Explication détaillée des lignes de production de fabrication intelligente
Les lignes de production automatiques se développent progressivement sur la base des lignes d'assemblage. Il s'agit d'un système de production qui connecte un groupe de machines-outils CNC et d'équipements auxiliaires en fonction de la séquence de processus via le système de transport des pièces et le système de contrôle, et complète automatiquement tout ou partie du processus de fabrication du produit. Dans l'ensemble de la chaîne de production automatisée, sa composition spécifique comprend un total de 13 parties, comprenant principalement divers sites fonctionnels, différents modules fonctionnels, capteurs, électrovannes et interfaces d'importation et d'exportation. Parmi eux, les sites fonctionnels comprennent principalement les stations de matériaux, les stations de traitement, les stations d'assemblage et de manutention et les stations de tri des produits finis ; Parmi les différents modules, il existe un total de 5 types, à savoir le module convertisseur de fréquence, le module d'alimentation, le module PLC et le module bouton, et le module d'entraînement moteur. Sur la base de l'intégration de ces pièces, les lignes de production automatisées peuvent non seulement réaliser le chargement, le déchargement et le traitement, mais également compléter l'assemblage, le tri et le transport du contenu associé.
En tant que produits à machine unique, les tours et centres de tournage intelligents peuvent répondre à la production et à la fabrication de pièces générales petites et simples. Cependant, avec la transformation et la mise à niveau des modes de production industrielle vers l'automatisation et la flexibilité, les opérations traditionnelles des chaînes d'assemblage ne peuvent plus répondre aux exigences de production existantes de haute précision, haute efficacité et haute flexibilité. Par conséquent, des lignes de production de tournage intelligentes basées sur des robots intelligents, des tours intelligents et des centres de tournage intelligents se sont développées. Cela deviendra la principale direction de développement de l'automatisation de la production. La ligne de production de tournage intelligent implique des équipements tels que le contrôle de la ligne de production, l'inspection qualité, les robots de manutention, les machines d'usinage, les lignes de transport logistique, la gestion de la production et l'entreposage des produits finis. Chaque équipement est un élément important de la ligne de production de tournage intelligent. Grâce à une intégration plus poussée du système, plusieurs lignes de production intelligentes pourront former des ateliers numériques et des usines numériques, permettant ainsi l'automatisation et l'intelligence de l'ensemble de l'usine.
1 Disposition générale des lignes de production intelligentes
La figure 1 montre une ligne de production de tournage intelligent typique, qui réalise principalement le traitement automatique mixte et la production de pièces, des produits bruts aux produits finis. La ligne de production de tournage se compose d'un système de contrôle de ligne de production, d'une unité de détection en ligne, d'une unité de robot industriel, d'une unité de machine d'usinage, d'une unité de stockage de matières premières, d'une unité de stockage de produits finis et d'une unité de logistique automobile RGV. L'équipement de traitement adopte la machine-outil intelligente de la série CK produite par Shaanxi Baoji Machine Tool Group Co., Ltd., qui est équipée du système CNC intelligent Baoji B80.
Figure 1 : Ligne de production de tournage intelligent [1]
1) Système de contrôle principal et unité de détection
La figure 2 montre un système de contrôle typique conçu par Shaanxi Baoji Machine Tool Group Co., Ltd., composé de terminaux intérieurs et de terminaux sur site. Le terminal intérieur est équipé de plusieurs écrans et bases de données, chargés de recevoir les mégadonnées de fabrication et de production transmises depuis l'ensemble de l'atelier de production. Les écrans sont utilisés pour afficher divers statuts sur le site de l'atelier utilisateur, notamment l'état de fonctionnement de l'équipement, l'état de traitement des pièces, la situation logistique, le statut du personnel et des informations environnementales telles que la température et l'humidité sur le site de l'atelier utilisateur. Le personnel de direction peut facilement accéder au terminal intérieur et visualiser visuellement et clairement les différentes conditions sur place. Dans l'atelier de production de l'utilisateur, les terminaux sur site sont équipés pour contrôler le fonctionnement sur site de l'ensemble de la ligne de production, compléter la collecte, l'analyse, la gestion locale et à distance des données de base de l'équipement, la visualisation dynamique des informations et d'autres opérations. Le terminal sur site est équipé d'un écran qui permet de visualiser clairement et facilement les différents statuts de l'atelier de l'utilisateur, y compris la surveillance des équipements, les statistiques de production, les statistiques de défauts, la distribution des équipements, l'analyse des alarmes, la base de connaissances des processus, etc. Le terminal du site peut ajouter des tableaux de bord de gestion de la production, télécharger et télécharger des programmes de traitement, identifier le personnel en glissant des cartes et effectuer des statistiques de progression et une analyse des tâches de production. Il peut collecter et transmettre des données sur site via diverses méthodes d'accès telles que filaire, Wi-Fi, 2G/3G/4G/5G, etc. Les mégadonnées de fabrication collectées peuvent être transmises à la base de données SQLServer du terminal intérieur de l'utilisateur via Internet. , Interaction des données avec les terminaux intérieurs via des ordinateurs terminaux.
Figure 2 Système de contrôle général [2]
La figure 3 montre une unité de détection en ligne typique, composée de robots industriels, d'effecteurs finaux et de capteurs multi-sources. Une fois que le système logistique a transporté les produits finis vers l'emplacement désigné, le robot industriel déplace l'ensemble de l'unité de détection vers le poste de travail désigné et utilise une caméra visuelle pour prendre des photos, reconnaître et localiser les pièces à tester. Le robot industriel ajuste à nouveau sa position pour aligner l'ensemble de l'unité de détection avec la pièce à tester.
Figure 3 Unité de détection en ligne
Une fois la reconnaissance et le positionnement terminés, l'effecteur final est chargé de saisir les pièces à tester. Les pièces sont transférées vers la position désignée sur la plate-forme de test via un robot industriel. Les indicateurs de précision des pièces à tester, tels que l'ouverture, la profondeur, la courbure, la rugosité et la planéité, sont détectés en ligne par des capteurs multi-sources prééquipés sur la plateforme de test. Des algorithmes intelligents peuvent également être utilisés pour mesurer et classer automatiquement les pièces, transférer différents types de composants vers différentes lignes logistiques et effectuer des opérations automatiques de classification des pièces. L'unité de détection peut renvoyer les résultats de détection au système de contrôle principal via Internet, et l'opérateur peut visualiser directement les résultats de détection des pièces via l'ordinateur terminal et l'affichage du système de contrôle principal intérieur ou sur site. S'il répond aux exigences de détection, il peut passer directement à l'opération suivante du poste de travail. S'il ne répond pas aux exigences, un rappel de non-conformité sera affiché sur l'écran et l'opérateur prendra des jugements et des décisions en fonction du degré de non-conformité des pièces. Une fois la détection terminée, l'effecteur final saisit les pièces détectées et le robot industriel transfère les pièces détectées au système logistique, qui les transporte ensuite vers le poste de travail suivant pour traitement.
2) Robots industriels et unités de tournage
Le module de traitement conçu et fabriqué par Shaanxi Baoji Machine Tool Group Co., Ltd. est illustré à la figure 4, qui se compose de deux parties : des robots industriels et des tours. Parmi eux, les robots industriels sont responsables du mouvement et de la saisie des pièces à traiter, et les tours sont des machines intelligentes qui peuvent garantir une haute précision et une efficacité de traitement.
Figure 4Module de traitement
Une fois que le système de distribution logistique a transporté les pièces brutes ou semi-finies jusqu'au poste de travail désigné, le robot industriel saisit les pièces brutes ou semi-finies et les place dans le tour intelligent pour aider la machine à terminer le travail de serrage des pièces à en traitement. Pour les tours à double station, une fois qu'un tour intelligent a terminé le travail de tournage, le robot industriel transfère les pièces semi-finies vers un autre tour intelligent pour terminer le traitement de la station suivante. Une fois tous les travaux de traitement terminés, le robot industriel saisira et transférera les pièces finies vers le système logistique, qui les transférera ensuite vers le poste de travail suivant.
Le tour est équipé d'une fonction intelligente de protection de la santé, d'une fonction de compensation de température thermique, d'une fonction intelligente de détection de bris d'outil, d'une fonction intelligente d'optimisation des paramètres de processus, d'une fonction de diagnostic expert, d'une analyse d'équilibre dynamique de la broche et d'une fonction intelligente de gestion de la santé, d'une fonction d'évitement actif des vibrations de la broche et d'une fonction intelligente. fonction de majordome de nuage [3]. La fonction principale des machines-outils intelligentes est de coopérer avec des robots industriels pour accomplir différentes étapes de tâches de traitement et de production, tout en garantissant l'efficacité et la précision du traitement et de la production des pièces. Les utilisateurs peuvent remplacer les machines-outils intelligentes par différentes qualités de machines-outils en fonction des besoins de l'atelier de production, telles que des tours à grande vitesse, des tours de précision et des centres d'usinage. Ils peuvent également ajouter ou réduire les fonctions intelligentes correspondantes en fonction de leurs propres besoins pour former la ligne de production de tournage la plus adaptée aux besoins de production de l'entreprise.
3) Unité de logistique et d'entreposage des produits finis
La figure 5 montre une unité logistique typique conçue et produite par Shaanxi Baoji Machine Tool Group Co., Ltd. Elle se compose de robots industriels, d'effecteurs finaux, de chariots RGV, d'accessoires de transport de pièces et de pistes de marche, réalisant principalement le transfert et le transport de machines-outils. pièces traitées. Dans l'atelier utilisateur, les lignes de production intelligentes peuvent être équipées d'une ou plusieurs lignes de production logistiques en fonction des besoins des tâches de production. Les lignes de production de tournage intelligentes avec moins de machines-outils ou des tâches de traitement plus simples peuvent adopter un mode de rationalisation d'objet unique pour effectuer des opérations telles que le chargement, le transfert et le déchargement ; Dans les situations où il existe de nombreuses tâches de machine-outil ou des tâches d'usinage complexes, afin d'éviter la complexité et les conflits des tâches du système logistique, deux ou plusieurs lignes logistiques peuvent être équipées. Une ligne est utilisée pour le chargement de pièces brutes ou semi-finies, une ligne est utilisée pour le transport de processus intermédiaires et l'autre ligne est utilisée pour couper des pièces finies. Pour les lignes de production de tournage intelligentes avec des scénarios de traitement relativement simples, les robots industriels peuvent être fixes et peuvent effectuer le serrage et la récupération des pièces ; Pour les lignes de production de tournage intelligent plus complexes, les robots mobiles peuvent être équipés séparément pour distribuer, saisir et libérer les pièces sur la piste de marche. Le transfert des pièces entre les différents postes de travail est réalisé par une voiture RGV. Grâce à la programmation automatique, la voiture RGV peut atteindre avec précision la position prédéterminée dans un délai spécifié, garantissant ainsi que les robots industriels peuvent reconnaître et saisir les pièces en douceur. La voiture RGV est équipée de dispositifs d'expédition de pièces, et l'atelier de l'utilisateur peut équiper différents dispositifs en fonction de la taille et de la taille des pièces traitées. Une fois que le montage est rempli de suffisamment de pièces brutes ou finies à chaque position, le wagon RGV fonctionne pour effectuer les travaux de chargement, de transport et de déchargement correspondants.
Figure 5 Unité logistique Figure 6 Unité de stockage de produits finis
La figure 6 montre une unité de stockage de produits finis typique conçue et produite par Shaanxi Baoji Machine Tool Group Co., Ltd., composée d'une armoire de stockage, de robots industriels, d'effecteurs finaux et de pistes de marche. Une fois les pièces traitées, les pièces finies sont transportées vers la zone de découpe par la voiture RGV et le robot industriel se déplace vers la zone de découpe. L'effecteur final saisit les pièces finies en fonction de leur nombre, puis le robot industriel transfère les pièces finies à l'emplacement désigné dans l'armoire de stockage. L'effecteur final nécessite une conception spéciale de la part de chaque unité utilisateur en fonction de la forme et de la taille des pièces traitées pour répondre au travail de préhension des différentes pièces. L'armoire de rangement est composée de petites armoires indépendantes de même taille, qui peuvent être rapidement assemblées et démontées entre chaque armoire. Pour les robots industriels fixes, l'atelier utilisateur doit ajuster la longueur et la hauteur de l'armoire de stockage conçue en fonction de la hauteur de travail et de la portée maximales du robot industriel. Les robots industriels équipés de pistes de marche peuvent être conçus pour des armoires de stockage de produits finis plus longues. Les robots peuvent augmenter leur couverture de travail en marchant sur des pistes qui peuvent être droites ou circulaires selon les besoins. Pour les ateliers utilisateur dotés de plusieurs armoires de stockage ou les armoires de stockage de produits finis avec différentes classifications de pièces, les unités utilisateur peuvent également ajuster la longueur et la forme du chemin de marche. Par exemple, une piste circulaire peut faire correspondre un robot à plusieurs armoires de stockage de produits finis, réalisant ainsi plusieurs services pour un robot et améliorant son utilisation. Lorsqu'il y a un grand nombre d'armoires de stockage logistique finies, la longueur de la piste de marche doit être augmentée ou deux robots industriels ou plus doivent être équipés pour assurer l'efficacité de la logistique. Il convient de noter que la conception de la longueur de la piste de marche doit tenir compte du temps de marche du robot et ne doit pas être conçue sur une longueur trop longue. Si le temps de marche du robot est trop long, cela peut entraîner une faible efficacité de la distribution logistique, provoquant une accumulation de pièces finies dans la zone de coupe, entraînant des accidents tels que des collisions de pièces, ce qui augmente les risques de production et réduit l'efficacité du travail.
2 Hiérarchie de contrôle des contrôleurs de machines-outils
La combinaison de l'intelligence artificielle et de la technologie informatique a grandement amélioré le niveau d'intelligence des systèmes CNC, principalement reflété dans divers aspects des systèmes CNC :
(1) Application intelligente du contrôle anticipé, de l'identification en ligne et de l'auto-réglage des paramètres de contrôle pour améliorer les performances de conduite ;
(2) Utiliser une technologie de contrôle adaptatif pour obtenir une efficacité et une qualité de traitement intelligentes ;
(3) Appliquer des technologies intelligentes telles que des systèmes experts pour réaliser un diagnostic intelligent des défauts, une surveillance intelligente et d'autres aspects du contrôle du processus d'usinage.
Pendant le processus de fabrication, le niveau de contrôle du contrôleur de la machine-outil peut être divisé en trois niveaux, comme le montre la figure 7, comprenant le niveau de contrôle du moteur, le niveau de contrôle du processus et le niveau de contrôle de supervision. Parmi eux, le niveau de contrôle du moteur peut réaliser une surveillance de la position et de la vitesse de la machine-outil grâce à des équipements de détection de machine tels que des réseaux et des codeurs d'impulsions ; La hiérarchie de contrôle du processus comprend principalement la surveillance de la force de coupe, de la chaleur de coupe, de l'usure des outils, etc. pendant le processus d'usinage et l'ajustement des paramètres du processus d'usinage ; La hiérarchie de supervision et de contrôle prend la précision dimensionnelle, la rugosité de surface et d'autres paramètres du produit traité comme objectifs de contrôle pour améliorer la qualité de traitement du produit.
Figure 7 Hiérarchie de contrôle du contrôleur de machine-outil
1) Les tendances de développement du contrôle de traitement intelligent à l’étranger
(1) Recherche sur la stratégie de contrôle intelligent : dans le domaine de l'usinage de contrôle des réseaux neuronaux, les experts ont proposé un algorithme de recherche d'essaims de poissons piloté par essaim de particules pour optimiser les paramètres d'usinage des machines-outils CNC. Une méthode hybride basée sur des réseaux de neurones et des algorithmes génétiques est proposée pour réduire la complexité de calcul et la consommation de temps des réseaux de neurones, ce qui nécessite une itération et une convergence des processus en raison de l'influence de la complexité du réseau. Des expériences de simulation sont menées sur la reconnaissance de caractéristiques dans l'usinage planaire pour démontrer sa faisabilité. Quelqu'un a proposé un modèle basé sur un algorithme génétique adapté à la résolution de la prédiction de petites forces de coupe, qui peut permettre de prédire la force de coupe et d'optimiser les paramètres de coupe.
(2) Application de la surveillance du processus d'usinage : surveillez et surveillez les phénomènes anormaux pendant le processus d'usinage, puis prenez des mesures pour arrêter le processus d'usinage et ajuster les paramètres du processus d'usinage (tels que la vitesse de broche) pour éviter d'endommager la machine-outil. Des phénomènes anormaux au cours du processus d'usinage peuvent survenir progressivement, tels que l'usure des outils ; Cela peut également survenir soudainement, par exemple en cas d'endommagement d'un outil ; Ou cela peut être évité, comme les vibrations ou les vibrations.
2) Tendance de développement national du contrôle d'usinage intelligent
Sous un contrôle intelligent, les systèmes d'automatisation peuvent résoudre les pannes de manière proactive, car ils peuvent connecter efficacement toutes les machines via un langage informatique pendant le processus de candidature et générer un système de traitement lié. Selon les différents capteurs, méthodes de contrôle et objectifs de contrôle utilisés, les recherches sur la surveillance des processus d'usinage portent principalement sur les aspects suivants :
(1) En étudiant l'usure des outils, réaliser une surveillance de l'état de l'usinage ;
(2) En étudiant la force de coupe obtenue indirectement via des instruments de mesure de force ou des courants de moteur, l'état du processus d'usinage peut être amélioré ;
(3) Recherche sur l'optimisation des paramètres hors ligne dans le domaine de la FAO ;
(4) Recherche de simulation sur des algorithmes de contrôle d'usinage intelligents, etc.
3 Plateforme de service de gestion du cycle de vie complet des machines-outils CNC
La fabrication intelligente est une approche de fabrication basée sur l'information visant l'ensemble du cycle de vie du produit, permettant d'obtenir des conditions de perception omniprésentes. Les données et les informations constituent le « sang » qui circule dans la fabrication intelligente. La numérisation transforme les données en informations, créant ainsi une valeur utile grâce à une prise de décision intelligente et en réseau. Par conséquent, la fabrication de produits intelligents repose sur les données. L’ensemble du cycle de vie du produit est divisé en quatre étapes.
(1) Étape de production des composants : données du processus d'approvisionnement, données du processus de production, enregistrements de tests et d'entreposage ;
(2) Prise en charge de l'étape d'entreposage des produits : prise en charge des dossiers d'inspection de l'entreposage des produits, prise en charge des informations sur les bons de commande des produits ;
(3) Étape de débogage des machines-outils : données sur le processus de fabrication des machines-outils, données de test et de réglage en usine de machines-outils, enregistrements d'usine de machines-outils ;
(4) Étape de transfert de la machine-outil : démarrage de l'utilisateur, enregistrement des données de réglage de la machine, auto-entretien, réparation à une clé, enregistrements de maintenance de l'utilisateur et données de processus d'utilisation de l'utilisateur.
La plate-forme de services de gestion du cycle de vie complet des machines-outils CNC applique des technologies clés telles que l'Internet des objets, les services cloud et le Big Data pour collecter des données sur le cycle de vie complet des machines-outils CNC depuis la conception, le traitement, le débogage des machines-outils, ainsi que le transfert et l'utilisation des utilisateurs. . Il établit une base de données d'archives de machines-outils, effectue une traçabilité complète des informations sur le cycle de vie et fournit aux utilisateurs des services de surveillance à distance des équipements, de gestion des statistiques de production, d'exploitation et de maintenance des équipements. La figure 8 montre l'architecture technologique BOCHICLOUD de Shaanxi Baoji Machine Tool Group Co., Ltd. Le principal point fort de Baoji Cloud réside dans ses fonctions de service d'exploitation et de maintenance :
(1) Base de connaissances sur les cas de panne : fournir aux utilisateurs des solutions aux pannes ;
(2) Réparation des pannes : réparation en ligne des pannes d'équipement, envoi en temps opportun des ordres de réparation et suivi rapide par les ingénieurs ;
(3) Maintenance régulière : suivre les changements de performances de l'équipement tout au long de son cycle de vie et fournir des plans de maintenance personnalisés ;
(4) Maintenance prédictive : prédire les risques potentiels de panne de l'équipement et fournir des pièces de rechange en temps opportun.
Figure 8 Architecture technique BOCHICLUD [4]
4 Intégration des systèmes de chaîne de production numérique
Avec le développement rapide de la technologie des systèmes de contrôle intégrés, les lignes de production automatisées évoluent vers des niveaux plus élevés d’automatisation et d’intégration. Le contrôle intégré des lignes de production est la mise en réseau de dispositifs intelligents qui doivent être connectés via un certain réseau, ce qui en fait un tout, intégrant et interagissant avec les informations internes pour atteindre les objectifs de contrôle. Il existe deux types de contrôle intégré pour les lignes de production : l'intégration d'équipements et l'intégration d'informations. L'intégration d'appareils est l'intégration de divers appareils dotés de fonctions de contrôle indépendantes dans un tout organique via un réseau. Cet ensemble constitue un système de contrôle intégré, à la fois indépendant et lié, et pouvant être configuré en fonction des différents besoins de production. L'intégration de l'information est l'application de concepts de conception modulaire fonctionnelle pour réaliser une allocation dynamique des ressources, une surveillance des appareils, une collecte et un traitement des données, un contrôle qualité et d'autres fonctions, formant des modules fonctionnels de base comprenant un contrôle indépendant et d'autres fonctions de traitement. Chaque module fonctionnel réalise une interconnexion standardisée, et des modes de contrôle et des stratégies de planification spécifiques sont utilisés pour construire des unités fonctionnelles afin d'atteindre les objectifs attendus, réalisant ainsi un contrôle intégré.
Les entreprises d'automatisation traditionnelles se concentrent sur la mise en œuvre de l'automatisation au niveau des équipements, mais ne sont pas familiarisées avec les systèmes de niveau supérieur tels que SCADAMES/ERP, ce qui conduit à négliger l'acquisition numérique des informations sur la ligne de production et le flux horizontal et vertical des informations de production. MES/ERP et d'autres entreprises de systèmes logiciels se concentrent sur l'analyse des données et le contrôle du déploiement au niveau supérieur du système. Il est difficile d'impliquer des dispositifs matériels et des méthodes de contrôle avec différents modèles de dispositifs d'exécution et de contrôleurs au niveau inférieur, ce qui affecte le flux vertical d'informations. Grâce à la mesure numérique, l'acquisition et la circulation numériques des informations de fabrication (paramètres clés) peuvent être réalisées, ce qui peut briser les barrières entre le système supérieur et la chaîne de production inférieure, libérer la productivité existante de haute qualité et accélérer le processus de développement de la Chine. industrie manufacturière. En intégrant les technologies de conception, de fabrication et de gestion des outils, en construisant une ligne de production numérique pour les outils et en assurant un flux de données fluide à toutes les étapes du processus de développement des outils, le rôle de la technologie numérique dans le processus de développement des outils peut être pleinement utilisé, améliorant ainsi précision et efficacité de la fabrication des outils, raccourcissant les cycles de développement et réduisant les coûts de développement.
Le contrôle intégré des lignes de production est un tout organique qui combine les technologies de communication, informatiques et d'automatisation. Afin de coordonner le travail de divers équipements et sous-systèmes dans la chaîne de production, le système adopte un PLC et son module d'E/S à distance distribué pour réaliser une gestion centralisée et un contrôle décentralisé des unités de production ; Dans le même temps, l'automate reçoit la gestion du système MES supérieur, y compris la vérification des informations sur l'opérateur, le contrôle des produits, la gestion des matériaux et d'autres informations. La structure du système de contrôle de la ligne de production est illustrée à la figure 9 et le contenu de la communication comprend l'identification de l'opérateur, l'état du corps de la ligne de production, les informations sur le robot, les informations sur le traitement de la pièce, l'état de fonctionnement de la machine-outil et diverses informations sur les défauts.
Figure 9 Diagramme schématique de la structure du système de contrôle de la ligne de production
La configuration matérielle du système de contrôle est illustrée à la figure 10, qui utilise un réseau PROFINET pour communiquer avec les périphériques IO de terrain sous-jacents. Les périphériques IO comprennent des modules avec fonctionnalité Ethernet tels que le module de terrain IM151-3PN, le module d'entrée/sortie ET200ecoPN, le module de communication RF180C, etc. Afin de partager des données avec d'autres systèmes API de l'atelier, le système de contrôle est également équipé d'un coupleur PN/PN de qualité industrielle. Grâce à ce pont, l'échange d'informations entre la ligne de production automatique et d'autres systèmes PLC de l'atelier peut être réalisé. Parallèlement, afin d'assurer la fiabilité de la production, des connexions en réseau en anneau à fibre optique sont utilisées entre les contrôleurs de chaque unité. Une fois le système MES défaillant, le système de contrôle peut fonctionner normalement sans le système MES.
