智能工厂系统设计与控制培训教材

二、主要难点
难点一
难点二
难点三
• 工件定位
• 如何保证产 品同一表面 喷砂均匀
• 如何保证产 品上下表面 喷砂均匀
喷砂处理
三、解决方法
➢ 工件定位难：因为在，喷砂过程中喷料高速喷射到物体表面，冲击力相当大。 为了保证工件定位可靠，我们将最初的夹紧定位优化为真空吸附定位，同时 增强产品与夹具接触面之间的密封性。
智能工厂系统设计与控 制培训教材
课前秀一
课前秀二
课前秀三
课前秀四
课前秀五
概述
本条产线围绕工业4.0与中国制造2025先进理念展开，以亚控操作系统为核 心，加以各类先进数控机床、机器人、视觉系统和移动终端构成整个产线的信息 物理系统。
此次产线所加工的对象是不锈钢，最终产品是各类启瓶器、吊坠等小型工艺 品。之所以选择这类产品为生产对象，主要是因为它的多样性，包括外形的多样 性、图案文字的多样性以及两者组合的多样性。正是这种多样性的存在，提高了 整个系统的设计难度，但是另一方面它满足了柔性化生产、以及个性化的定制， 这就使整个产线更加贴合工业4.0于中国制造2025的先进生产制造理念。
问题二：边缘毛刺严重 解决方案：针对这一问题，经过大量试切后，我们发现产生毛刺的最主 要的原因是氮气气压的大小。如果气压过小，熔融的金属将无法被迅速 吹走，残留在工件外轮廓上并形成毛刺。因此经过对吹气气压进行优化 调节之后，所切割产品已基本无毛刺。
问题三：激光的高热量导致夹具变形 解决方案：由于在激光切割过程中会瞬间产生大量热量，夹具中的废料 回收装置由于受热不均匀发生严重变形。针对这一现象，我们将直接被 激光照射的废料回收装置的底板由原来的钣金换成了厚度更厚的板材， 从而解决受热变形这一问题。
喷砂处理是整个工艺流程中最后一道加工工序，它采用压缩空气为动力，以 形成高速喷射束将喷料高速喷射到需要处理的工件表面，使工件的外表面的外表 或形状发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一 定的清洁度和均匀的粗糙度。同时喷砂还能对机加工件毛刺进行清理，表面美化 喷砂能清理工件表面的微小毛刺，并使工件表面更加平整，消除了毛刺的危害， 提高了工件的档次。并且喷砂能在工件表面交界处打出很小的圆角，使工件显得 更加美观、更加精密。
针对这一问题，我们专门设计了一台专用小 型抛光机，用于去除残留的毛刺，而且取得良好 效果。
砂纸抛光盘
雕刻加工
一、概述：
雕刻加工方式目前主要有激光雕刻加工和机械雕刻加工。两者的区别主要由 以下几点：
激光雕刻
机械雕刻
难以
更
更易
非接 触加
产
在金 属表
加 适
பைடு நூலகம்
于在
接
金属
触
工物
生
面做
合
表面
加
件，
废
到有
雕
作出
工
智能制造生产线
机器人上料
激光切割
个性化雕刻
双端面磨削
清洗烘干
表面喷砂
视觉检测
打包入库
提纲
一、生产系统工业4.0框架 二、激光切割加工 三、雕刻加工 四、毛刺打磨处理 五、双端面磨削加工 六、CCD视觉检测 七、表面喷砂处理 八、打包装盒
产线信息物理系统（CPS）
多媒体教 学系统
激光切割时利用经聚焦的高功率密 度激光束照射工件，使被照射材料迅速 融化、汽化、烧蚀或者达到熔点，同时 借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物 质，从而实现将工件割开。激光加工原 理示意图如右所示。
激光切割又可以分为激光汽化切割 、激光熔化切割、激光氧气切割和激光 划片与控制断裂切割四种形式。
这里我们选用激光熔化切割，切割 过程中通过与激光束同轴的喷嘴中高速 喷出非氧化气体——氮气，使得液态金 属排出，形成切口。这种切割方式相对 其它几种耗能更低，更加适合不锈钢板 的切割。
此处总共有两次检测，首先对产品外形进行检测，然后再进行产品表面图 案检测，两次检测中间还有一次喷砂处理。视觉系统除了检测作用外，还能标 定产品位置，为SCARA机器人提供准确的抓取位置信息。
外形检测
+
产品中心 位置标定
合格
不 合 格
剔除
喷砂处理
图案、文 字检测
合格
不 合 格
剔除
打包装盒
喷砂处理
一、喷砂工艺简介
APP设置 生产线设置 监控系统设置
设置
摄像头选择
①①②②③③④④⑤⑤
实时画面
实时监控画面
实时监控设置
生产信息查 询
工作站参数 查询
实时数据查询
产品类型 尺寸范围
形 状 图案文字 数 量
预览
产品样式选择
产线远程管理与自动生产系统
远程操控订单 远程读取设备信息 远程监视现场画面
从原材料到成品出 货实现无人自动化
精度 更高
气
深度 的雕
刻 照
有深
物
度的
件
刻
片
雕刻
刀
具 寿 命 相 对 更
无 废 气 产 生
长
雕刻加工
经过对比我们发现激光雕刻与机械雕刻各有优势，激光雕刻采用非接触式加 工，无需固定工件、雕刻精度更高。但是机械雕刻更适合金属表面有深度的雕刻 ，而且我们前面已经配备一台激光切割机，为了使产线机种多样性，更加有利于 教学，我们选择了机械式数控精雕机。
激光切割加工
切割参数优化前的产品
切割参数优化后的产品
边缘毛刺打磨处理
前面我们已经说过，经过对激光切割机参数 优化之后我们已经能够获得基本无毛刺的产品， 为什么还要在这里加入毛刺打磨这一步？
在切割过程中我们不断对激光功率、氮气吹 气气压以及激光头与料板的距离参数进行优化调 整，以上三个因素都是我们可以精确控制的，但 是还有一个因素是不可控的，也就是料板的平面 度。因为我们采用的原材料是已经成型的不锈钢 板材，它所能保证的只有板材的厚度，这就造成 在切割过程中激光头与板材之间的距离不定，从 而导致偶有毛刺的产生。
针对这一情况，我们主要对定位夹具做了改进，使用专用的夹具胶皮，使工 件与夹具贴合更为紧密，具体措施将在夹具介绍中说明。
问题二：加工速度慢 雕刻速度过慢主要是因为最初设计的图案、文字既有线条又有区域，而区
域雕刻速度过慢，不满足节拍要求，因而后期对图案文字进行了重新设计，雕 刻速度也大大提高。
问题三：刀具易磨损 刀具磨损主要与切削参数有关，为了避免刀具过快磨损我们对切削参数进行
本处所采用的检测方式为CCD光学视觉检测，它主要包括光源、镜头、控 制系统三部分。视觉检测是指通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号， 传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化 信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结 果来控制现场的设备动作。
以太网
生产管理 系统
双端 面磨 床
激光 切割 机
清洗 风干 机
数控 精雕 机
喷砂 机
码垛 打包 机
人机界面
以太网
I/O等
系统工 控机
Wifi
以太网
CAN I/O
移动 终端 设备
输送机
多关机机器人 CCD视觉系
统 直角机器人
SCARA机器人
产线人性化APP操作系统
APP
系统工控 机
以太网 I/O
生产线
双端面磨床能够达到很高的加工精度， 对于加工零件上下面平行度、尺寸精确度、 表面粗糙度均要求高的工件，这是首选的加 工方式。它与普通平面磨床最大的不同之处 ：不是靠磁性来固定工件，而是工件的上下 平面一起平行磨削加工。也就是说，不管加 工件是铜还是其它不产生磁性的材料都可加 工。而且进给均匀、速度快、效率高。与研 磨机床相比，在达到同样精度的基础上加工 效率是研磨机床的10倍。
水流切割
火焰切割
激光切割加工
激光切割
二、我们为何选择激光切割
等离子切割
激光切割相对于以上冷切割方式具有加工精度高、加工噪声小、技术理念 更为先进等优势。火焰切割和等离子弧切割虽然切割速度快，但是切割过程中 噪声、粉尘污染严重，工作环境差，这些都不符合学校教学要求。此外所选用 的激光切割配套有完善数控系统，更有利于学生掌握先进数字化技术。
智 能 生 产 线
激光切割加工
切割作业是本产线的第一道加工工序，将会直接影响后续一系列搬运动作以 及加工质量。因此选择一种合适的切割方式显得尤为重要。
一、切割加工的种类
切割加工按照加工形式大致可以分为两类，即冷切割与热切割。其中冷切割 包括剪切、锯切割、水射流切割等，热切割包括气体火焰切割、等离子弧切割、 和激光切割等。
了优化，比如适当提高主轴转速、减小进给速度。
双端面磨削加工
产品经过外形切割、图案文字雕刻两道工序之后，已经基本成型，但是表 面难免会有划痕，为了使表面更加美观，我们采用双端面磨削对其上下表面进 行同时磨削。
一、双端面磨削简介
双端面磨削是一种高效率的平面加工方 式，它在一次行程中能加工出两个具有相当 高的精度及表面光洁度的平行端面。
柔性化定制产品 手指轻轻一点 坐等个性化出炉
产线个性化定制系统
我要 吊坠
输 送 机
多 关 节 机 器 人
直 角 机 器 人
C C D 视 觉 系 统
S C A R A 机 器 人
系统工 控机
我要启 瓶器
双端
数控
码垛
面磨
精雕
打包
床
机
机
激光 切割 机
喷砂 机
清洗 风干 机
产线数字化生产系统
（（110011，，220011）） （（110021，，220021）） （103，203）
镜头
光源
控制系统
CCD视觉检测系统
视觉检测具有以下优势： 1、非接触测量 对于观测者与被观测者都不会产生任何损伤，从而提高系统的 可靠性。 2、具有较宽的光谱响应范围 例如使用人眼看不见的红外测量，扩展了人眼的 视觉范围。 3、长时间稳定工作 人类难以长时间对同一对象进行观察，而机器视觉则可以 长时间地作测量、分析和识别任务。
三相异步电机
伺服电机
清洗烘干
工件在经过磨削加工之后表面必将残留有磨削液、铁屑等脏污，为了保证下 一道工序顺利进行，我们对工件进行清洗烘干处理。
清洗过程中采用清水喷淋处理，将工件表面磨削液洗净，然后采用热风将工 件上下表面同时吹干处理。整个清洗、烘干作业过程无需人工干预，自动完成。
入口
出口
CCD视觉检测系统
产线的整个生产流程均在系统的监控与指导下完成，从上料开始到激光切割 、数控精雕、双端面磨削、清洗烘干、再到视觉检测以及最后的喷砂处理，每一 步都自动完成。
下面我们将对整个产线的信息物理系统，加工工艺流程进行介绍，包括加工 方式的选择、工艺路线的选定、工艺参数的调整优化和设备调试过程中所遇到的 难点以及相应的解决办法。
三、激光切割
激光切割是材料加工中一种先进的和应用较为广泛的切割工艺。它是利用 高能密度的激光束作为“切割刀具”对材料进行切割加工的方法。采用激光加 工可以实现对各种金属、非金属板材、复合材料以及碳化钨、碳化钛等硬质材 料的加工，在国防建设、航空航天、工程机械等领域获得广泛应用。
激光切割加工
3.1 激光切割加工原理简介
双端面磨削加工
在实施的过程中主要有以下两个难点： 1、送料盘的设计：因为产品的外形、大小均不固定，我们不可能为每个产品单 独设置一个放置孔位，因此需要设计一种复合式的送料盘，允许一个孔位能够放 置多种产品。 2、如何将产品放入预定的孔位：为了能够将产品顺利放入对应孔位，达到磨削 效果，我们将磨床主轴原来的三相异步电机换成伺服电机，实现精确转位。
➢ 如何保证产品同一表面喷砂均匀：由于喷料呈束状喷出，一次喷砂面积有限， 喷头在喷砂过程中自身不能摆动。如果工件也静止不动，就会造成同一表面 上喷砂不均匀，使得表面粗糙度不一致。为此我们将固定式夹具改进为旋转 式夹具，保证了同一表面喷砂均匀。
➢ 如何保证产品上下表面喷砂均匀：同一产品上下表面喷砂不均匀，这是由于 在对一个表面进行喷砂处理时，部分喷料喷射到夹具上反弹，对工件另一面 也进行了喷砂，而这类反弹有事不规则的，这就造成了工件上下表面喷砂不 均匀。为了保证产品上下表面喷砂均匀，我们将产品原先与夹具的部分密封 接触改进为全部密封接触，成功解决这一问题。
二、雕刻过程中的主要问题点
加工
工件 定位
速度 慢
刀具
不可
易磨
靠
损
主要
问题
点
雕刻加工
三、解决方案
问题一：工件定位不可靠 在设备调试过程中我们经常遇到的问题就是工件定位不可靠，造成雕刻图案
跑偏，甚至工件掉落。这主要是因为机械雕刻加工过程中刀具高速旋转，与工件 之间有切削力而且方向不定。此外雕刻过程中不断有切削液喷淋至工件，由于工 件与夹具贴合面之间存在缝隙，从而破坏真空，影响了工件的定位。
激光切割原理图
激光切割加工
四、加工过程中所遇到的问题
问题一 无法切透钢板
问题二 边缘毛刺严重
如何解决 ？
问题三
激光高热量导致夹 具变形
激光切割加工
问题一：无法切透钢板 解决方案:影响激光切割深度最直接的因素就是激光的功率，因此针对这 一问题，首先适当加大激光切割机功率，并调节吹气气压，最终顺利将 钢板完全切透。