基于实验室的柔性智能化生产线及生产方法与流程

本发明涉及生产线及实验教学演示，具体地，涉及一种基于实验室的柔性智能化生产线及生产方法。

背景技术：

制造业是国民经济的基础产业,它的发展直接影响到国民经济各部门的发展,也影响到国计民生和国防力量的加强。因此，各国都把机械制造业的发展放在首要位置。随着机械产品国际市场竞争的日益加剧以及经济全球化和国际产业转移趋势不断深化，发达国家都把高新技术注入制造业的开发中，作为竞争取胜的重要手段，特别是在批量小、品种多、质量高、更新快的产品市场竞争要求以及各种社会因素的综合影响，制造过程的自动化程度的提高很有必要。

但是传统的制造业生成产品周期长，生产效率低，生产成本高，不能实现个性化生产，传统制造业想信息化程度差，运营和维护水平较低，不能适应生产任务复杂的、动态多变的订单要求。

借助现代的工具和方法，利用各学科最新研究成果，通过集成传统制造技术、计算机技术与科学以及人工智能等技术，发展一种新型的制造技术与系统，即智能制造技术。智能制造是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。智能制造借助CPS(Cyber-Physical Systems)达到全部生产过程的智能化，从而将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起，将生产工厂转变为一个智能环境。因此，设计一个柔性智能化生产线可实现面向客户需求的个性化设计，生产周期短，可实时动态改变，生产过程柔性化，可实时调整，并能提高资源利用率，降低生产成本，节约劳动力，提高经济效益。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于实验室的柔性智能化生产线及生产方法。

根据本发明提供的基于实验室的柔性智能化生产线，包括原材料库、物流单元、加工单元、检测单元以及立体式仓储单元；

其中，所述原材料库用于放置待加工的原材料产品；

所述加工单元用于将原材料产品加工生成成品；

所述检测单元用于对成品检测；

所述物流单元用于将成品运输至立体式仓储单元；

所述立体式仓储单元，用于将成品分类存储。

优选地，所述加工单元的生产部分包括取料机器人、直线导轨、车床以及数控加工中心；

所述车床用于对原材料产品粗加工生成半成品；所述数控加工中心用于对半成品的精加工生成成品；

所述取料机器人用于原材料产品、半成品以及成品抓取并放置到直线导轨上；

所述直线导轨用于将原材料产品、半成品以及成品运送到相应工位。

优选地，所述加工单元的控制部分包括第一交换机、第一工控机、第一PLC以及机器人控制柜；

第一交换机、第一工控机、第一PLC、机器人控制柜、车床以及数控加工中心之间相互通信实；

所述机器人控制柜连接所述取料机器人。

优选地，所述原材料库上设置有个圆柱形凹槽，所述圆柱形凹槽用于放置原材料产品

优选地，所述检测单元包括智能工业相机和RFID标签读写设备；

所述智能工业相机用于获取成品的产品信息，并将产品信息写入所述物流单元的托盘上的RFID标签中；

所述RFID标签读写设备用于RFID标签的读取。

所述产品信息包括产品尺寸、产品形状、产品种类。

优选地，所述加工单元还包括手持式控制器、急停按钮和安全继电器；

其中，手持式控制器、急停按钮连接所述安全继电器的控制模块

所述安全继电器的开关模块连接所述取料机器人。

优选地，所述物流单元的生产部分包括环形导轨和托盘；所述托盘在所述环形导轨上运行；

所述环形导轨用于将成品运送到立体式仓储工位；

所述环形导轨上布置有多个传感器；

所述传感器，用于实时感知和检测成品的位置信息，从而控制托盘的运行节拍，并将位置信息上传到数据处理单元；

所述物流单元的控制部分包括阀岛、第二交换机、安全继电器、第二IO单元、第二PLC、第一无线收发器、第二工控机以及显示屏VFD单元；

其中，智能工业相机、RFID标签读写设备、所述阀岛、所述安全继电器、所述第二IO单元、所述第一无线收发器以及第二工控机之间通过第二交换机交互；

所述第二PLC连接所述安全继电器；所述显示屏VFD单元连接所述第二IO单元；

所述物流单元的控制部分用于控制环形导轨的正常运行。

优选地，所述立体式仓储单元的生产部分包括分拣机器人和三层立体仓库；

所述分拣机器人用于根据产品信息和产品信息对应的产品存储信息对成品进行分类存储；

所述立体式仓储单元中设置有红外对射型传感器；用于获取产品的存储信息，并通过第一IO单元将产品的存储信息进行上行传输数据处理单元。

所述立体式仓储单元的控制部分包括第二无线收发器、第三交换器、第一IO单元、机器人控制器、第三工控机、第三PLC；

其中，所述分拣机器人、所述第二无线收发器、第一IO单元、第三工控机以及第三PLC之间通过第三交换器交互；

第一IO单元连接所述机器人控制器。

优选地，还包括栅栏；

所述原材料库、所述加工单元的生产部分、所述检测单元、所述物流单元的生产部分设置在所述栅栏内侧；

所述加工单元的控制部分、所述物流单元的控制部分、所述立体式仓储单元的控制部分设置在所述栅栏的外侧，构成MES控制部分。

本发明提供的采用所述的基于实验室的柔性智能化生产线的生产方法，包括如下步骤：

步骤S1：取料机器人从原材料库抓取待加工原材料产品放置直线导轨上；

步骤S2：直线导轨将原材料产品运送到相应粗加工工位；

步骤S3：所述车床对原材料产品进行粗加工生成半成品；

步骤S4：取料机器人将半成品抓出后放置在直线导轨沿直线导轨自行移动到精加工工位加工；

步骤S5：数控加工中心对半成品进行精加工生成成品；

步骤S6：取料机器人将成品放入检测单元中进行检测后放置在托盘上；

步骤S7：环形导轨用于将成品运送到立体式仓储工位，分拣机器人用于根据产品信息和产品信息对应的产品存储信息对成品进行分类存储。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用信息物理融合技术、MES管控技术和计算机技术，通过设计合理的生产线布置和控制系统，实现虚拟和现实的高度融合,并用MES对生产系统进行管控，自动化程度高，可提高资源利用率，降低生产成本，节约劳动力，提高经济效益；

2、本发明作为实验室教学系统，本发明也可以提高学生对自动化生产线的理解，直观性和可操作性强，提高学生的创新能力，也提高了教学质量；

3、本发明基于实验室的柔性智能化生产线，在于上述的柔性智能化生产线的实施，不仅安全可靠，还能满足客户的个性化需求，生产周期短，可实时动态改变，生产过程柔性化，并能提高资源利用率，降低生产成本，节约劳动力，提高经济效益。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中原材料库的结构示意图；

图3为本发明中物流单元的生成部分的结构示意图；

图4为本发明中检测单元的结构示意图；

图5为本发明中立体式仓储单元的结构示意图；

图6为本发明中加工单元的控制部分的结构示意图；

图7为本发明中物流单元的控制部分的结构示意图；

图8为本发明中立体式仓储单元的控制部分的结构示意图；

图9、图10为本发明急停按钮、手持式控制器的安装示意图。

图中：

1为原材料库；2为物流单元；3为加工单元；4为检测单元；5为立体式仓储单元；6为数据处理单元；7为原材料产品；8为环形导轨；9为托盘；10为车床；11为数控加工中心；12为取料机器人；13为分拣机器人；14为直线导轨；15为成品；17为智能工业相机；18为RFID标签读写设备；19为RFID标签；20为栅栏；21为生产部分；22为MES控制部分；23为三层立体仓库；24为废品库；25为红外对射型传感器；26为第一交换机；27为第一工控机；28为第一PLC；29为机器人控制柜；30为主机；31为阀岛；32为第二交换机；33为安全继电器；34为第二IO单元；35为第二PLC；36为第一无线收发器；37为第二工控机；38为第二无线收发器；39为第三交换器；40为第一IO单元；41为机器人控制器；42为第三工控机；43为第三PLC；44为急停按钮；45为安全继电器；46为手持式控制器；47为显示屏VFD单元。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的基于实验室的柔性智能化生产线，包括原材料库1、物流单元2、加工单元3、检测单元4以及立体式仓储单元5；

其中，所述原材料库1用于放置待加工的原材料产品7；

所述加工单元3用于将原材料产品7加工生成成品15；

所述检测单元4用于对成品15检测；

所述物流单元2用于将成品15运输至立体式仓储单元5；

所述立体式仓储单元5，用于将成品15分类存储。

原材料产品7是用聚四氟乙烯做的圆柱棒，用不同的颜色代表不同种类的待加工产品，其中白色、黑色、粉色表示合格产品，绿色表示有缺陷的产品，实现同一生产线可生产不同产品的功能。

所述加工单元3的生产部分包括取料机器人12、直线导轨14、车床10以及数控加工中心11；

所述车床10用于对原材料产品7粗加工生成半成品；所述数控加工中心11用于对半成品的精加工生成成品15；

所述取料机器人12用于原材料产品7、半成品以及成品15抓取并放置到直线导轨14上；

所述直线导轨14用于将原材料产品7、半成品以及成品15运送到相应工位。

所述取料机器人12、所述分拣机器人13均设置在所述物流单元2的直线导轨14上；

所述加工单元3的控制部分包括第一交换机26、第一工控机27、第一PLC28以及机器人控制柜29；

第一交换机26、第一工控机27、第一PLC28、机器人控制柜29、车床10以及数控加工中心11之间相互通信实；

所述机器人控制柜29连接所述取料机器人12。

所述原材料库1上设置有25个圆柱形凹槽，所述圆柱形凹槽用于放置原材料产品7

所述检测单元包括智能工业相机17和RFID标签读写设备18；

所述智能工业相机17用于获取成品15的产品信息，并将产品信息写入所述物流单元2的托盘9上的RFID标签19中；

所述RFID标签读写设备18用于RFID标签19的读取。RFID标签19携带了产品相应的生产加工信息，便于产品质量的追溯。

所述产品信息包括产品尺寸、产品形状、产品种类。

所述加工单元3还包括手持式控制器46、急停按钮44和安全继电器45；

其中，手持式控制器46、急停按钮44连接所述安全继电器45的控制模块；

所述安全继电器45的开关模块连接所述取料机器人12。借助安全继电器45和手持式控制器46等硬件实现逻辑上的安全保障，在出现紧急情况时，能够在第一时间做出应对措施，有效的保障了设备和人的安全。

所述物流单元2的生产部分包括环形导轨8和托盘9；所述托盘9在所述环形导轨8上运行；

所述环形导轨8用于将成品15运送到立体式仓储工位。如将报废品回收入废品库24，实现局部区域的分布式智能，成品15入库后，托盘9上的RFID标签信息自动清除后进入下一个生产循环；所述的立体式仓储单元5中部署了大量的红外对射型传感器25，通过第一IO单元40实现底层数据的上行传输。

所述环形导轨8上布置有多个传感器；

所述传感器，用于实时感知和检测成品15的位置信息，从而控制托盘9的运行节拍，并将位置信息上传到数据处理单元6；

所述物流单元2的控制部分包括阀岛31、第二交换机32、安全继电器33、第二IO单元34、第二PLC35、第一无线收发器36、第二工控机37以及显示屏VFD单元47；

其中，智能工业相机17、RFID标签读写设备18、所述阀岛31、所述安全继电器33、所述第二IO单元34、所述第一无线收发器36以及第二工控机37之间通过第二交换机32交互；

所述第二PLC35连接所述安全继电器33；所述显示屏VFD单元47连接所述第二IO单元34；

所述物流单元2的控制部分用于控制环形导轨8的正常运行。

所述立体式仓储单元5的生产部分包括分拣机器人13和三层立体仓库23；

所述分拣机器人13用于根据产品信息和产品信息对应的产品存储信息对成品15进行分类存储；

所述立体式仓储单元5中设置有红外对射型传感器25；用于获取产品的存储信息，并通过第一IO单元40将产品的存储信息进行上行传输数据处理单元6。

所述立体式仓储单元5的控制部分包括第二无线收发器38、第三交换器39、第一IO单元40、机器人控制器41、第三工控机42、第三PLC43；

其中，所述分拣机器人13、所述第二无线收发器38、第一IO单元40、第三工控机42以及第三PLC43之间通过第三交换器39交互。机器人控制器41连接所述第一IO单元40。

分拣机器人13根据机器人控制器41的要求做出相应的放置操作。

本发明提供的基于实验室的柔性智能化生产线，还包括栅栏20；

所述原材料库1、所述加工单元3的生产部分、所述检测单元、所述物流单元2的生产部分设置在所述栅栏20内侧；

所述加工单元3的控制部分、所述物流单元2的控制部分、所述立体式仓储单元5的控制部分设置在所述栅栏20的外侧，构成MES控制部分22。

栅栏20在生产时具有自锁功能，在日常教学研究中可有效保护人生安全；所述生产部分21布置在栅栏20内部，包含制造设备和控制元件等基础设施，实现产品的加工、运转和检测等功能；

所述MES控制部分22布置在栅栏20外部，由多台主机30进行控制，可显示生产加工及物流等生产状态的实时信息，并下达个性化订单。

本发明提供的采用所述的基于实验室的柔性智能化生产线的生产方法，包括如下步骤：

步骤S1：取料机器人12从原材料库1抓取待加工原材料产品7放置直线导轨14上；

步骤S2：直线导轨14将原材料产品7运送到相应粗加工工位；

步骤S3：所述车床10对原材料产品7进行粗加工生成半成品；

步骤S4：取料机器人12将半成品抓出后放置在直线导轨14沿直线导轨14自行移动到精加工工位加工；

步骤S5：数控加工中心11对半成品进行精加工生成成品15；

步骤S6：取料机器人12将成品15放入检测单元4中进行检测后放置在托盘9上；

步骤S7：环形导轨8用于将成品15运送到立体式仓储工位，分拣机器人13用于根据产品信息和产品信息对应的产品存储信息对成品15进行分类存储。

成品15入库后，托盘9上的RFID标签信息自动清除后进入下一个生产循环。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。