工业4.0产线教学系统 – 基于数字孪生的智能制造解决方案供应商

一、智能制造生产线介绍

工业4.0智能制造生产线实验平台主要应用于学生应用实践类教学。它将各分散的学习要素集中起来，组成一个能够让学生参与设计、构建和调试，让更多老师参与研发、设计和学习，让设备不断更新、技术不断前进的系统。所要研发的系统能够为学生提供了一种崭新的综合实验平台，使他们能够综合运用所学知识设计、构建各种较大规模的自动化生产系统模型。这种全新的实验模式十分经济地扩展了实验设备，对培养和提高大学生的创新精神和创新能力具有非常重要的价值。工业智能制造示范线以模块化大大的提高了其灵活性，更贴近现实生产实际过程，让学生在学校就能够了解实际生产实践的细节，填补了产学同步的空白。综合了现代实际生产中较流行、较先进的各种实用技术知识点，其中包括PLC编程技术，网络通讯技术，电气控制技术，气动应用技术，传感器技术，伺服驱动控制技术，机器人应用技术等。

采用了模块化的设计，学生可以发挥自己的创新思维，对原有的生产流程进行创新改造。在掌握基础知识的前提下，进一步提高学生的积极性、动手能力和创新思维。

二、智能制造生产线实训方案特点

智能制造生产线实验平台，是对工业现场大型设备进行提炼和浓缩的一款小型智能制造生产线实训设备，专门为职业院校、教育培训机构等而研制的，它适合机械制造及其自动化、机电一体化、电气工程及自动化、控制工程、测控技术、计算机控制、自动化控制等相关专业的教学和培训。融合了数控机床加工、光、电、气，包含了PLC、机器人、传感器、气动、工业控制网络、电机驱动与控制、计算机等诸多技术领域，对柔性制造技术的工作过程进行研究，监控系统、主控PLC和下位PLC通过网络通讯技术构成一个完整的多级计算机控制系统，通过训练，使学生了解智能制造生产线的基本组成和基本原理，让学生全面掌握机电一体化技术的应用开发和集成技术，帮助学生从系统整体角度去认识。为信息学院自动化和电气工程自动化本科及其控制科学与工程研究生均提供了实验和科研的平台。

多种案例：

三、设计参考图

根据学校的要求，我公司设计一款贴合教学需求的生产线，效果图如下：

四、系统组成简介

1、立体仓库单元

立体仓库单元的主要功能是为系统提供加工工件原材料和储存成品件两大仓储功能，采用三层货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。

本模块放置加工的原材料，原料成品料混合料位不少于40；1200PLC主控系统；货架；高精度托盘；堆垛机；自带接驳装置等。

立体货架:货位尺寸：长宽不大于450mm；立柱采用模具拉伸成型结构件，可根据安装孔位任意调整每层高度；可拆卸组装。接驳装置：负载能力大于等于10kg，可拆卸组装。

2、环型流水线单元

环型流水线单元主要由铝合金型材基体、环行传输线、自动导向机构、变频调速系统、自动定位机构等组成。可完成对工件在不同速度下的输送，不同工位的自动定位，从而大大提高了自动环形传输线的工作效率。

为保证产品加工的连续性，在加工区机床与机器人中间，部署环形输送线，方便将立体库中送来的物料连同托盘进行循环移动，这样即能使后续产品不间断的输送，保证加工效率。

参数及特点如下：

技术参数：

转弯半径：150mm；外形尺寸：3500*1500mm；工作温度：-20℃～+60℃；输送速度：30m/min；链节距：38mm；抗拉强度：4000N。

特点：

（1）洁净：整线由白色高强度工程塑料链板与表面经阳极氧化的铝合金异型材组装而成。链板为纯白色，设备运行无需润滑，无须定期保养，不会被腐蚀，符合GMP规范。

（2）安静：设备运行声音＜30Db。

（3）灵巧：由可任意拆装的组件装配成具有弹性的传送系统，配合不同半径的垂直和水平弯道，可以在任意的3D空间内输送产品，并可随时随地按照你的生产现状进行调整。可以完成水平、爬坡、垂直、转弯、螺旋、夹持、悬挂、翻转、旋转等输送形式。

（4）简便：整线安装无需任何特殊工具，只需常用手工工具，即可由单人完成基本拆装工作。

（5）稳定：稳定的性能可保证被送的产品在输送的过程中不发生翻倒和滑落。
3、立式数控铣床加工单元

立式数控铣床加工单元采用小型化，占地小，用于整个工件三轴联动。可用于雕刻、数控钻、数控铣等加工工艺，采用自动门、自动装夹等，现实机加工件无人化DNC自动加工，工业级数控系统，精度高。

本加工单元，配有加工中心，用于加工与刻画图形。加工中心带有数据通信接口，可接入MES，将机床当前工作状态、主轴转速、三轴位置等参数信息传输至MES系统。

同时本加工中心，可支持进行不同产品的加工，实现产品的柔性化、定制化生产。

4、六自由度机器人单元

上下料机器人采用一台六轴机器人，并配有接口通信模块，即可实现与PLC的集成通信，又可接入软件系统，实现机器人相关参数的数据采集。臂展2.55米，有效负载40公斤; IRC5 单柜控制器;重复精度：0.06mm;防护等级：IP67；配接口通信卡、机器人底座；接口卡，支持工业机器人参数采集。

六自由度工业机器人、抓取机构、气爪等组成，主要完成对工件的提取及搬运到各数控加工单元、AGV小车搬运单元及工件视觉检测单元等。包含旋转（S轴），下臂（L轴）、上臂（U轴）、手腕旋转（R轴）、手腕摆动（B轴）和手腕回转（T轴）,6个关节合成实现末端的6自由度动作。

6、三轴运动气爪

主要负责立体仓库的原材料入库与出库、成品零件的入库。够实现自动控制的、可重复编程的、三纬运动空间直角关系。能够搬运物体，以完成各种作业，具有高速性的最大化吞吐量,超长的工作运行时间,节省地面空间。

7、AGV小车搬运单元

本输送模块包含AGV小车及配套调度系统，完成加工区立体库、加工中心之间的物料输送。

AGV小车无人搬运车由机器人输送加工后的零件、从库房特定库架领取零件，AGV智能小车并依据方位计划运动途径，运行至装卸站,准停，主动将零件放置到装卸站缓冲区，由四轴坐标机器人卸货至立体仓库成品区或原材料区。实现线边设备和自动仓储的自动上下料功能，采用激光通讯传感器通讯，信号传输快捷方便；行走模组采用PLC控制，AGV的PLC通讯，PLC发送任务码给机器人，实现点位控制；主控通讯，AGV整体与主控PLC通讯。

8、PLC工作站单元

采用工业自动化西门子1200PLC，可随意扩展，配备触摸屏、具备通讯接口，钣金结构，连接牢固。

9、总控台

总控平台主要由单相电网电压指示、电源控制部分、控制主机、状态指示灯、10寸工业彩色触摸屏S7-1500主机，电脑等组成，主要完成监视各分站的工作状态并协调各站运行，完成工业控制网络的集成。它带有电源总控制系统、视频监控系统，产线处的有数据均可从总控制台收集获取，可通过总控调度分配各个模块的工作职能。电源系统实施强弱电分开管理，待机休息及检修时要求强电关闭，控制、信号灯弱点部分完全独立运行。

10、零部件周转拖盘

用于原材料及成品件的输送周转用，配合立体仓库、环型流水线中应用。实现送料，取料，输送周转功能；实现智能化工作与管理。

11、基于数字孪生的可视化监控系统

通过数字孪生系统对整个自动化生产过程中操作、主要设备工作运行状态、生产质量数据、物料情况以及生产线上质量问题进行跟踪和记录；将生产信息以数字化、图形化的方式实时、准确地反馈给各级生产管理人员，以管理看板的方式将生产信息反应给中央控制室，保证生产活动的运行状态处于监控之内。

建立全产线数字化模型（虚拟产线），包括生产线、设备、物料等的数字孪生可视化展示；支持以三维布局的方式展示车间内的设备实时状态、工况、故障、OEE等相关信息；本项目数字孪生系统采用WEB方式实现，完成设备三维模型通过浏览器实时接收现场设备信号，数字孪生系统模型运动根据现场设备信号与设备同步运行；全产线数字化模型（虚拟产线）根据设备信号与现场设备实时互动实现数字孪生；数字孪生系统通过组态方式无需编程能够模型导入、定义设备运动学属性、实现包括自动化生产线、立体仓库、AGV小车、数控钻铣床加工中心、六轴机器人五部分的工艺规划、模型与设备信号绑定、全产线数字化模型虚拟仿真、全产线数字化模型虚拟调试；数字孪生系统具备通过计算机网络浏览器实现对设备进行远程诊断功能；数字孪生系统通过WEB方式实现PC端、移动设备端、手机端数字孪生系统展示；本项目数字孪生系统可以方便的嵌入学校其他信息管理系统中，与学校已有的信息系统无缝连接；本项目数字孪生系统可以方便的嵌入第三方信息管理系统中，与第三方WEB方式信息系统无缝连接。
1. 目视化监控：真实再现产线生产场景、运营状态，了解设备生产细节，实时对生产、设备运行状态进行监控。与生产现场控制系统集成，将生产数据在孪生系统中同步展示。包括质量数据、数据分析图表、监控中心看板等。
1. 智能生产线设备运行参数监控：点击孪生系统中某具体设备模型时，模型高亮反馈点中，并弹出该设备的运行参数信息。
1. 智能生产线具体设备图表分析：在孪生系统中点击具体模型时，模型高亮反馈点中，弹出的设备运行参数监控扉页，展示设备数据的图表分析，包括OEE分析，产量分析，停机分析，报警分析等，为管理者提供设备的管理决策依据。
1. 智能生产线电子看板：表现形式悬停的GUI界面，用以展示当前生产任务及状态，计划产量和实际产量等信息。

五、整套系统功能

既能完成认知型和综合型实验实训，又能完成开发设计型实验实训，还能实现学生现场动手操作；对样件具有全程演示及生产能力；系统应具有全自动控制功能，能充分展示现代工业中进行数字化管理生产的各个环节；系统具有单机独立控制、独立运行功能；系统应具有启停控制、动态作业计划调度、库存资源动态显示、系统故障诊断与处理、工件位置动态显示等等功能。

该系统除能服务于工程训练实践教学环节外，还应能覆盖相关课程，并能进行相关的实践性教学环节，具体如下：

（1）可服务的相关课程

机器人技术基础与操作、机械制造基础、机械工程测试技术、机电传动控制、液压与气压传动、机器人技术与应用、机电一体化系统设计、数控技术、机电系统仿真、CAD/CAM、PLC原理及应用、数字化制造技术、机电设备故障诊断、制造技术、多轴数控加工技术、虚拟与仿真技术等，和其它相关课程。

（2）教学演示类项目

柔性化加工系统演示、控制演示、机电控管一体化技术演示、自动传输系统演示、AGV搬运演示、机器人编程使用、产品自动仓储系统演示等等。

（3）综合训练类、设计类等项目

机械制造技术项目综合训练、机床检测综合实验、数字化技术项目综合训练、多轴数控技术项目综合训练、机电控制综合实验、机电一体化系统综合设计、机电一体化系统综合设计、工件传输线应用设计、工件装配项目应用设计、立体仓库应用设计、气压系统应用设计、系统供电方案应用设计、计算机辅助工艺规程设计、数据库应用及开发、总控系统的应用与开发、传感器应用与选择、PLC应用编程设计、PLC网格通讯应用、伺服驱动应用、人机界面编程设计、生产实习、毕业实习、毕业设计等等。

六、各组成单元主要技术参数

序号	名称	数量	规格型号/技术指标
1	立体仓库单元	1套	库位40；包含管理及显示系统；1200PLC主控系统；货架；高精度托盘；堆垛机；接驳装置等。
2	环型流水线单元	1套	转弯半径：150mm；外形尺寸：3500*1500mm；工作温度：-20℃～+60℃；输送速度：30m/min；链节距：38mm；抗拉强度：4000N。
3	车削工业级数控系统	1套	立式数控铣床加工单元采用小型化，占地小，用于整个工件三轴联动。可用于雕刻、数控钻、数控铣等加工工艺，采用自动门、自动装夹等，现实机加工件无人化DNC自动加工，工业级数控系统，精度高。本加工单元，配有加工中心，用于加工与刻画图形。加工中心带有数据通信接口，可接入MES，将机床当前工作状态、主轴转速、三轴位置等参数信息传输至MES系统。同时本加工中心，可支持进行不同产品的加工，实现产品的柔性化、定制化生产。快速移动速度：最高60m/min 快速倍率：F0、25%、50%、100% 共四级实时修调进给倍率：0 ～ 150% 共十六级实时修调插补方式：直线插补、圆弧插补( 支持三点圆弧插补)、螺纹插补、刚性攻丝
4	六自由度机器人单元	1套	上下料机器人采用一台六轴机器人，并配有接口通信模块，即可实现与PLC的集成通信，又可接入软件系统，实现机器人相关参数的数据采集。臂展2.55米，有效负载40公斤; IRC5 单柜控制器;重复精度：0.06mm;防护等级：IP67；配接口通信卡、机器人底座；接口卡，支持工业机器人参数采集。
5	机器人底座	1套	机器人底座 1.材质：铸铁加工 2.安装方式：固定托盘支架 3.作用：固定机器人，确保机器人运行稳定、无晃动现象
6	末端夹爪	1套	自动更换 1.宽型夹爪气缸径：≥25mm 2.行程：≥50mm
7	三轴运动气爪	1套	西门子1200PLC控制，主要负责立体仓库的原材料入库与出库、成品零件的入库。够实现自动控制的、可重复编程的、三纬运动空间直角关系。能够搬运物体，以完成各种作业，具有高速性的最大化吞吐量,超长的工作运行时间,节省地面空间。
8	AGV小车搬运单元	1套	AGV小车无人搬运车由机器人输送加工后的零件、从库房特定库架领取零件，AGV智能小车并依据方位计划运动途径，运行至装卸站,准停，主动将零件放置到装卸站缓冲区，由四轴坐标机器人卸货至立体仓库成品区或原材料区。实现线边设备和自动仓储的自动上下料功能，采用激光通讯传感器通讯，信号传输快捷方便；行走模组采用PLC控制，AGV的PLC通讯，PLC发送任务码给机器人，实现点位控制；主控通讯，AGV整体与主控PLC通讯。
9	PLC工作站单元控制系统	1套	14 DI 24V直流输入，10 晶体管输出24 V 直流，2点集成模拟量输入，0至10V，2点脉冲输出(PTO)，频率高达100kHz，脉冲宽度调制输出(PWM)，频率高达100kHz，集成以太网接口（TCP/IP native、ISO-on-TCP），6个快速计数器（3个最大频率为100 kHz；3个最大频率为30kHz），带有可参数化的使能和复位输入，可以同时用作带有2点单独输入的加减计数器，或用于连接增量型编码器。
10	总控台	1套	总控平台主要由单相电网电压指示、电源控制部分、控制主机、状态指示灯、10寸工业彩色触摸屏S7-1500主机，联想台式电脑等组成，主要完成监视各分站的工作状态并协调各站运行，完成工业控制网络的集成。它带有电源总控制系统、视频监控系统，产线处的有数据均可从总控制台收集获取，可通过总控调度分配各个模块的工作职能。电源系统实施强弱电分开管理，待机休息及检修时要求强电关闭，控制、信号灯弱点部分完全独立运行。
11	零部件周转托盘	30套	零部件周转托盘功能：放置原材料在上面，然后零部件周转托盘在流水线上移动，移动到相关工位时，机械手定位取零部件周转托盘上的原材料技术参数 1.尺寸长宽：200200mm 2.材质：POM
12	智能监控系统	1套	1.像素：100W 2.焦距：4mm 3.存储编码：H.264 4.供电电压：24V 5.传输方式：支持以太网主流传输方式 6.采用国内一线品牌
13	挂壁式监控显示	1套	50寸监控显示
14	运行终端	1套	1.CPU：≥八核，主频≥10代I5 2.硬盘：≥1TB+256G 3.内存：≥16G 4.显卡：≥1060ti 5.WIFI：有 6.显示器：≥21.5英寸
14	安全防护钢化围栏	1套	隔离护栏: 1、护栏高度 1400㎜，长度 1200㎜；2、护栏的组成：立柱，下横杆槽钢，上横杆钢板连接片，∩型杆，方钢；3、加工前各单体平整,清除铁刺锈迹等；4、面板材料：12mm钢化透明玻璃。
15	门禁	1套	配置一套电子锁，控制器，指纹、密码、刷卡三合一读卡器
16	刀具及附件	1套	静音空压机一台；以下刀具各配3套： 6 件套硬质合金铣刀（2mm\4mm\6mm\8mm\10mm\12mm 共 6把），数控铣床用
17	加工耗材 (基于做图章工件)	1套	1.白色POM棒φ4060（20根） 2.红色POMφ4060（20根） 3.蓝色POM棒φ4060（20根） 4.黑色POM棒φ4060（20根） 5.铝棒φ40*60（20根）