率激光功率、氮气吹氮气吹气气压气气压以及激光头与料板的距离激光头与料板的距离参数进行优化调整，以上三个因素都是我们可以精确控制的，但是还有一个因素是不可控的，也就是料板的平面料板的平面度度。因为我们采用的原材料是已经成型的不锈钢板材，它所能保证的只有板材的厚度，这就造成在切割过程中激光头与板材之间的距离不定，从而导致偶有毛刺的产生。针对这一问题，我们专门设计了一台专用小型抛光机，用于去除残留的毛刺，而且取得良好效果。雕刻加工雕刻加工方式目前主要有激光雕刻加工和机械雕刻加工。两者的区别主要由以下几点：激光雕刻非接触加工物件，精度更高难以在金属表面做到有深度的雕刻产生废气更加适合雕刻照片机械雕刻
10、接触加工物件刀具寿命相对更长无废气产生更易于在金属表面作出有深度的雕刻一、概述：一、概述：雕刻加工经过对比我们发现激光雕刻与机械雕刻各有优势，激光雕刻采用非接触式加工，无需固定工件、雕刻精度更高。但是机械雕刻更适合金属表面有深度的雕刻，而且我们前面已经配备一台激光切割机，为了使产线机种多样性，更加有利于教学，我们选择了机械式数控精雕机我们选择了机械式数控精雕机。主要问题点工件定位不可靠加工速度慢刀具易磨损二、雕刻过程中的主要问题点二、雕刻过程中的主要问题点雕刻加工三、解决方案三、解决方案问题一：工件定位不可靠问题一：工件定位不可靠在设备调试过程中我们经常遇到的问题就是工件定位不可靠，造成雕刻图
11、案跑偏，甚至工件掉落。这主要是因为机械雕刻加工过程中刀具高速旋转，与工件之间有切削力而且方向不定。此外雕刻过程中不断有切削液喷淋至工件，由于工件与夹具贴合面之间存在缝隙，从而破坏真空，影响了工件的定位。针对这一情况，我们主要对定位夹具做了改进，使用专用的夹具胶皮，使工件与夹具贴合更为紧密，具体措施将在夹具介绍中说明。问题二：加工速度慢问题二：加工速度慢雕刻速度过慢主要是因为最初设计的图案、文字既有线条又有区域，而区域雕刻速度过慢，不满足节拍要求，因而后期对图案文字进行了重新设计，雕刻速度也大大提高。问题三：刀具易磨损问题三：刀具易磨损刀具磨损主要与切削参数有关，为了避免刀具过快磨损我们对切削参
12、数进行了优化，比如适当提高主轴转速、减小进给速度。双端面磨削加工产品经过外形切割、图案文字雕刻两道工序之后，已经基本成型，但是表面难免会有划痕，为了使表面更加美观，我们采用双端面磨削对其上下表面进行同时磨削。一、双端面磨削简介一、双端面磨削简介双端面磨削是一种高效率的平面加工方式，它在一次行程中能加工出两个具有相当高的精度及表面光洁度的平行端面。双端面磨床能够达到很高的加工精度，对于加工零件上下面平行度、尺寸精确度、表面粗糙度均要求高的工件，这是首选的加工方式。它与普通平面磨床最大的不同之处：不是靠磁性来固定工件，而是工件的上下平面一起平行磨削加工。也就是说，不管加工件是铜还是其它不产生磁性的
13、材料都可加工。而且进给均匀、速度快、效率高。与研磨机床相比，在达到同样精度的基础上加工效率是研磨机床的10倍。双端面磨削加工在实施的过程中主要有以下两个难点：1、送料盘的设计：、送料盘的设计：因为产品的外形、大小均不固定，我们不可能为每个产品单独设置一个放置孔位，因此需要设计一种复合式的送料盘，允许一个孔位能够放置多种产品。2、如何将产品放入预定的孔位：、如何将产品放入预定的孔位：为了能够将产品顺利放入对应孔位，达到磨削效果，我们将磨床主轴原来的三相异步电机换成伺服电机，实现精确转位。三相异步电机伺服电机清洗烘干工件在经过磨削加工之后表面必将残留有磨削液、铁屑等脏污，为了保证下一道工序顺利进行
14、，我们对工件进行清洗烘干处理。清洗过程中采用清水喷淋处理，将工件表面磨削液洗净，然后采用热风将工件上下表面同时吹干处理。整个清洗、烘干作业过程无需人工干预，自动完成。出口入口CCD视觉检测系统本处所采用的检测方式为CCD光学视觉检测，它主要包括光源光源、镜头镜头、控控制系统制系统三部分。视觉检测是指通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。镜头控制系统光源CCD视觉检测系统视觉检测具有以下优势：1 1、非接触测量、非接触测量 对于
15、观测者与被观测者都不会产生任何损伤，从而提高系统的可靠性。2 2、具有较宽的光谱响应范围、具有较宽的光谱响应范围 例如使用人眼看不见的红外测量，扩展了人眼的视觉范围。3 3、长时间稳定工作、长时间稳定工作 人类难以长时间对同一对象进行观察，而机器视觉则可以长时间地作测量、分析和识别任务。此处总共有两次检测，首先对产品外形进行检测，然后再进行产品表面图案检测，两次检测中间还有一次喷砂处理。视觉系统除了检测作用外，还能标定产品位置，为SCARA机器人提供准确的抓取位置信息。外形检测产品中心位置标定喷砂处理图案、文字检测打包装盒剔除剔除合格合格不合格不合格+喷砂处理喷砂处理是整个工艺流程中最后一道加
16、工工序，它采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到需要处理的工件表面，使工件的外表面的外表或形状发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和均匀的粗糙度。同时喷砂还能对机加工件毛刺进行清理，表面美化喷砂能清理工件表面的微小毛刺，并使工件表面更加平整，消除了毛刺的危害，提高了工件的档次。并且喷砂能在工件表面交界处打出很小的圆角，使工件显得更加美观、更加精密。一、喷砂工艺简介一、喷砂工艺简介二、主要难点二、主要难点难点一 工件定位难点二 如何保证产品同一表面喷砂均匀难点三 如何保证产品上下表面喷砂均匀喷砂处理 工件定位难：工件定位难：因为在，喷砂过程中喷
17、料高速喷射到物体表面，冲击力相当大。为了保证工件定位可靠，我们将最初的夹紧定位优化为真空吸附定位，同时增强产品与夹具接触面之间的密封性。如何保证产品同一表面喷砂均匀：如何保证产品同一表面喷砂均匀：由于喷料呈束状喷出，一次喷砂面积有限，喷头在喷砂过程中自身不能摆动。如果工件也静止不动，就会造成同一表面上喷砂不均匀，使得表面粗糙度不一致。为此我们将固定式夹具改进为旋转式夹具，保证了同一表面喷砂均匀。如何保证产品上下表面喷砂均匀：如何保证产品上下表面喷砂均匀：同一产品上下表面喷砂不均匀，这是由于在对一个表面进行喷砂处理时，部分喷料喷射到夹具上反弹，对工件另一面也进行了喷砂，而这类反弹有事不规则的，这就造成了工件上下表面喷砂不均匀。为了保证产品上下表面喷砂均匀，我们将产品原先与夹具的部分密封接触改进为全部密封接触，成功解决这一问题。三、解决方法三、解决方法喷砂处理喷砂处理前喷砂处理后夹持式夹具翻转机构+旋转式夹具改进打包装盒产品经过喷砂处理之后就已经完成所有加工流程，接下来就是对检测合格的产品进行打包装盒。这一过程包括以下几个动作：气缸推出包装盒开盒产品放置闭盒机器人将包装盒搬送至传送带
