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[摘 要]随着国内外城市轨道交通的迅猛发展，轨道车辆门系统的产量逐年增加。丝杆作为轨道车辆门系统的重要传动部件，因其多品种小批量、加工工序多、工艺复杂、精度要求高，一直是机械加工领域中的痛点。目前，国内企业对于轨道车辆门系统中丝杆的加工大多采用人工运料、装卸料、多工序周转，数控、普通机床结合加工的生产方式。工人劳动强度大、生产效率低，已不能适应大批量零件生产的需要及现代化生产方式的要求。让机械尽可能替代手工劳动，实现智能化生产，是企业绿色安全生产、降耗増效的主要途径，也是企业理想的生产组织模式。
[关键词]智能化及自动化;智能化生产线;方向研究
中图分类号：TP293 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）14-0072-02
0.引言
随着传统工业与互联网的快速融合，制造业产生了很大的变化，逐渐从原来大规模流水线生产向大规模定制化生产转型，新一代的消费者对自由和个性的追求使他们享有越来越多的特权，未来的生产模式是面向客户服务的定制化生产模式，标准化正在被定制化取代，我们迎来了一个新工业生产时代。在新的工业时代中，产品型号迭代日益更新，智能化设备需要满足多品种、小批量定制化、混线生产的要求，智能化生产线需要生产不同需求用户对功能模块的不同需求，从而对智能化产线的需求越来越急迫。国内外离散制造行业对智能化生产的研究越来越深入，技术也愈加成熟，从早期的无人加工中心已发展为目前的智能化生产线，但针对轨道车辆门系统丝杆智能化生产的研究还不够深入。轨道车辆门系统多品种、小批量的丝杆智能化生产是轨道车辆领域和机械加工领域内的一个新课题。
1.研究开发目标
（1）丝杆车间生产线无人化。将车间现有数控机床与自动上下料装置集成构建丝杆自动化加工单元，同时基于工业中常用的控制技术集成车间的物料输送线（工业机器人）、自动化加工单元、信息化系统，组建专业的丝杆智能化生产线。
（2）丝杆车间生产管理智能化。合理设计生产物流系统，基于自动化识别技术，实现物料仓储、输送、物流信息和废料废液的智能化管理。
2.主要研究开发内容
根据以上研究开发目标，本研究研究主要内容的整体框架如图1所示。
研究内容1.机械系统的研究
智能化生产线的机械系统主要由三部分构成：即负责自动上下料的装置、机床和负责物料运送的输送线（工业机器人）。根据丝杆加工的工艺流程，设计机械系统总体方案如图2所示。
（1）自动上下料装置的研制。自动上下料装置是智能化生产线机械系统的核心部分，主要实现物料的上料、装夹和下料的自动化。因本研究加工对象为丝杆，零件本身长径比较大，一般机械手难以完成自动上下料动作，又考虑到与运送物料的机器人自动化衔接，最终确定自动上下料装置。
（2）现有机床自动化加工的相关改造。为配合自动上下料装置的设计方案，实现丝杆加工的完全自动化，还需对车间设备的部分细节进行相关改造。
a：跟刀架需重新设计制作。在满足原有跟刀架精度和功能要求的基础上，将上部手工压紧装置改为自动液压压紧。自动压紧装置压紧力需适当，不得造成丝杆本身变形，丧失加工精度。此外，定位销需插入锁闭端内，并且需和锁闭端根部可靠卡住。
b：原卡盘改为液压或气动卡盘，中心位置与跟刀架、顶针中心保持一致，满足丝杆的精度要求。
（3）物料自动运送的实现。国内企业比较常见的物料运送方式是采用机械手或液压臂配合传送带实现生产线上的物料流动。根据康尼公司丝杆加工车间的现有布局和工艺要求，項目选择有一定市场占有率的品牌机器人配合机器人桁架的方式实现物料的自动化运送，保证了系统的技术先进性、可靠性、安全性、稳定性和可维护性、可扩展性。
研究内容2.控制系统的研究
智能化生产线是在流水生产线的基础上逐渐发展起来的。其主要特点是生产线既有非常高的自动化控制，还有传统流水线所没有的精密生产节奏和物流控制。它统一了自动控制系统和生产物流控制系统，综合了传感技术、驱动技术、机械技术、接口技术、计算机技术和网络通信等技术。
一条典型的智能化、自动化生产线，在结构上主要包括：本体（机械部分）、检测（传感器部分）、信息处理（PLC控制），中央处理器（输入I，输出O）接口部分和执行机构五个部分。但不管什么样的自动生产线，一定要能够满足和实现自动化的操纵控制、驱动以及检测等各种不同功能。能实现控制功能的智能化电子设备，通常要用到单片机、可编程逻辑控制器（PLC）等;系统的驱动任务则是由动力源（气泵或液压泵）来实现;检测功能通常是由磁性传感器、光纤传感器、位置传感器以及角位移传感器等检测装置来实现。
本研究对生产线拟采用电-气-液混合控制方案。所谓电-气-液混合控制是指逻辑控制回路采用电气控制系统，在逻辑控制回路的输出部分通过一个小规格的先导电磁阀将电信号转换成气动信号或者液压信号，推动主控气动或液压换向阀换向，从而控制执行元件。采用了如此组合的控制方式，系统的输出端实际上是气控气动或者液压系统。又因为电信号可以远距离传输，可以将逻辑控制回路部分远离工作现场，而将全气控的执行元件和主控阀放在环境恶劣的工作现场。这样即使是在易燃、易爆、强磁场、高湿度、强干扰、强震动等恶劣的工作条件下也能保证系统正常工作。它既保留了气控、液压系统抗干扰能力强的特点，又具有电控系统控制方便、程序灵活可变的优点，完全能够适应复杂的工作环境和控制要求。电-气-液控制系统采用触摸屏与PLC联合进行控制。PLC作为控制器，完成信号的采集和处理、伺服定位控制、自动上下料控制等功能;触摸屏作为人机交互装置，负责系统的参数设置、运行状态显示以及控制调试等;伺服电机及气缸作为动作执行元件，磁性开关、接近开关及位置传感器作为检测设备，完成整个控制系统设计。 研究内容3.生产物流系统的研究
生产物流系统是一个技术密集、复杂的自动化系统，集计算机、机械、电气等技术为一体，实现产品的传输、识别、分拣、仓储、检索等环节的全程自动化作业。
（1）生产车间布局分析与设计。生产车间布局分析与设计的主要工作是研究产品从原料到成品的加工全过程，以最合理、最有效的方式对生产环节中的各类物质、设备从空间上进行综合设计，合理布局和布置，使效率、管理、成本、安全等各项指标达到最佳状态，保证人力、物流和信息畅通无阻。
（2）生产物流系统的建模与仿真。为了加快生产的响应时间、协调各种信息资源等，需要对车间的生产物流进行有效、合理的控制。但生产物流系统投资大、风险高，要降低风险，挖掘系统的潜能，在设计规划阶段对其全面深入地研究，采用仿真技术作为决策依据是必要的。
生产物流系统是由事件的发生和消灭为特征，并由事件支持整个系统的活动，是典型的离散事件动态系统。针对这一类系统的建模方法有两大类：非形式化建模和形式化建模。非形式化建模技术是指采用图形符号或语言描述等较贴近人们思维习惯的方式对系统进行描述和分析，这种建模技术主要包括动循环图法、流程图法、面向对象法。形式化的建模是指采用大量的数学工具通过状态方程对系统进行描述和分析，主要的建模技术有排队网络、极大代数法和Petri网法。模型是真实系统的替代品，其中包含了反映所研究系统的特征和规律的相关信息。为了能在仿真过程中获得更接近真实系统的数据，本研究着重研究Petri网法和面向对象建模技术结合的混合建模技术。
（3）自动识别技术在物流信息系统中的应用研究。在生产管理过程中，不可避免地面临大量的、反复的数据输入或数据采集。自动识别技术的应用正好解决了这一问题。
自动识别（AutoIdentification）泛指用机器代替人工识别人或物的技术。自动识别技术诞生的几十年内得到了迅猛的发展，形成了一个包括条码、磁识别、光学字符识别、射频、生物识别及图像识别等集计算机、光、机电、通信技术为一体的高技术学科。物流信息系统中引入了自动识别技术，每件产品将采用条码或射频标签进行标识，按情况不同标识到单品或者种类、批次。通过自动识别技术可以对单品进行管理，其最直接的优势就在于可以监控每件产品在企业内整个生命周期的情况，实现产品质量追溯等功能。
现代的物流技术广泛采用的是条码技术和无线射频RFID（RadioFrequencyIdentification）技術。本研究综合考虑车间空间、成本、信息容量等因素，决定采用RFID技术。RFID的基本流程是：读写器将无线电载波信号经发射天线向外发射，标签进入天线工作区域时被激活，天线将信号传输给读写器，读写器对信号进行解调解码，随后将其送往控制系统中进行有关数据处理。
3.拟解决的关键问题
为最终实现丝杆加工车间的智能化生产，本研究从“机器换人”的思想出发，把生产加工过程中需要用到人的环节用机械手或工业机器人代替，再融合先进的自动识别技术和控制技术，实现产品在生产线上数据的实时采集、实时传输，方便产品物流管理。这其中主要涉及的关键问题包括：
（1）上下料智能化。本研究针对丝杆这种细长杆复杂螺纹零件，专门设计了自动上下料装置。该装置设计方案的几个关键点如下：
料架：为了防止机床等待，料架设有两个位置——毛胚取料位置和成品摆放位置，通过直线滑台方式实现自动切换。
炮塔式自动上料装置：快速、简单的送料。通过抓取机器人，自动将胚料送入炮塔式定位装置中，自动夹紧到位后，再送入机床的定位夹具，同时缓慢匀速地自动旋转。
自动定位夹紧装置：零件送料到位后，定位装置自动检测定位，同时炮塔式送料装置返回到进料口位置，等待抓取机器人喂料，避开主轴旋转区域。定位准确后，夹紧装置自动锁紧，输出夹紧完成信号，机床开始加工。
机械手自动下料装置：仍采用炮塔式结构方式实现自动取料。
（2）物料运送智能化。物料运送的传统物流模式主要靠人力，要实现智能化生产，就必须改变这种传统模式。
（3）生产管理智能化。实现生产线自动化之后，还需要实现生产批次管理和质量控制等生产管理智能化，实现整个生产过程的智能化调度。为此需要针对智能化生产布局中各设备的生产能力、工作状态、在制品数量及仓库材料成品和其他要素建立数据库系统进行实时监控，并在各加工单元、物料运送路径、仓储区域等加装自动识别系统，将在车间现场采集的数据准确、快速地传送到企业物流管理系统中去，帮助企业实现生产管理的智能化。
4.结语
综上所述，智能化生产线应用领域非常广阔，伴随着经济和科学技术的不断发展，未来利用现有设备改造实现多品种、小批量混线智能化柔性生产将应用到各种行业，为人类的进步做出不可预估的贡献！
参考文献
[1]陈小芬.轨道车辆门系统双头丝杆传动工作性能与加工工艺的仿真研究[D].南京理工大学，2013.
[2]刘极峰.陈旋.李超.城轨门弧焊机器人工作站技术经济分析[J].焊接焊接技术，2006，35（4）：57-59.
[3]林新忠.无人化齿轮生产系统建模与仿真[D].浙江工业大学，2014.
[4]金寿松.林新忠.徐泽侠.杨东坡.无人化齿轮厂生产布局的研究[J].浙江工业大学学报，2014，42（5）：544-548.
[关键词]智能化及自动化;智能化生产线;方向研究
中图分类号：TP293 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）14-0072-02
0.引言
随着传统工业与互联网的快速融合，制造业产生了很大的变化，逐渐从原来大规模流水线生产向大规模定制化生产转型，新一代的消费者对自由和个性的追求使他们享有越来越多的特权，未来的生产模式是面向客户服务的定制化生产模式，标准化正在被定制化取代，我们迎来了一个新工业生产时代。在新的工业时代中，产品型号迭代日益更新，智能化设备需要满足多品种、小批量定制化、混线生产的要求，智能化生产线需要生产不同需求用户对功能模块的不同需求，从而对智能化产线的需求越来越急迫。国内外离散制造行业对智能化生产的研究越来越深入，技术也愈加成熟，从早期的无人加工中心已发展为目前的智能化生产线，但针对轨道车辆门系统丝杆智能化生产的研究还不够深入。轨道车辆门系统多品种、小批量的丝杆智能化生产是轨道车辆领域和机械加工领域内的一个新课题。
1.研究开发目标
（1）丝杆车间生产线无人化。将车间现有数控机床与自动上下料装置集成构建丝杆自动化加工单元，同时基于工业中常用的控制技术集成车间的物料输送线（工业机器人）、自动化加工单元、信息化系统，组建专业的丝杆智能化生产线。
（2）丝杆车间生产管理智能化。合理设计生产物流系统，基于自动化识别技术，实现物料仓储、输送、物流信息和废料废液的智能化管理。
2.主要研究开发内容
根据以上研究开发目标，本研究研究主要内容的整体框架如图1所示。
研究内容1.机械系统的研究
智能化生产线的机械系统主要由三部分构成：即负责自动上下料的装置、机床和负责物料运送的输送线（工业机器人）。根据丝杆加工的工艺流程，设计机械系统总体方案如图2所示。
（1）自动上下料装置的研制。自动上下料装置是智能化生产线机械系统的核心部分，主要实现物料的上料、装夹和下料的自动化。因本研究加工对象为丝杆，零件本身长径比较大，一般机械手难以完成自动上下料动作，又考虑到与运送物料的机器人自动化衔接，最终确定自动上下料装置。
（2）现有机床自动化加工的相关改造。为配合自动上下料装置的设计方案，实现丝杆加工的完全自动化，还需对车间设备的部分细节进行相关改造。
a：跟刀架需重新设计制作。在满足原有跟刀架精度和功能要求的基础上，将上部手工压紧装置改为自动液压压紧。自动压紧装置压紧力需适当，不得造成丝杆本身变形，丧失加工精度。此外，定位销需插入锁闭端内，并且需和锁闭端根部可靠卡住。
b：原卡盘改为液压或气动卡盘，中心位置与跟刀架、顶针中心保持一致，满足丝杆的精度要求。
（3）物料自动运送的实现。国内企业比较常见的物料运送方式是采用机械手或液压臂配合传送带实现生产线上的物料流动。根据康尼公司丝杆加工车间的现有布局和工艺要求，項目选择有一定市场占有率的品牌机器人配合机器人桁架的方式实现物料的自动化运送，保证了系统的技术先进性、可靠性、安全性、稳定性和可维护性、可扩展性。
研究内容2.控制系统的研究
智能化生产线是在流水生产线的基础上逐渐发展起来的。其主要特点是生产线既有非常高的自动化控制，还有传统流水线所没有的精密生产节奏和物流控制。它统一了自动控制系统和生产物流控制系统，综合了传感技术、驱动技术、机械技术、接口技术、计算机技术和网络通信等技术。
一条典型的智能化、自动化生产线，在结构上主要包括：本体（机械部分）、检测（传感器部分）、信息处理（PLC控制），中央处理器（输入I，输出O）接口部分和执行机构五个部分。但不管什么样的自动生产线，一定要能够满足和实现自动化的操纵控制、驱动以及检测等各种不同功能。能实现控制功能的智能化电子设备，通常要用到单片机、可编程逻辑控制器（PLC）等;系统的驱动任务则是由动力源（气泵或液压泵）来实现;检测功能通常是由磁性传感器、光纤传感器、位置传感器以及角位移传感器等检测装置来实现。
本研究对生产线拟采用电-气-液混合控制方案。所谓电-气-液混合控制是指逻辑控制回路采用电气控制系统，在逻辑控制回路的输出部分通过一个小规格的先导电磁阀将电信号转换成气动信号或者液压信号，推动主控气动或液压换向阀换向，从而控制执行元件。采用了如此组合的控制方式，系统的输出端实际上是气控气动或者液压系统。又因为电信号可以远距离传输，可以将逻辑控制回路部分远离工作现场，而将全气控的执行元件和主控阀放在环境恶劣的工作现场。这样即使是在易燃、易爆、强磁场、高湿度、强干扰、强震动等恶劣的工作条件下也能保证系统正常工作。它既保留了气控、液压系统抗干扰能力强的特点，又具有电控系统控制方便、程序灵活可变的优点，完全能够适应复杂的工作环境和控制要求。电-气-液控制系统采用触摸屏与PLC联合进行控制。PLC作为控制器，完成信号的采集和处理、伺服定位控制、自动上下料控制等功能;触摸屏作为人机交互装置，负责系统的参数设置、运行状态显示以及控制调试等;伺服电机及气缸作为动作执行元件，磁性开关、接近开关及位置传感器作为检测设备，完成整个控制系统设计。 研究内容3.生产物流系统的研究
生产物流系统是一个技术密集、复杂的自动化系统，集计算机、机械、电气等技术为一体，实现产品的传输、识别、分拣、仓储、检索等环节的全程自动化作业。
（1）生产车间布局分析与设计。生产车间布局分析与设计的主要工作是研究产品从原料到成品的加工全过程，以最合理、最有效的方式对生产环节中的各类物质、设备从空间上进行综合设计，合理布局和布置，使效率、管理、成本、安全等各项指标达到最佳状态，保证人力、物流和信息畅通无阻。
（2）生产物流系统的建模与仿真。为了加快生产的响应时间、协调各种信息资源等，需要对车间的生产物流进行有效、合理的控制。但生产物流系统投资大、风险高，要降低风险，挖掘系统的潜能，在设计规划阶段对其全面深入地研究，采用仿真技术作为决策依据是必要的。
生产物流系统是由事件的发生和消灭为特征，并由事件支持整个系统的活动，是典型的离散事件动态系统。针对这一类系统的建模方法有两大类：非形式化建模和形式化建模。非形式化建模技术是指采用图形符号或语言描述等较贴近人们思维习惯的方式对系统进行描述和分析，这种建模技术主要包括动循环图法、流程图法、面向对象法。形式化的建模是指采用大量的数学工具通过状态方程对系统进行描述和分析，主要的建模技术有排队网络、极大代数法和Petri网法。模型是真实系统的替代品，其中包含了反映所研究系统的特征和规律的相关信息。为了能在仿真过程中获得更接近真实系统的数据，本研究着重研究Petri网法和面向对象建模技术结合的混合建模技术。
（3）自动识别技术在物流信息系统中的应用研究。在生产管理过程中，不可避免地面临大量的、反复的数据输入或数据采集。自动识别技术的应用正好解决了这一问题。
自动识别（AutoIdentification）泛指用机器代替人工识别人或物的技术。自动识别技术诞生的几十年内得到了迅猛的发展，形成了一个包括条码、磁识别、光学字符识别、射频、生物识别及图像识别等集计算机、光、机电、通信技术为一体的高技术学科。物流信息系统中引入了自动识别技术，每件产品将采用条码或射频标签进行标识，按情况不同标识到单品或者种类、批次。通过自动识别技术可以对单品进行管理，其最直接的优势就在于可以监控每件产品在企业内整个生命周期的情况，实现产品质量追溯等功能。
现代的物流技术广泛采用的是条码技术和无线射频RFID（RadioFrequencyIdentification）技術。本研究综合考虑车间空间、成本、信息容量等因素，决定采用RFID技术。RFID的基本流程是：读写器将无线电载波信号经发射天线向外发射，标签进入天线工作区域时被激活，天线将信号传输给读写器，读写器对信号进行解调解码，随后将其送往控制系统中进行有关数据处理。
3.拟解决的关键问题
为最终实现丝杆加工车间的智能化生产，本研究从“机器换人”的思想出发，把生产加工过程中需要用到人的环节用机械手或工业机器人代替，再融合先进的自动识别技术和控制技术，实现产品在生产线上数据的实时采集、实时传输，方便产品物流管理。这其中主要涉及的关键问题包括：
（1）上下料智能化。本研究针对丝杆这种细长杆复杂螺纹零件，专门设计了自动上下料装置。该装置设计方案的几个关键点如下：
料架：为了防止机床等待，料架设有两个位置——毛胚取料位置和成品摆放位置，通过直线滑台方式实现自动切换。
炮塔式自动上料装置：快速、简单的送料。通过抓取机器人，自动将胚料送入炮塔式定位装置中，自动夹紧到位后，再送入机床的定位夹具，同时缓慢匀速地自动旋转。
自动定位夹紧装置：零件送料到位后，定位装置自动检测定位，同时炮塔式送料装置返回到进料口位置，等待抓取机器人喂料，避开主轴旋转区域。定位准确后，夹紧装置自动锁紧，输出夹紧完成信号，机床开始加工。
机械手自动下料装置：仍采用炮塔式结构方式实现自动取料。
（2）物料运送智能化。物料运送的传统物流模式主要靠人力，要实现智能化生产，就必须改变这种传统模式。
（3）生产管理智能化。实现生产线自动化之后，还需要实现生产批次管理和质量控制等生产管理智能化，实现整个生产过程的智能化调度。为此需要针对智能化生产布局中各设备的生产能力、工作状态、在制品数量及仓库材料成品和其他要素建立数据库系统进行实时监控，并在各加工单元、物料运送路径、仓储区域等加装自动识别系统，将在车间现场采集的数据准确、快速地传送到企业物流管理系统中去，帮助企业实现生产管理的智能化。
4.结语
综上所述，智能化生产线应用领域非常广阔，伴随着经济和科学技术的不断发展，未来利用现有设备改造实现多品种、小批量混线智能化柔性生产将应用到各种行业，为人类的进步做出不可预估的贡献！
参考文献
[1]陈小芬.轨道车辆门系统双头丝杆传动工作性能与加工工艺的仿真研究[D].南京理工大学，2013.
[2]刘极峰.陈旋.李超.城轨门弧焊机器人工作站技术经济分析[J].焊接焊接技术，2006，35（4）：57-59.
[3]林新忠.无人化齿轮生产系统建模与仿真[D].浙江工业大学，2014.
[4]金寿松.林新忠.徐泽侠.杨东坡.无人化齿轮厂生产布局的研究[J].浙江工业大学学报，2014，42（5）：544-548.