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智能制造虚拟仿真实训基地建设关键技术与核心设备

发布时间:2022-11-01

编辑人:灵图互动

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智能制造是一门覆盖了多个学科的交叉性技术,所涵盖的专业有智能制造工程、机器人技术、工业物联网、工业大数据等。院校在进行人才培养时,需要融合人工智能、数控机床、机器人、电子信息和自动化、机电一体化、智能控制技术、物流管理、物联网技术等多种专业知识。通过实现各个系统的使用、维护、基本调试等内容,为教学质量的提高和实训基地的建设提供了新的思路和保障。

虚拟仿真技术在智能制造教学中的应用给智能制造实践教学带来了深刻变革,通过多媒体、人工智能、数据库及互联网技术,利用逼真合理的虚拟实践环境为学生提供实践教学帮助,让学生在1:1沉浸式相对开放的虚拟学习环境中进行有效的认知学习、实操练习与考核。

虚拟仿真实训教学系统具有对现实环境的真实模拟和操作,有利于激发学生主动学习的兴趣,培养学生创新精神和实践创新能力。构建真实的虚拟仿真实训环境和实践对象,实现工程训练不具备(或难以完成)的实践教学功能,学生能够在虚拟的环境中开展实践学习,达到工程训练的认知与实践教学效果。

智能制造虚拟仿真实训基地主要由智能化生产制造、物料的搬运、物料的仓储与管理三部分组成,并利用工业互联网和MES系统实现整个系统的自动化运行和整体调配。主要依赖于五大核心设备和八大核心技术。

智能制造虚拟仿真实训基地

1. 智能制造虚拟仿真实训基地建设核心设备

1.1 数控机床

智能制造虚拟仿真实训基地采用了两台高精度数控机床,两台数控机床分别完成铣削加工和雕铣加工,一台主要完成从毛坯料到底座的加工,另一台则完成底座上校标的打印。这两台数控机床的应用使得学生在实践操作训练的同时,可实现产品的实际生产加工。

智能制造虚拟仿真实训基地建设的核心设备

1.2 工业机器人

智能制造虚拟仿真实训基地应用了五台六轴垂直多关节机器人、一台四轴水平机器人,主要完成物料传输过程中的搬运、抓取等工作。其中,两台六轴机器人复合在AGV上,与AGV一同完成物料的输送任务。所有机器人全部通过工业网络与控制器进行实时通信,由控制器控制各机器人进行全自动运行。其中下料机器人加入了附加轴,用以物料的传送,进一步拓展了机器人的应用范围。

工业机器人虚拟仿真实训基地

1.3 立体库堆垛机

智能制造虚拟仿真实训基地采用小型单柱式堆垛机,主要完成物料从立体库到取送物料台之间的传递,堆垛机与立体仓库、上位物流调度系统共同构成智能仓储部分,堆垛机的运动由伺服驱动器控制,货叉的控制从教学上考虑采用差异化设计,使用变频器控制货叉的伸缩。

1.4 水晶激光内雕机

智能制造虚拟仿真实训基地主要利用内雕机雕刻2D/3D人像、各种标志、奖杯等个性化礼品纪念品,也可批量生产2D/3D动物、植物、建筑、车、船、飞机等模型产品和3D场景展示,内雕机经过改造通过工业总线与系统相连,在系统调配下保持节拍,实现了加工与雕刻的全自动化。

1.5 复合型AGV

智能制造虚拟仿真实训基地使用两台具有六轴机器人的复合型AGV,通过磁导航引导AGV按规划路径行走,完成物料从生产平台到智能立体仓库的搬运。

2. 智能制造虚拟仿真实训基地建设核心技术

2.1 机器人技术

机器人技术作为智能制造的代表,在智能制造虚拟仿真实训基地建设中得到了广泛应用。在本建设项目中实现了工业机器人的分拣、搬运、拟人作业等多种应用。从机器人设计、编程、调试、运行到维护各个阶段,都充分发挥了我校技术优势,为机器人的教科研工作提供了更加丰富的资源和技术保障。

 智能制造虚拟仿真实训基地建设核心技术

2.2 自动识别技术

在上料的物料分拣程序中,运用了视觉识别技术,以物料的轮廓、像素、边沿位置三个特征属性判别物料,机器人进行物料的分拣。同时,创造性地利用工业互联网IP协议,识别信息不再经过控制器,而是将判别信息直接传递给机器人,使识别信息的传递更为高效、准确。

2.3 安全技术

人身安全和设备安全是本项目设计和实施过程中的重中之重,而安全技术的运用也贯穿了整个实训基地建设项目,采用了设备和人身避碰安全技术、区域连锁技术和冗余保护技术,很大程度上提高了设备的生产安全性,为生产流程的可靠运行提供了有力保障,同时也为机电专业相关课程深度的提升提供了技术素材。

2.4 运动控制技术

在物料传输、AGV轮系控制、堆垛机的运动控制等工艺过程中,选用伺服运动控制器与变频器,并且通过I/O总线及工业总线与控制器相连,实现了对工业设备速度的精确控制和精准定位。例如在AGV轮系控制中,通过对伺服控制器的反复调试,可稳定控制轮系的速度与定位精度。

2.5 数控技术

数控机床的应用过程中充分利用数控加工技术、数控加工编程与操作、数控原理与系统、数控机床使用及维修、数控机床电气控制、数控机床操作技能实训等数控专业主干课程的相关内容,完成底座的加工和校标的印刻。

2.6 工业控制技术

智能制造虚拟仿真实训基地建设项目主要采用三菱Q系列PLC作为核心控制器,通过工业网络搭建控制系统,控制系统设计需要考虑到将来水平扩展与垂直扩展的可能性,控制器的模块化结构及其开放性网络,保证系统具有良好的可扩展性,可以根据硬件配置灵活构成控制系统;系统的监控站采用通用PC机,无需专用操作站,且网络接口简单。本系统充分发挥各拓展模块功能,对机器人、数控机床、水晶内雕机、伺服系统、变频器等设备统筹控制,是机电相关专工业控制课程的良好实践。

2.7  MES制造执行系统

MES制造执行系统作为智能制造虚拟仿真实训基地的管理系统,主要实现资源分配及状态管理、工序详细调度、过程管理三大功能。在硬件方面,智能制造虚拟仿真实训基地建设项目选用了最新型的MES接口模块,该模块可以在无需通信网关的情况下实现PLC的软元件数据与MES系统数据库的连接,简化了数据采集设备与MES系统的传输通道,极大地提高了数据传输效率,大幅度减少了MES系统开发人员的工作量。

智能制造虚拟仿真实训基地MES制造执行系统

2.8 工业网络通信技术

智能制造虚拟仿真实训基地主要采用CC-Link与工业以太网综合运用的工业网络通信技术。CC-Link作为一种开放式现场总线,本建设项目CC-Link整个网络可由一个主站和多个从站组成。网络中的主站由PLC担当,从站为远程I/O模块、特殊功能模块、工业机器人、人机界面、传送带伺服驱动器等现场仪表设备。机器人与视觉识别设备、堆垛机控制系统则选用工业以太网组建网络,一方面是设备自身属性的要求,另一方面是出于教学内容的差异化选择。

智能制造虚拟仿真实训基地的建设融合了智能控制技术、工业机器人、物流等专业知识,有效提升了专业建设的内涵,提高了专业教师的教科研水平。通过整个生产线的运行,可实现机械加工、流水线、机器人装配、智能分拣、智能物流以及MES系统和ERP系统的使用、维护和基本调试等教学内容,有效提升了教学质量。


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