基于工业4.0智能制造工厂服务平台：海尔波轮洗衣机智能柔性装配线方案

基于工业4.0智能制造工厂服务平台 ——海尔波轮洗衣机智能柔性装配线 智能工厂模型 MES 生产监控模块 CPS架构 柔性互联设计、个性化定制设计拓展 C2M工厂，基于德国工业4.0以及中国制造2025为基础，通过建立大批与个性化订制、内部互联、虚实互联、内外互联，实现零距离消费者的智能工厂。智能洗衣机装配线设计就是基于互联工厂的考虑，个性化定制要求产线能够柔性生产，产线具备以下柔性互联特性： 1、产线控制系统预留标准接口，供SCADA系统调用。 ØPQC工艺数据 Ø设备状态数据采集Ø关键物料零件条码采集或批次采集Ø在制品信息采集Ø返修以及再上线信息采集2、线体预留空间供后续RFID、ESOP实施。3、工装、夹具柔性设计，可能兼容多平台产品。 项目设计理念 根据（天津海尔波轮洗衣机智能柔性生产线技术要求），智能利用物联网技术和监控技术加强信息管理服务，通过“六维智能”提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，以及合理计划排程。同时，集智能手段和智能系统等技术于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。 项目先进技术运用 1.整厂规划能力； 2.先进的离线编程技术；3.机器人快换技术；4.模块化、定制化产线设计技术；5.LCIA（简便自动化技术）及精益生产理念等应用；6.智能制造质量大数据分析与预测技术；7.行业数据驱动的三维实时虚拟仿真技术；8.多生产线数据采集与标准化处理技术；9.智能制造车间能源管理与优化调度技术；10.设备自诊断与自修复系统。 制造目标价值 产品质量关键因素分析 IQC来料质量控制、筛选合格产品 ØIQC的工作主要是控制公司所有的外购物料和外协加工物料的质量，保证不满足公司相关技术标准的产品不进入公司库房和生产线,确保生产使用产品都是合格品。IQC是公司整个供应链的前端，是构建公司质量体系的第一道防线和闸门。如果不能把关或是把关不严，让不合格物料进入库房和生产线，将把质量问题在后工序中成指数放大，如果把质量隐患带到市场，造成的损失更是无法估量，甚至会造成灾难性后果。 生产过剩Ø对于比较难以检验的物料在使用之前可以进行筛选保证使用的都是合格品。例如螺丝，大量的物料无法做到人工全检，可以利用自动化设备进行筛选。 Ø仿型定位工装，既可以对物料进行精确定位，如果变形较大的物料还可以做筛选。 过程质量控制 产品物料实时监控 Ø物料管理是支持整个物料流程循环从生产原料的购买和内部控制，过程中工作的规划与控制，直到完成产品仓储出货的整体管理功能。在MES中的物料管理主要指车间物料管理，包括在车间的原材料、在制品和成品的管理，以及车间的临时库房、线边库、成品区等临时物料堆放区域的管理。 Ø物料管理模块实现物料的标识（比如基于条码、RFID等）、物料的移动跟踪、物料的储存管理，为实现数据采集与追溯奠定基础。通过优化物料流程，有效管理在制品，减少在制品数量，并对物料的批次相关的信息进行追溯。 制程控制物料输送 生产跟踪 每一个装配工位配备智能一体机实现全流程电子作业指导！！ 工业云端布置MES系统模块 差速链体设计&&多型共线设计 柔性智能装配流水线－通过RFID与多功能载具实现柔性生产订单序列校验： 线首扫描时，比对订单序列，使实际上线与订单序列一致l过点信息采集：获取过点信息，采集实际加工时间，绑定加工人员与设备信息l生产队列维护：调整生产跟踪队列，使之与实际一致 防错和防呆 装配过程中上件防错和关键岗位物料匹配管理 装配工人操作上件步骤： Ø自动读取托盘RFID，读取出产品上件货架位置，Ø一体机显示货架位置和装配数量；Ø相应货架框中指示灯亮起Ø工人取料Ø取料完成后指示灯关闭Ø如果取错托盘无法自动流转。 人工装配工位差异化零件防错 风扇电机 对于自动装配且需要追溯的零件采用固定式扫描仪在线自动完成扫描防错，统计这类零件有：压缩机，风扇电机。需要注意的是根据现场情况，需要改变条码黏贴位置，实现自动在线扫描。 订单生产-返修管理 订单生产 工业云端布置MES系统模块 模块化-产线 1.硬铝基合金材质导轨使用特殊的工艺在下端开有排污孔，使落入线体内的杂物及时排出。 1.滚筒线端板采用U型口设计，在不影响使用的条件下，极大的加快了滚筒的更换速度。 2.采用含油尼龙PA6耐磨条，耐磨程度是普通耐磨条的10倍以上。同时起到节能降噪的作用。 2.滚筒间增加隔板设计，既使设备更加美观，又增加了工人的操作安全性。 3.整体采用304不锈钢材质，使用寿命是普通工程塑料的8倍以上。负载能力为普通材质的3倍以上。 3.滚筒采用304不锈钢整体车削而成，100%保证同心度。同时大大提高了耐用性和抗冲击能力。 模块化设计（电气） 1、各区域线体独立配备区域线体PLC控制柜，各控制柜分布式摆放在所控制线体处。 2、各模块化线体独立配备线体模块化接线盒，各接线盒嵌入所控制模块化线体下方。 3、单区域总览示意如下图： 模块化设计（电气） 4、模块化线体上各传感器、电磁阀、电机等电气元器件的电线电缆接入线体模块化接线盒，接线盒上分别安装信号和电源用重载连接器，断电可快速插拔。 5、重载连接器示意如下图： 6、信号重载连接器可以设置自动检测是否连接好的功能。如果新插入时重载连接器未连接到位，或在使用的过程中特殊原因导致重载连接器连接断开，该区域线体PLC将发出报警信号，并做出对应的响应。 异常处理 以外筒线为例： （1）在自动化工位旁边设计缓冲工位，当自动化专机出现故障时，人可以临时进入缓冲工位代替机器进行相关操作。 （2）当自动化专机操作失误时，通过出料口，产品下线维修后再上线。（3）外筒上线时，如果读码失败，则各自动化专机不对其进行任何操作，直接从出料口排出后重新上线读码，进行信息绑定。（4）信息处理系统建立异常处理事件库，对异常情况进行分级，系统对各类异常情况进行编码，异常产生时，识别异常等级，并根据异常等级提供相应的异常处理方案。 重点工位 外筒上线、安装电机模组、投放内筒、安装波轮、箱体涂油、安装吊杆等工位，为了保证重点工位能够正常工作，可以采取以下措施： （1）对重点工位专机实时监测，提供设备故障预警功能。 （2）对常见故障分析和分类，建立故障库，利用故障在线监测、专家诊断系统等技术来准确及时地获取重点工位专机的健康度，提供状态报告，并合理制定维修计划，最大限度减少停机维修的时间，并在故障发生之后能够迅速做出反应，低成本高质量地提高设备的可靠性、稳定性。 特点： 柔性：定位圈为多种，实现产品通用生产性，兼容产品5-10KG，减少托盘种类。 托盘精度：定位圈顶部采用斜坡导向，定位精度可达±1mm，假设外桶开口处，精度可控±3mm，来料精度可达±3mm，那么导向可做容差±8mm，可保证产品顺利放入，符合产品实际工艺性，并且对产品起到微整形作用。 设计思路： 2、托盘上定位块，通过内侧定位，实现产品在托盘上定位。线体精度：托盘有2个销套，供线体定位顶离时插入，保证托盘在线体的精准定位。 1、外桶倒置上线。3、托盘下面固定RFID。4、托盘下端与倍速链接触处固定耐磨条，前后左右端设有缓冲块，四周嵌有导向轮。 特点： 柔性：定位圈为多种，实现产品通用生产性，兼容产品5-10KG，减少托盘种类。 托盘精度：定位圈顶部采用斜坡导向，定位精度可达±1mm，假设外桶开口处，精度可控±3mm，来料精度可达±3mm，那么导向可做容差±8mm，可保证产品顺利放入，符合产品实际工艺性，并且对产品起到微整形作用。线体精度：托盘有2个销套，供线体定位顶离时插入，保证 托盘在线体的精准定位。 设计思路： 人机工程：通过凸台设计可使每种产品保证同一高度，方便人工操作。 4、托盘下端与倍速链接触处固定耐磨条，前后左右端设有缓冲块，四周嵌有导向轮。 外桶装配线托盘定位-2 设计思路： 1、外桶翻转后托盘定位。2、托盘上定位块，通过内侧定位，实现产品在托盘上定位。3、托盘下面固定RFID。4、托盘下端与倍速链接触处固定耐磨条，前后左右端设有缓冲块，四周嵌有导向轮。 特点： 柔性：翻转后采用气弹簧卡住吊杆处，实现产品通用生产性，兼容产品5-10KG。 质量：定位卡板有两处导向（纵向与横向），卡板坐在直线导轨上，气弹簧连接定位卡板，正常为四块导板为向内聚拢，当外桶放入时，通过定位卡板导向，向外撑开定位卡板，气弹簧给予向内挤压力固定住外桶，3个支撑块托起外桶，避免U型护罩受力。定位精度：托盘有2个销套，供线体定位顶离时插入，保证托盘在线体的精准定位。 外桶装配线线体顶升定位-1 设计思路： 1、顶升定位机构通过阻挡气缸阻停后，气缸顶起，定位销导入托盘定位孔内，实现托盘在线体上的定位。 特点： 降噪：下端顶离倍速链线体，减少噪音。节能：导向销定位托盘，定位精度高（1毫米以下），易于装配。质量：阻挡气缸通过调阻尼，增加止退机构，减少空载托盘回弹现象。信息：下方载有RFID读取器，在托盘移动及顶升过程中，完成读取信息，缩短工位节拍。 外桶装配线线体顶升定位-2 设计思路： 1、增加止回弹机构，放置托盘作用力回弹现象，机构采用气弹簧，无外接动力，降噪，缩短节拍。 外桶装配线线体顶升倾角 设计思路： 1、增加顶升倾角机构，使用在翻转外桶后的人工工位，符合人机工程，减少劳动强度。 2、整体机构通过气缸带动轴承连杆机构实现支撑架进行30°摆动工作。 外桶装配线自动化工位精定位(部分) 设计思路： 1、托盘移动到自动化工位，顶升定位托盘识别后，通过2个伺服3轴机械手，带动2个定位销，插入外桶的吊杆孔内实现自动化工位旁精定位，（注：只有需要精定位处，采用此机构）。 外桶装配线人机料架 设计思路： 1、人机料架采用气缸控制回箱，员工只需踩动脚踏开关即可，使用点高度符合人机工程学高度，员工只需从箱中取料。2、外桶盖由于较大，来料采用专属料架，高度通过倾斜调节杆调至方便取件位置即可。3、波轮料架采用简易定位方式，通过4根调节杆来控制波轮外形，进而定位。 设计思路： 1、通过夹具上伺服电机控制左右丝杆，抱紧外桶，实行柔性夹取。特点： 节能、防错：夹具上集成CCD、光电开关，降低来料的精度，主要识别并避开箱体吊杆的加强筋、检测是否存在物料，空料直接夹取下一位置物料。 质量：夹具与箱体接触块采用比箱体软的橡胶材质，控制抱夹压紧外桶发生的形变及划伤，夹取处为外桶底部，减少外桶变形。 外桶来料控制 设计目的： 1、采用简单、便捷、使用的方法对来料进行一个基本的判别，放置混料、错料导致生产不顺畅。 特点： 防错：根据不同型号的外桶桶高，设计光电开关的高度，物料的RFID识别后，上传，光电开关通过识别结果与其配比，进行通过或者报警。 节能、防错：通过此简单、使用的控制方法，可以控制来料是否存在混料（不同KG的外桶，高度不同）、错料的现象存在，保证生产的一致性。 电机选型例子 对洗衣机箱体在竖直方向进行受力分析，由受力平衡可得：Ff-G=0 又因为Ff=μF1，其中μ为橡胶与箱体接触时的摩擦系数，取μ=0.6则夹紧力F2=F1xK=GK/μ=50x1.3/0.6=108N ,其中K为安全系数,K取1.3。抱臂总重量G2=73.1x10=731N，直线导轨的摩擦因数取0.003本夹紧机构采用伺服电机通过同步带驱动滚珠丝杠。则丝杠的轴向力为Fa=F2+0.003xG2=108+0.003x731=110.2N则需要的电机扭矩T=FaPB/(2πη1η2)=110.2x5/(2x3.14x0.95x0.96)=0.096Nm重物折算到电机轴上的转动惯量JW = G2 ( PB / 2π)2=73.1x(5/6.28)2=45.9Kg•mm2=0.459kg•cm2按照负载惯量< 3倍电机转子惯量JM的原则 JM > 0.23kg•cm2选择西门子1FK7022-5AK71-1伺服电机