2. 钢板柔性化切割下料线规划

2.1. 总体规划

(1) 产能规划：A 产品：500架/月，B 产品：250台/月

(2) 人员规划：生产人员规划：98人，维保人员规划：4人

切割自动化率：自动切割151张/天，自动化率≥90% 2.2.钢板产量规划：56张(或切割时间达到7560min)

3. 钢板智能柔性化切割下料线的组成与功能

钢板智能柔性化切割下料线实现钢板的自动入库、上料、喷码、切割、废渣 转运、零件的分拣码垛及AGV转运调度等。该下料线具备平衡各工序的能力，包  括智能行车系统土料能力、切割系统切割能力、分拣系统分拣能力、AGV 系统物  流能力的功能；能够自动收集生产加工和设备数据进行分析汇总，通过电子看板  实时监控显示，实现与MOM/DNC/ERP/MES/CAM等系统的互联互通或预留通信接口， 实现平台智能化对接。

该下料线主要由机械系统、电气控制系统、分拣码垛系统、中控系统等组成。 机械系统主要实现生产线的执行动作，完成钢板的上料、喷码、切割、分拣、码垛等功能，是生产线的基础。

电气控制系统架构于机械系统之上，用于控制机械系统完成钢板切割下料等 功能动作，实现各个功能动作的逻辑、顺序控制，完成各功能动作的控制。

分拣码垛系统为独立的控制系统，包括子中控系统、分拣码垛计算策略系统、 视觉系统、机器人控制系统、子电气控制系统等；子中控系统从中控系统接收切 割钢板任务号信息、模台转运状态信息等，启用视觉系统完成钢板零件的标定及 识别，启用分拣码垛计算策略系统完成钢板零件的抓取逻辑、顺序的计算，启用  机器人控制系统及子电气控制系统完成钢板零件的抓取及放置。

中控系统为车间作业层的核心，通过综合分析生产任务、工艺参数、设备资 源、物料资源、人力资源等信息，制定合理、可行的最优生产方案；向上承接 MOM/IMES/DIP系统下发的各类生产任务和工艺参数；向下指挥各作业子系统如 智能行车子系统、切割机子系统等进行生产作业；提供多维度、多层次的生产数  据分析和展现，包括物流数据(齐套信息、库存信息)、生产数据(生产进度、 节拍分析)、产线运行数据(单元作业情况、设备运行情况)、异常数据(安灯  报警、设备报警、生产异常)等。

3.1. 机械系统

机械系统由入库平移车、上料区、喷码区、切割区、下料区、小件分拣区、小件码垛区、大件分拣区、大件码垛区、回流区等几 大部分功能区域组成。

上料区的主要功能是用于承接入库车转运过来的钢板，实现钢板的侧面和端 面对齐，通过智能行车将钢板摆放至入库区或从入库区转运至前接驳车的托盘上 为下道次喷码提供钢板；上料区由钢板入库平移车、入库区、钢板侧推装置、智 能行车、前接驳车、托盘检修线体等组成；

喷码区的主要功能是承接前接驳车转运过来的钢板接收中控传递过来的 DIP套料图生成喷码图，自动进行钢板寻边，完成待切割钢板的喷码；喷码区由 喷码机、托盘输送线体等组成；

切割区的主要功能是承接喷码区转运过来的钢板，接收中控系统传递过来的 DIP套料图并进行解析，生成切割文件，自动进行钢板寻边，完成钢板的切割； 自动收集切割过程中产生的废渣及烟尘并将废渣转运至切割区外；切割区由切割 机、切割顶升机、排渣板链、切割输送线体、排渣转运装置等组成；

下料区的主要功能是承接切割完成后的钢板进行缓存，通过后接驳车将钢板 转运至零件分拣码垛区。下料区由托盘输送线体、后接驳车等组成；

小件分拣区主要功能是承接下料区转运过来的钢板零件，通过机器人分拣装 置将零件分拣至皮带输送装置上并进行砂光。小件分拣区由举升平移装置、机器 人分拣装置、皮带输送装置、砂光机等组成；

小件码垛区主要功能是承接砂光完成后皮带输送装置转运过来的钢板零件， 机器人码垛装置配合视觉装置的检测将皮带上的零件码垛至料框内，待AGV 装置 的转运。小件码垛区由皮带输送装置、机器人码垛装置、视觉装置等组成；

大件分拣区主要功能是承接下料区转运过来的钢板零件，通过桁架机器人装 置或者人工采用KBK 半龙门吊将零件分拣至滚筒输送线上进行砂光及校平。大件 分拣区由桁架分拣机器人装置、滚筒输送线、KBK半龙门吊、砂光机等组成；

大件码垛区主要功能是承接校平砂光后经滚筒输送线转运过来的钢板零件， 通过桁架机器人装置将零件起吊至转运转运链或者料框内；大件码垛区由滚筒输 送线、桁架码垛机器人装置、转运链等组成。

回流区主要功能是将去除边框后的空托盘通过后顶升装置、双层输送线体 前顶升装置、单层输送线体输送至上料区的前接驳车上，承接智能行车的转料 回流区由单层输送线体、前顶升装置、双层输送线体、后顶升装置等组成。

3.2. 电气控制系统

智能柔性化切割下料线电气控制系统满足生产设备控制、物流控制、质量控  制、数据管理控制、信息控制以及MOM、MES、DIP、LES、WMS系统通讯接口。

电气系统由西门子S7-1500系列PLC、远 程I/0 站、触摸屏组成，实现生产 线中的逻辑控制、顺序控制、位置控制以及工艺操作和工艺联锁控制，故障检测 分类报警等。

电气系统采用一级PLC(基础自动化)控制，采用网络通讯技术和开放式现 场总线方式实现生产线的动作、生产工艺控制，使该生产线达到较高的电气控制 和自动化水平。

3.2.1. PLC网路系统

PLC 网络系统采用西门子网络构成，采用Prorfinet开放式现场总线控制。 PLC 网络系统有以下几种类型：

(1) 主PLC与HMI的通讯

主PLC与HMI通过以太网通讯模块构成通讯网络，实现生产数据的实时监控。

(2) 主PLC与协PLC的通讯

主PLC与 协PLC通过Prorfinet构成通讯网络，实现机组之间的数据交换。

(3) 主PLC与远程分布式I/0模块的通讯

远程分布I/0 通过Prorfinet 网连接到主PLC,读取现场信号和输出控制指 令。

(4) 主PLC与RFID系统的通讯

主PLC与RFID系统通过Prorfinet    构成通讯网络，写入及读取RFID状态信息。

3.2.2. PLC系统组成

Ø 电源模板

Ø CPU模板

Ø 数字量输入模板：用于开关量的输入，工作电压DC24V

Ø 数字量输出模板：用于开关量的输出，选用继电器型输出

Ø 模拟量输入模板：用于位移传感器模拟量的输入

Ø 通讯处理器模块：用于将CPU连接到Prorfinet网和工业以太网

Ø 远程分布式I/0: 用于远程I/0模块站与Prorfinet网络的连接

Ø 远程I/0模块站：用于操作台点、液压阀站、MCC柜等电气设备的就近控制

3.2.3. HMI操作屏

Ø 物流信息画面：反映当前或输送托盘任务号、输送路径等信息；

Ø 参数调整画面：包括输送电机、线体输送速度以及线体输送方向等参数的 修改、调整以及工艺菜单的调用；

Ø 工作状态显示画面：包括各电机速度、电流及各检测开关的位置状态等；

Ø 故障报警画面：设备出现故障，显示故障位置。

3.2.4. RFID系统

基于RFID标志识别技术的托盘识别系统实现钢板输送过程中的记录和识别，实现对钢板切割生产全过程的完整追溯记录，完成车间、工厂的数字化监控和管理。

RFID技术是一种无线射频识别技术，具有高效、快速、可靠、非视距读取、 多目标识别和可工作于恶劣环境等优点，因此被广泛应用在各场景。 一般 RFID  系统由阅读器、电子标签以及后台服务器组成，采用电感藕合或电磁反响散射耦  合原理来实现电子标签和读写器之间的通信。

无线射频识别技术(RFID) 具有高效、快速、可靠、非视距读取、多目标识 别和可工作于恶劣环境等优点，将RFID 技术应用于钢板托盘，对钢板进行精确 标识和识别，能够有效地提高车间信息化管理水平和生产效率，改善传统车间手 动统计、管理混乱、丢件缺件等缺陷，提高车间透明程度和信息化水平。

图1:RFID系统示意图

3.3. 分拣码垛系统

分拣码垛系统采用Al+3D视觉技术，构建下料线“大脑中枢”—数字化智能  分拣控制系统。该系统融合了生产订单和设备状态等数据，可对下料线进行柔性  调度和控制，具备产线动态调优、多工位选位、多机协同分拣、动态码盘等功能。

3.3.1. 分拣码垛系统组成及功能

分拣码垛系统由硬件系统、软件系统及控制系统等组成。

硬件系统包含服务器(工控机设备)、相机、显示外设及引导系统辅件系统 (端拾器、暗室、遮光棚、2D及 3D 相机支架);软件系统包含套料图识别软件 系统、智能分拣调度软件系统、分拣数据流管理系统。

分拣码垛系统功能如下：

(1) 小件分拣系统

本系统面向整板切割件中小形工件分拣场景，同时规划多台六轴机器人，依 托多臂智能协同控制软件，融合空间动态避障、抓取轨迹优化、工件实时跟踪等 核心算法模块，可在作业区域内同时完成对众多小形切割件的抓取，具有极高的 分拣效率。

(2) 大件分拣系统

本系统面向整板切割件中大形工件分拣场景，采用多臂桁架机器人，依托动 态避障算法，能够确保工件与机械臂不发生碰撞且能实现各单臂抓取并行工作， 具有很高的分拣效率。对于尺寸较大的工件，单个机械臂无法分拣时，还可运用  多臂协同抓取。

(3) 小件码垛系统↵

本系统面向皮带线上工件动态抓取场景，小形工件在经过砂光工序后，根据 同件同垛、同工艺同框逻辑进行分框码垛。该模块能够面向生产环境下上万种工  件的快速识别，并实时跟踪工件位置，引导机器人精准随动抓取。

(4) 大件码垛系统

本系统面向输送线上大型工件的码盘场景，大型工件在经历砂光、喷码、校平等工序后，在此处进行分筐码盘。该模块能够快速识别分布在十多米视野工作区域内不同尺寸数万众类型的大型工件。码盘策略上应用了智能调度规划算法，能够根据分拣区域工件分布情况以及当前料框码放空间情况进行实时任务调度和机械臂轨迹优化，最大化提高码盘效率。

3.3.2. 分拣码垛控制过程

图2:分拣码垛控制流程图

3.3.2.1. 小件分拣过程

(1) 接收钢板到位信号、钢板信息。上游系统将来料信息下发到调度系统(中控), 随后下发到对应的视觉控制系统。当托盘运动到分拣工位时，上游通过读取 RFID获取钢板编号，下发至调度系统(中控)。

(2) 识别、位姿估算与抓取规划。通过3D相机对钢板进行拍照，视觉控制系统 得出待抓取工件的编号、位姿信息。并计算点阵式电磁吸盘上需要开启的电 磁铁点阵，并将工件的抓取位姿发送给机械臂。

(3) 抓取。机器人和PLC 同步发送抓取状态信息，请求进入抓取区域进行抓取。

(4) 放置。机械臂进入抓取区域完成抓取，在放置等待位请求放置，并在满足放 置条件时给予放行。

(5) 分拣完成。托盘移至下一道分拣工位。

3.3.2.2. 小件码垛过程

(1) 编码器数据共享。编码器实时把传送带的位移同步到机械臂，准备随动抓取。

(2) 识别。零件通过光电传感器，进入暗室后视觉控制系统触发拍照，同时将信号发送给机械臂。视觉控制系统对零件进行识别，计算出待抓取工件的编号、 位置信息。并计算出点阵式电磁吸盘上需要开启的电磁铁编号。

(3) 抓取。根据工件编号，通过码垛策略选择最优抓取的机械臂，并将抓取、放 置坐标发送对应的机械臂。机械臂维护抓取队列，待零件输送至对应的机械 臂抓取范围时完成随动抓取。

(4) 放置。根据放置坐标完成零件的码放，同时对零件完成报工。

3.3.2.3. 大件分拣过程

(1) 钢板定位。在钢板被运送到大件桁架机器人分拣处时，根据2D相机照片计 算出钢板在托盘上的位置完成对大件钢板的定位。

(2) 套料图分析。视觉系统对切割下料的套料图进行分析，计算出对应大件抓取 位置。

(3) 抓取规划。视觉系统根据零件形状，确定抓取方式(单臂抓或双臂协同抓以

及对应点阵磁铁的编号)。

(4) 抓取码放。桁架机械手根据计算出的抓取坐标完成零件抓取与放置。

(5) 移位。移位基于当前工位和上游来料状态判断，当上游来料而混拣工位尚未完成时，保存当前分拣状态，移位后继续执行步骤1-4。

3.3.2.4. 大件码垛过程

(1) 拍照。在钢板被运送到大件桁架机器人码垛处时，利用2D相机对滚筒输送 线分拣区域进行固定点位拍照；每个桁架多个拍照点位，确保多张照片拍照 视野覆盖整个分拣区域。

(2) 零件识别。对拍摄的多张图片图像拼接，根据上游的分拣放置工件数据结合 深度学习定位工件再逐一识别工件编号和位置信息。

(3) 抓取规划。视觉系统根据零件尺寸信息，确定抓取方式(单臂抓或双臂协同

抓以及对应点阵磁铁的编号)。

(4) 抓取码放。桁架机械手根据计算出的抓取坐标完成零件抓取与放置。

3.4. 中控系统

中控系统为企业整体信息化、智能化系统。中控系统作为车间作业层的核心， 向上承接MOM/IMES/DIP系统下发的各类生产任务和工艺参数；向下指挥各作业 子系统进行生产作业；负责整合生产设备、物流设备、仓储管理等所有资源(或 子 系统)。

中控系统根据上层系统(MES)下达的任务与计划，结合实际生产设备状态、 生产过程状态、生产负荷率等实时过程数据及产品生产工艺规程、产品缓存情况 进行生产；对各阶段的制造工艺进行多模块、防错等规程化控制与管理；同时对 生产过程中的设备数据、产品质量数据、操作数据进行全程跟踪与收集，以规程 化工艺为依据、以生产全过程质量管控为主线，对整个生产线进行全程跟踪监控 及产品质量的在线追溯；同时以系统化的图表、曲线、报告的形式对生产线的生 产过程、产品质量进行分析，为优化生产过程，降低生产成本，提高产品质量与 生产效率提供有力的数据依据。

图3:下料线中控系统控制图

3.4.1. 中控系统架构

中控系统包含FMS模块、WMS行车模块、分拣模块、喷码模块、配盘模块、 边缘侧模块、切割模块、输送线模块、外部系统模块等。

FMS模块具有订单管理、订单下发、自动报工、自动排产、人工排产、切割 补报工、生产报表、异常管理、图纸预解析、产线大屏、钢板管理、物流转运、 系统管理、监控管理、日志管理等功能。

WMS行车模块具有基础数据管理、人工入库、库位自动匹配、库存管理、库存盘点、非定尺管理等功能。

分拣模块具有套料预解析、自动寻边、视觉识别定位、任务记忆功能、分拣 规则、任务手动导入等功能。

喷码模块具有喷码尺寸管理、喷码工位管理、喷码结果校验、任务记忆、2D 寻边定位、激光除锈等功能。

配盘模块具有同工艺同框、自动配盘、引导人工配盘、料框人工管理、满框 检测、手持PDA等功能。

边缘侧模块具有PLC读取、PLC写入、PLC监听等功能。

切割模块具有任务手动导入、数据反馈、任务记忆等功能。 输送线模块具有流转控制、安灯报警、RFID等功能

边缘侧模块具有PLC读取、PLC写入、PLC监听等功能。

切割模块具有任务手动导入、数据反馈、任务记忆等功能。 输送线模块具有流转控制、安灯报警、RFID等功能。

3.4.2. FMS系统架构数据流

4. 工艺流程

钢板智能柔性化切割下料线实现钢板库存自动管理、钢板自动上料、自动切 割、废渣自动转运、零件自动分拣码垛、AGV转运调度等功能。

工艺流程：钢板入库→前接驳车→喷 码→切 割→小件分拣→大件分拣砂光校平→下料后接驳车→码垛。

5. 结束语

本文设计了一种应用于切割设备的柔性生产线，完成了从钢板上料、喷码、 切割至分拣码垛全工艺流程过程，实现上整个生产过程自动化、智能化及无人化； 提升了产品生产过程的柔性化、数字化及全生命周期追溯。该生产线已在实际生 产中得以成功应用并验证，对于切割烟尘的收集、切割熔渣的处理，特别是零件  视觉识别的可靠性、码垛逻辑的智能性及分拣码垛算法的快速实时性，均应在后  续同类产线实施过程中得以提升和优化。