任务1.1 认识智能生产线
1.任务引入
智能生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序连接起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称智能线。智能生产线是由电动机，电磁阀，气动、液压等各种执行装置驱动，再经过传感器、仪器、仪表等检测装置进行进程、状态的判别，通过PLC等工控处理器的逻辑运算处理后产生输出，如图1-1所示。
图1-1 智能生产线
2.任务目标
1）知识目标
了解智能生产线的概念和应用。
2）技能目标
掌握传感器的分类和原理。
3）素养目标
3.任务分析
从智能生产线的概念可知，智能生产线应能够自动地完成预定的各道工序及其工艺过程，使产品成为合格的制品，工件装卸、定位夹紧、工件输送、工件分拣、工件包装等都按照一定的顺序自动地进行。
1）智能生产线的应用
采用智能生产线进行生产的产品应有足够大的产量，产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。在大批、大量生产中采用智能生产线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。
智能生产线在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制，其目标是“稳，准，快”。自动化技术广泛应用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用智能生产线不仅可以把人从繁重的体力劳动，部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，还可以极大地提高劳动生产率。
2）智能生产线的发展概况
智能生产线涉及的技术领域很广，因此它的发展和完善与各种相关技术的进步是紧密相连的。人们要了解智能生产线的发展，就必须了解与之相关的技术的发展，这些技术的不断更新推动了智能生产线的进步。
4.相关知识
1）传感检测技术在智能生产线中的应用
传感器是能感受被测量并按照一定的规律将被测量转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、信号转换电路和信号调理电路组成。在生产线的自动化过程中，传感器起着重要的作用，它向控制器提供系统的实时信号。
传感器的敏感元件是用来直接感受被测量，并输出与被测量具有某一关系的物理量的元件，传感器的转换元件则把敏感元件的输出信号转换为电信号，如电流、电压。
常用的传感器分类方法主要有如下几种。
（1）按被测量性质分类，可分为位移、力、速度、温度等传感器。
（2）按工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式、霍尔式、光电式、热电偶式等传感器。
（3）按输出信号的性质分类，可分为数字量（包括开关量输出）传感器和模拟量传感器。
在各类传感器中，有一种对接近它的物件有“感知”能力的传感器，即接近传感器。接近传感器是代替限位开关等接触式检测元件，以不接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称，其可将检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。接近传感器的种类很多，常用的有电感式接近传感器、电容式接近传感器、霍尔式接近传感器和光电式接近传感器等，通常不同的接近传感器能识别的物体材质是不同的。
（1）电感式接近传感器。
电感式接近传感器（图1-2）利用金属导体靠近磁场时产生的电涡流效应来工作，因此电感式接近传感器所检测的物体必须是金属导体。电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中时，在金属内部会产生交变的电涡流，该电涡流又会反作用于产生它的磁场。如果这个交变的磁场是由一个电感线圈产生的，则这个电感线圈中的电流就会发生变化，用于平衡电涡流产生的磁场。
电感式接近传感器利用这一原理，以高频振荡器（LC振荡器）中的电感线圈作为检测元件，当被测金属物体接近电感线圈时产生电涡流效应，引起高频振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路（包括检波、放大、整形、输出等电路）将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。
（2）电容式接近传感器。
电容式接近传感器（图1-3）是一种将被测物理量或机械量转换成电容量变化的转换装置，它实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式接近传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分、介质特性等方面的测量，最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。电容式接近传感器的测量头是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量中通常接地或与设备相连。当物体移向电容式接近传感器时，它使电容器的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使与测量头相连的电路状态也发生变化，由此控制开关的接通或断开。
图1-2 电感式接近传感器
（3）霍尔式接近传感器。
霍尔式接近传感器（图1-4）是利用霍尔效应工作的一种磁性接近传感器，具有无触点、功耗低、寿命长、响应频率高等特点，属于磁电转换元件，只能用于磁性物质的检测，可用于压力、位置、位移、速度等的测量。
图1-3 电容式接近传感器
图1-4 霍尔式接近传感器
（4）光电式接近传感器。
光电式接近传感器（图1-5）是利用光电效应工作的传感器，可以检测物体的有无和表面状态的变化，因此可用于任何材质物体的检测。对于材料相同、颜色不同的物体来说，光电式接近传感器对它们的敏感程度是不一样的。例如，漫射型光电式接近传感器对红色物体比对表面吸收光的黑色物体敏感得多。
图1-5 光电式接近传感器
光电式接近传感器主要由光发射器和光接收器构成。如果光发射器发射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达光接收器的光量将发生变化。光接收器的敏感元件将检测出这种变化，并将其转换为电气信号输出。
在智能生产线中，在选用传感器时应当综合考虑各项指标的内在要求。首先检测要求应在传感器的应用范围内，然后综合考虑传感器的一些参数，包括传感器的检测距离、工作电压、负载电流、负载形式（直流、交流、电阻）、输出类型等。负载和传感器的输出类型要匹配，如NPN型输出的传感器，PLC的输入端应为漏型接法，否则很容易损坏传感器。其他的辅助参数，如工作频率、环境温度等，在选用传感器时也应综合考虑。
2）气动技术在智能生产线中的应用
气动技术是以压缩空气作为动力源，进行能量传递或信号传递的工程技术。它是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。气动技术在工业生产中应用非常广泛，一般智能生产线上都安装有许多气动元件，可归为气源及其处理装置、控制元件、气动执行元件等。气源及其处理装置用于向设备提供气源，控制元件用于控制气动执行元件的动作，气动执行元件用于完成机械动作。
（1）气动执行元件。
气动执行元件是将气体能转换成机械能以实现往复运动或回转运动的执行元件，在智能生产线中有着广泛应用，是实现机械运动的执行机构，有气缸、气动发动机等。通过气动执行元件的型号和铭牌参数可以查到其空间尺寸、动力特性、控制特性、安装方式和配件信息等相关设计要素。因此，在使用时，应考虑整体设备的机械结构、控制信号特性、功能特性等各方面内容。
在实际设计或学习中使用气缸时，可参考如下步骤进行选择。
①根据操作形式选定气缸类型。(https://www.daowen.com)
气缸操作方式有双动、单动弹簧压入及单动弹簧压出3种。在输出力和运动速度要求不高的场合（价格低、耗能少），可考虑用单动气缸，在其他的情况下一般采用双动气缸。在体积相同的情况下，采用单动气缸所获得的行程会偏小（内部有弹簧），因此更适合小行程。
因此，单动气缸多用于行程较短以及对活塞杆输出力和运动速度要求不高的场合。
②根据用途选定气缸类别。
基于气缸在动力特性或空间布局方面的应用特长，在选用气缸时，首先从空间要求、输出力要求和精度要求等方面确定基本类别。
一般在精度要求高时还可以采用滑台气缸（将滑台与气缸紧凑组合的一体化的气动组件），工件可安装在滑台上，通过气缸推动滑台运动。滑台气缸适用于精密组装和定位、传送工件等。既要求精度高又要求承接负载力大时，可以选用导杆气缸。
（2）方向控制阀。
能改变气体流向或通断的控制阀称为方向控制阀，方向控制阀有电磁控制、气压控制、机械控制等类型。气缸动作方向的改变是通过方向控制阀来实现的，如气缸的伸出和缩回。气缸活塞的运动是依靠气缸一端进气，并从另一端排气，再反过来，从另一端进气，一端排气来实现的。气体流动方向的改变由方向控制阀控制。
①方向控制的通口与位置。
方向控制阀与系统相连的通口包括供气口、进气口和排气口。方向控制阀按通口的数目可分为三通阀、四通阀、五通阀等。例如，控制一个单动气缸，只需要实现进（排）气口气流方向的改变即可，因此可以用三通阀实现。
方向控制阀的切换状态称为位置，有几个切换状态就称为几位阀。方向控制阀的静止位置（即未加控制信号时的状态）称为零位。方向控制阀根据工作位置数目的不同可分为一位阀、两位阀、三位阀等。
②方向控制阀的选用。
一般选用方向控制阀时，要考虑使用现场的条件，包括提供的气源压力大小、电源（直流、交流及其大小）和环境条件等，了解常用方向控制阀的性能及其使用范围，然后根据所配套的不同气动执行元件选择不同功能系列的方向控制阀，尽量选用标准化产品，设计大型控制系统时，要尽可能使用集成阀和信号的总线控制形式。在价格方面，在保证系统先进、可靠、使用方便的前提下，力求价格合理，不能不顾质量而追求低成本。
目前，在我国广泛应用的方向控制阀为板式安装方式，它的优点是便于装拆和维修，ISO标准也采用了板式安装方式，并发展了集装板式安装方式。因此，推荐优先采用板式安装方式的方向控制阀。但由于元件质量和可靠性不断提高，管式安装方式的方向控制阀占用空间小，也可以集成安装，故也得到了应用。因此，应根据实际情况选用方向控制阀。
（3）单向节流阀。
气缸的运行速度主要取决于气缸输入压缩空气流量（一般为50～500 mm/s），气缸进、排气口大小及导管内径的大小。为保障气缸的运行均匀和平稳，气缸的运行速度常应用单向节流阀进行控制。其通常安装在气缸和方向控制阀之间，即气缸的快速接头连接处。
单向节流阀的连接方式有两种：一种是排气节流型，一种是进气节流型。两种连接方式的主要区别在于内部单向阀的方向不同，两种连接方式控制气缸运行速度的特性和效果也是不同的。
排气节流型即在气缸排气时单向阀截止，气流通过节流阀流出，通过阀上的限流螺母控制气流排出的大小，达到调速目的。这种连接方式对排出气流有所限制，不会造成活塞杆急速伸出或缩回，因此这种连接方式一般比较保险，广泛应用在气路设计中。
3）网络通信技术
随着工厂自动化技术的飞速发展，将工业控制计算机、PLC、变频器、人机界面、机器人等不同设备连接在一个网络上，使其相互之间进行数据通信，再集中管理，已经是企业实现自动化、数字化、网络化必须考虑的问题。
工业数据通信系统可将不同地址位置的计算机、PLC、变频器、人机界面以及其他数字设备连接起来，高效地进行信息交换和通信处理任务。在PLC控制系统中，根据通信对象的不同，PLC通信可分为PLC与外部设备、PLC与PLC之间、PLC与PLC及外部设备之间的通信等基本类型。
4）智能制造生产线集成技术
（1）智能制造生产线的概念和基本构成。
①智能制造的概念。
智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是基于新一代信息通信技术与先进制造技术的深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行和自适应等功能的新型生产方式。
②智能制造生产线的概念。
智能制造生产线不等同于智能生产线，它在智能生产线的基础上融入信息通信技术、人工智能技术，具备自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能，从而具备了制造柔性化、智能化和高度集成化的特点。
③智能制造生产线的基本构成。
智能制造生产线基于先进控制技术、工业机器人技术、视觉检测技术、传感技术以及射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术等，集成了多功能控制系统和顶尖检索设备，可以实现产品多样化定制和批量生产。在智能制造生产线上，工人、加工件与机器可以进行智能通信和协同作业，同一条生产线能够同时生产各种不同的产品。智能制造生产线主要由智能产品（装备）、智能生产和智能服务3个系统组成。
（2）智能产品（装备）。
智能产品（装备）是指用在智能制造生产线上的自动化设备，是发展智能制造的基础与前提。智能产品（装备）具有监测、控制、优化和自主4个方面的功能。智能产品（装备）主要有以下几种。
①自动化传送设备。它是指在智能制造生产线上按照生产任务要求，自动完成物料从原位置移动、搬运、传送到指定位置的自动化设备，主要包括托盘式、悬挂式、传输带式传送设备以及自动导引车（Automated Guided Vehicle，AGV）等。其中，自动导引车是自动化程度比较高的传送设备，是指装备具有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的搬运车。它以可充电的蓄电池作为动力来源，可通过计算机控制其行进路线和行为，或利用贴于地面的电磁轨道来设计其行进路线，使其通过电磁轨道的信息进行移动和动作。
②工业机器人。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种自动执行工作的机器。工业机器人按功能划分，主要有焊接机器人、搬运机器人、装配机器人、打磨机器人、码垛机器人和机械加工机器人等。
③产品条码读写设备。射频识别是一种通信技术，它可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，无须在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的设备。
④CNC（Computer Numerical Control）自动化加工设备。CNC自动化加工设备，一般是指数控机床，其是装有程序控制系统的自动化机床。数控机床根据功能的不同，可分为数控加工中心、数控车床和数控冲床等。
⑤各种传感器及自动开关。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律转换为电信号或其他所需的信息输出形式，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
⑥SCADA模块。SCADA即数据采集与监视控制（Supervisory Control And Data Acquisition）的简称。SCADA系统是以计算机为基础的自动化监控系统。数据采集卡、数据采集仪表、数据采集模块均是数据采集工具。其中，数据采集模块由传感器和控制器等组成，它将通信、存储芯片集成到一块电路板上，具有近程或远程收发信息、数据传输等功能。
⑦自动化立体仓库。自动化立体仓库为自动化的原材料及加工成品的存取仓库，是物流仓储中出现的新概念，主要由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、尺寸检测条码阅读系统、通信系统、自动控制系统、计算机监控系统、计算机管理系统以及其他辅助设备组成。它具有仓库高层合理化、存取自动化、操作简便化等特点。
（3）智能生产。
智能生产是指智能制造信息化系统，它以智能工厂为载体，通过在工厂和企业内部、企业之间以及产品的全生命周期形成以数据互连互通为特征的制造网络，最终实现生产过程的实时管理和优化。智能制造信息化系统主要包括企业经营管理系统、制造执行系统（MES）和自动化系统。
（4）智能服务。
智能服务的载体是通信技术，其基于互联网、物联网平台，通过采集设备运行数据、车间环境数据、仓储物流数据、工人数据等信息并将信息上传至企业数据中心（企业云），来实现系统软件对设备的实时在线监测、控制，并能够通过数据分析提前进行设备维护。
5）智能制造生产线的典型应用
（1）海尔集团的“黑灯车间”空调外机智能装配生产线。
海尔集团作为家电制造业的领导企业，率先探索出了一条智能制造的发展新路。海尔集团的佛山工厂彻底实现了“黑灯车间”。空调外机智能装配生产线采用MES全程订单执行管理系统，装配了200多个射频识别装置，4300多个传感器和60个设备控制器，全面实现了设备与设备互连、设备与物料互连、设备与人互连，是真正意义上的智能制造生产线，从冲片、串片、胀管到装配完全实现了无人化作业，显著提高了产品精度和生产效率，大大提高了产品质量。
空调外机前装部分由5套机器人协同装配，结合射频识别身份证实现产品—机器人、机器人—机器人之间的智能自交互、自换行和柔性生产。其装配了自动智能联机测试系统，能自动识别产品，自交互调研设备参数程序测试，实现自判定，不合格不放行；还能结合物联网技术自动关联测试数据，并存储可追溯信息，该技术实现了制冷制热性能零误判。海尔集团的用户可以通过个性化定制平台，根据个人喜好自由选择产品的机身材质、用料、喷涂颜色、图案等，这些个性化定制订单可以通过该智能装配生产线进行柔性批量生产。用户可以通过个性化定制平台掌握产品生产过程。
（2）华晨宝马公司的焊装智能生产线。
华晨宝马公司的焊装智能生产线上拥有150多台机器人，整条生产线融合了物联网、大数据技术的应用，实现了柔性生产，通过电子标签识别系统可以追踪和分析车辆的每个零部件和每台机器的每一次作业。基于这种物联网架构，生产效率得以提高；先进设备辅以大数据监测和分析，使生产线的品质管理更加高效，产品更接近“零缺陷”。
5.任务评价
任务评价见表1-1。
表1-1 任务评价
