智能制造生产线技术及应用 教案 2-2智能制造生产线应用

XXXXX学院单元教学设计XXXX—XXX学年第X学期课程名称：授课班级：任课教师：所在系部及教研室：

本单元标题智能制造生产线典型应用教学目的通过了解生产线的典型应用，激发学生创新创业思维以及提高职业素养教学目标能力（技能）目标知识目标了解智能制造生产线的发展现状；了解智能制造生产线的典型应用。学生自我搜集智能制造生产线的典型应用案例，提高其搜集信息资源的能力；通过了解生产线的典型应用，理解并整理智能制造生产线的优势。重点难点及解决方法重难点：解决方法：参考资料[1]汪励,陈小艳.工业机器人工作站系统集成[M].机械工业出版社,2014.[2]李志谦.精通FANUC机器人编程、维护与外围集成[M].机械工业出版社,2020[3]陈晓明,霍永红,项万明.工业机器人应用编程(FANUC)初级[M].机械工业出版社,2022.[4]王哲禄,何红军.工工业机器人应用编程与集成技术[M].机械工业出版社,2022.[5]廖常初.S7-1200PLC应用教程[M].机械工业出版社,2020.[6]乡碧云.自动化生产线组建与调试(第2版)—以亚龙YL-335B为例（三菱PLC版本）[M].机械工业出版社,2023.单元教学设计第一部分：复习上次课主要内容第二部分：新课导入及学习新内容（时间：30分钟理论）【步骤一】新课导入引导问题你见过物品加工的生产线吗？举一个例子。你见过的最智能的生产线是怎样的？它属于什么公司？发展现状如何？请同学根据所学所识积极思考，踊跃发言【步骤二】新知识的讲授很多行业的企业高度依赖自动化生产线，比如钢铁、化工、制药、食品饮料、烟草、芯片制造、电子组装、汽车整车和零部件制造等，实现自动化的加工、装配和检测，一些机械标准件生产也应用了自动化生产线，比如轴承。但是，装备制造企业目前还是以离散制造为主。很多企业的技术改造重点，就是建立自动化生产线、装配线和检测线，利用智能制造技术逐步建立智能制造生产线。以下是智能制造生产线的应用举例。一、基于数字孪生的智能制造生产线优势生产线是加工作业的执行主体，汇合了信息流、物料流和控制流等要素，因此，生产线智能化是实现智能制造的关键。截止目前，生产线的发展已经历经了多次演化。传统生产线只包括物理实体空间，通过人为操作管理生产要素，制定加工任务，实施生产控制。由于通过人为纸质登记的方式存储生产活动时的人员、设备、物料等信息，使得这些生产信息的查询、传递、统计、分析十分繁琐。且由于生产要素的异构多源、生产控制的迟滞和生产计划的不确定性等因素，生产线具有较高的复杂性、协同性及不确定性。其面临的问题包括：生产计划的变更、生产线设备故障以及产品质量参差不齐、各工位作业衔接较差、工时定额的不稳定等。其核心问题是无法对实时变化的生产环境和生产计划做出有效决策。数字孪生的发展为上述问题的解决提供了参考（如图2-10）。智能制造生产线可通过数字孪生系统快速了解生产线各个工位的实时工作情况，为生产人员制定生产计划、检修各工位设备以及管理生产资料等提供实时的动态信息，对制造业领域实现智能制造具有一定参考价值。数字孪生系统实现了生产线作业过程中生产信息的实时收集，并在上位机上实时动态显示虚拟模型的作业情况，达到了预期的目的，并为进一步研究奠定了基础。图2-10柔性生产线数字孪生系统二、智能制造生产线实训系统应用智能制造生产线系统结合智能立体仓库、物料输送单元、全自动加工单元、全自动检测单元、激光标识单元、自动装配单元、AGV系统及信息管理系统形成一套完整的智能生产线单元，同时借助PLC系统，能够实现各个分系统的协同工作，在该系统中能够实现伺服电机的壳体、前端盖、后端盖、电机轴的全自动加工过程，同时通过检测单元能够完成电机轴的自动检测，激光标识单元能够实现智能生产线的定制化处理，能够完成产品的标识跟踪，自动装配单元能够实现轴承的全自动压紧装配，同时通过直角坐标机器人系统，能够完成电机前端盖、后端盖的全自动螺钉锁紧装配过程，生产过程的物料全部通过AGV系统实现物料的自动周转（如图2-11）。智能制造生产线系统以伺服电机为载体，能够支持多个独立单元的运行，同时又能够完成整线的自动生产过程，该套系统中将智能制造过程中应用的多种制造设备及生产工艺融合在一起，使实训学员能够对多个领域和生产环节进行实践实训，为更进一步的理解智能制造的概念，为其后期在工作中更好的应用智能制造方法，提供了一种良好的实践设备。同时，该套系统也为智能制造方向的实训提供了一个系统、全面的生产应用模式，而该模式的应用也会对未来智能制造的发展提供一种应用支撑。图2-11智能制造生产线实训系统图三、飞机总装脉动生产线智能制造技术的应用近年来，我国飞机总装开始从机库式作业向脉动式、移动式作业模式发展。2000年，美国波音公司建成第一条脉动总装线，并首次将其成功用于阿帕奇直升机总装，脉动总装的优势得到了实践的验证。洛克希德·马丁公司的F-22装配生产线采用脉动总装线后，年产量由2003年的11架增加到2007年的32架，极大地提高了装配效率。空客公司A320总装中也都采用了脉动总装线，使交付周期缩短45%，生产效率提高了35%。在波音737、波音777、波音787等机型上，波音公司进一步探索和采用了连续移动式总装作业模式。当今，波音、洛克希德·马丁和空客等世界先进航空制造企业在实施新的战略规划时，不断将新的数字化、信息化和自动化手段应用于飞机总装，并逐步朝智能化方向发展，引领着未来航空工业制造技术和制造产业发展的新方向。智能装配单元是飞机总装智能生产中不可或缺的组成部分。某型飞机总装建设了水平尾翼智能装配单元，如图2-12所示。该智能装配单元以部件装配和检测仿真模型为驱动，以激光跟踪仪测量数据为输入，采用大部件对接误差实时测量与自适应控制系统，实现部件数字化装配与测量的闭环工作模式。在飞机总装生产中，通过各个智能装配单元之间相互联系、相互配合，最终建设形成高度集成的智能生产线。图2-12水平尾翼智能装配单元四、智能制造生产线在卷烟厂制丝的应用如图2-13所示，构建了一套集先进控制技术、工业互联网、协同制造、垂直集成和网络化的制丝生产线电控系统、集中监控系统、生产管理系统（以下简称制丝线管控系统）。一方面蚌埠卷烟厂制丝信息建设需要采用面向工业智能制造的双总线系统架构，通过信息网络的扁平化，将PLC、智能仪表、检测执行器件、计算机等诸多迅速发展的技术产品通过工业互联结合在一起，用方便灵活的硬件和软件模块化设计，以适应用户各种不同特点的工艺控制要求和管理要求，即满足工艺要求的精细化控制和满足现代化的精益化管理；另一方面，通过双总线服务，实现对制丝车间相关系统的信息集成，包括协同管理系统、MES、生产数据监视系统、无线定位作业系统、自动化物流等系统。图2-13卷烟厂易地技术改造制丝线管控系统架构示意图五、智能制造生产线在再生橡胶中的应用在橡胶轮胎行业，工业机器人技术在国外轮胎企业的物流和智能生产中，已经得到了广泛应用，米其林、普利司通、倍耐力等知名轮胎企业还都拥有独特的智能生产技术。作为全球轮胎制造大国，中国轮胎行业也逐步朝着智能化的方向发展，越来越多的企业已经应用了自动化的立体仓库、AGV无人引导车等，工业机器人也正在投入使用。国内橡胶机械制造企业已研发成功橡胶轮胎搬运机器人及智能化输送系统，助力橡胶轮胎行业实现自动化、智能化生产。根据中国橡胶工业协会发布的《中国橡胶工业强国发展战略研究》路线图的规划，再生胶行业在“十三五”末，即2020年前完成“万吨废旧轮胎绿色自动化粉碎示范生产线”;在“十四五”末，即2025年前完成“废旧轮胎生产再生橡胶万吨自动化示范生产线”。并明确提出了产业升级对生产线自动化的要求。中胶橡胶资源再生(青岛)有限公司的发展规划完全契合中国橡胶工业强国发展战略，目前公司自主研发的万吨级废轮胎环保再生橡胶生产线已经实现连续化生产。生产线的多项关键技术科技成果已经通过科技成果鉴定或标准化评价。该生产线将废轮胎胶块破碎制备胶粒—胶粉制备—胶粉再生及连续时挤出整合在一起，实现了密闭、连续、中温、常压、环保生产。生产线自动化控制系统则采用具有业界先进水平和能够适应未来发展趋势的新型全冗余分布集散式控制系统(DCS)。DCS分布集散式控制系统，利用上位机和下位机，实行集中控制和分布控制相结合。下位机依据采集的电机电流、温度、效率、过载和报警信号等设备运转参数,对生产线的现场设备分别进行速度设置、启动/停止、正转/反转或报警输出等控制实现分布式控制;上位机利用通讯网络与下位机进行通讯，对下位机进行参数设置、信息存储和数据处理，以实现集中控制的功能。整个控制系统依据现有设备的实际分布情况、可采取的控制方式，实现了结构一体化，具有易裁剪性。同样，可参考现场工艺的设计要求，以及工艺布局,进行方便、灵活的组合。系统采用智能化的控制模式，操作简捷方便、界面友好美观。在中控室，通过计算机的画面可以监视整个生产过程:还可以查询实时的生产参数、数据:任意调入各工艺图、运行表、设定表和控制表工艺图，以图形的方式显示各个工段的工艺流程和数据，运行状态表中反映主要设备的开关状态、设备的电流、现场仪表的参数等。建立工艺参数的数据库，可以方便地进行查询、修改、统计和编制报表等操作;生产运行出现故障时，系统自动将出现故障的参数、时间、类型、报警级别等记录下来，报警信息能即时弹出，并有多种方式提示。生产运行过程中对重要设备的操作，重要参数的修改将自动记录下来，以便后期查询。采用总线布线方式，网络上可以挂接不同的数据采集站。该生产线实现自动化控制以后，每条生产线的人工配置为5人，包括胶块装载机操作工1名、物流叉车工1名、生产线巡检员1名、设备保全维修1名、中控室工程师1名，即可完成整条生产线从原料到成品的的整个产品生产过程。作为废轮胎环保再生橡胶生产线自动化和智能化的一部分，为了能够同时满足两个再生橡胶胶片生产单元成品的码垛打包及搬运，提高生产效率，同时降低工人的劳动强度，公司在再生橡胶胶片的码垛打包工序引入码垛机器人来代替人工进行搬运和码垛。胶片抓取过程见图2-14。码垛机器人在生产线的应用见图2-15。自动化控制系统在生产线研发阶段,是将整条装备生产线划分为若干个设备模块，设备按模块进行设计和制造，电气控制方案也是按照设备模块进行设计的。现在，公司研发团队又完成了对整条生产线的电气控制方案和自动化控制方案的设计，对整线的自动化控制系统进行了升级和优化，开发出了万吨级再生胶生产线智能自动化控制系统2.0版。正在推进电气控制及其自动化的标准化工作，对电气控制元件指定品牌、并使用统一的企业标准为今后生产线达到更高的自动化水平奠定基础。该智能生产线已实现整个生产过程的自动化。目前正采用多种传感器进行数据采集上传，建立数据库，在上位机上对包括工艺参数在内的数据进行分析，自动调节工艺参数，以实现生产过程的智能控制。生产线实现自动化和智能化，不仅大幅减少了生产用工，提高了生产效率，同时也使产品质量的稳定性得到大幅调高;大大提升了再生胶生产装备的技术水平。图2-14胶片抓取过程图2-15码垛机器人在生产线的应用六、智能制造生产线在铸造加工上的应用山东联诚精密制造股份有限公司，总部坐落在山东省济宁市兖州经济开发区，是一家在深交所挂牌的上市企业，是国家高新技术企业、国家级绿色工厂、中国铸造行业综合百强企业、省级企业技术中心。公司基础业务专注于铸铁、铝合金等精密铸件的开发设计、生产和销售，拥有几百台高端机械加工设备及十几条世界先进的自动化铸造生产线，在生产工艺和质量管理方面潜⼼研究，已形成了包括模具制造、铸造、精密加工和表面处理及最终性能检测等完整的零部件制造体系，探索出联诚独特的跨行业、多客户、多品种、定制式商业模式，为多家世界500强及行业领军企业提供了大量优质产品和一站式服务。

精密加工（如图2-16）是联诚精密工作量占比最大的一部分，几百台加工中心、数控车床以及各种加工设备，可以完全覆盖从0.2kg-300kg的零件；插齿机可以加工800mm直径之内的零件。公司积累了二十多年的丰富加工经验，在生产设备自动化和管理信息化方面加大投入力度，不断优化生产环节，持续提升综合竞争力。针对大批量的零件生产，专门配置了智能制造生产线，提高效率减少人工；而针对中等批量的产品，则配置由一台机械手对应多台加工设备组成生产单元，将灵活性和高效率完美搭配。图2-16精密加工及产品

精密铸铁是联诚精密最强项的业务之一，从公司成立以来，铸铁业务一直都是重中之重，公司拥有产自意大利、西班牙、日本等国的水平铸造线、垂直铸造线、多触头高压铸造线等，承接着来自全球各地的铸造任务。大批熟练的一线工人完整的工艺流程，全面的检测设备，能够充分保证铸件的质量和性能。如图2-17为铸铁加工部分画面。图2-17加工铸铁画面与铸铁产品精密铸铝方面（图2-18），对铝合金材料的铸造工艺，包括铝砂铸、铝压铸、重力铸造和铝合金锻造，零件重量覆盖0.5kg到20kg。公司可以根据客户对零件的性能要求，灵活选择工艺方案，不断提高产品质量，降低生产成本。图2-18铸铝画面与主要铸铝产品联诚独特的跨行业、多客户、多品种、定制式商业模式，为多家世界500强及行业领军企业提供了大量优质产品和一站式服务。产品广泛应用于乘用车、商用车、工程/农业机械、液压机械、商用空调、医疗器械、环保设备、高铁及太阳能等行业和领域（如图2-19）。图2-19产品展示在当今的市场上，产品更迭速度快，客户对供应商协同、快速、准确开发新产品的要求不断提高，这需要企业有更强大的研发能力。应对这种情况，联诚精密成立了技术研发及信息化中心，中心共取得了国家专利42项，包含发明专利3项、实用新型专利38项、外观设计专利2项，是省级技术中心。技术研发及信息化中心，能大大地提高新产品研发能力，快速对产品进行检测分析，为企业发展增添新动力。七、智能制造生产线在智能化生产装备设计与制造中的应用上海思河机电科技有限公司（图2-20）是山东联诚精密制造股份有限公司设立在上海的全资子公司，目标主要业务范围为工业自动化设计、机床维修与改造、液压工装与模具制造等。集团公司位于山东省济宁市兖州经济开发区，是一家已进入国际厂商全球采购体系、产品全部出口、客户订单高速增长的机械加工行业民营企业。该企业于1994年成立，利用欧美、日本等发达国家将加工业向中国转移的契机，专注于国际市场，开发国际客户。企业有多年的国际市场运作经验，已成功立足于国际厂商的全球采购体系，目前产品加强出口的基础上，全面开发，终端用户除了为欧美知名的汽车零部件、农用机械、电机产品、工程机械产品的制造商外，已经跻身国内高端客户供应商行列。客户数量和订单过去几年实现快速增长，已经实现销售收入5亿元人民币。 图2-20思河机电科技有限公司思河机电科技是专业从事智能化生产装备成套设计与制造的高新技术企业，具备集设计、制造、安装、调试、培训等独立交钥匙工程能力，专业从事柔性自动化生产线、自动化物流线、液压（或气动）工装夹具、工业关节机器人系统集成、自动上下料机械手、非标加工专用设备、非标自动化专用设备、流水线铸造模具、翻砂模具、重力铸造模具等技术研发、生产制造和销售服务。产品结构简介如下图2-21。图2-21思河机电科技产品结构图2-22产品介绍桁架机械手（图2-23）用于工业自动化生产线中,工件经常需要在装配线和机床加工位置之间来回运输。目前桁架机械手机床的上下料都是在自动化生产线上进行，通用工业桁架机械手应用广泛。关节式桁架机械手具有载重大、精度高、动作好编程等优点,但价格较贵,在运输路径相对简单的情况下使用不经济。目前桁架机械手适用于机床加工工位定位精度要求高，但装卸动作简单的自动化生产线中。桁架机械手结构包括多个支撑部件,支撑部件上设有用于安装机械手的自由度机械手，结构简单可靠，成本低廉;并且齿轮齿条传动采用斜齿轮啮合,增加了机械工作负荷,提高了运行稳定性。桁架机械手具有结构简单，成本低、精度高等优点,可以实现工件在装配线和相应机床加工工位之间的水平和垂直运输。桁架机械手采用工业机器人代替人工劳动，在加工中心、数控车床、冲压、孔床上完成工件的拾取、输送、上下料等一系列工艺任务,从而降低企业的生产成本，提高工作效率和产品质量,增强企的经济效益。桁架式数控机床上下料机械手是用于数控机床自动化上下料的直角坐标机器人机械手，数控机床桁架式机械手是工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程、多功能、多自由度、运动自由度间成空间直角关系的自动化设备。桁架式机床上下料机器人与数控机床相结合，可以实现所有工艺过程的工件自动抓取、上料、下料、装卡、工件移位翻转、工件转序加工等，能够极大的节约人工成本，提高生产效率。数控机床桁架式机械手自动上下料由PLC可编程逻辑控制器协调控制，经各种液压缸和气缸配合进行动作处理。负责将机械手上下料轨道上的待加工工件移至机床内，待加工完毕后将加工后的工件从机床内取出，返回至机械手上下料轨道上。整个自动上下料过程包括五大部分：工件输送、机械手取料、卡盘上下料、机械手送料及将零件送到下一工序。其中工件输送和将零件送到下一工序部分与其他部分、数控加工并行执行；桁架式机械手取料、机械手送料部分与数控加工同时进行。图2-23桁架机械手关节机器人（如图2-24）用于机械加工机床上下料的关节机器人采用的轴数一般为6轴，重复定位精度为±0.06mm，常用的负载重量在10-50kg。机床上下料机器人一般分为一对一、一对二（机床面对面摆放）、一对三（机床摆成品字形），如果想要1台关节机器人对多台机床上下料，需要加上地面轨道，可实现1台关节机器人对多台机床自动上下料。关节机器人的优点：关节机器人最大的优点就是灵活性强，不受机床结构的限制，能适用很多机床。可应用的范围广泛，除了用在机床上下料，关节机器人还可应用于打磨、抛光、焊接、装配、搬运码垛等领域。关节机器人的缺点：相对于桁架机械手而言，关节机器人占用的场地空间较大，它的臂展（工作范围）有限，一台机器想要工作范围加大的话必须加装它的行走轴，所以关节机器人的价格较高。图2-24关节机器人非标自动化（图2-25）就是指根据客户需求定制的非市场流通的自动化集成设备。同样属于自动化领域，功能是按企业用户工艺要求而量身设计、定制的自动化机械设备，其操作方便、灵活不单一，功能可按用户的要求而添加，可更改余地大。目前常用于工业、电子、医疗、卫生以及航空航天等领域。图2-25非标设备非标自动化设备和自动化设备有哪些差别：1、自动化设备是设置好的具有专业性和极限性的设备；非标自动化设备是根据企业的需求和实际情况进行配套和设置的，不属于规范化的自动化设备。2、自动化设备根据行业标准生产，一般产量较大；非标自动化设备由于需要企业定制，所以一般产量比较小。3、自动化设备一般都有固定的功能；而非标自动化设备是按需求定制的功能。另外公司还进行液压与气动工装夹具的生产如图2-26。图2-26液压与气动工装夹具思河机电科技以工业现场自动化总线工程为发展方向，以“以市场为导向，以客户为中心，以质量为原则，以创新为动力”为宗旨，秉承“质量