1、山东职业院校技能大赛高职组制造单元智能化改造与集成技术赛项赛卷12019 年山东职业院校技能大赛高职组“制造单元智能化改造与集成技术”赛项竞赛试卷 1选手须知：1. 任务书共 31 页，如出现任务书缺页、字迹不清等问题，请及时向裁判示意， 并进行任务书的更换。2. 参赛队应在 5 小时内完成任务书规定内容。3. 竞赛工位提供 2 台计算机，参考资料存储在“D:参考资料”文件夹中。选手在竞赛过程中利用计算机创建的程序文件必须存储到“D:技能竞赛”文件夹中，未存储到指定位置的程序文件不作为竞赛成果予以评分。请及时对程序文件存储， 建议每 10-15 分钟 1 次，客观原因断电情况下，酌情补时不超过
2、 15 分钟。4. 任务书中只得填写竞赛相关信息，不得出现学校、姓名等与身份有关的信息或与竞赛过程无关的内容，否则成绩无效。5. 竞赛过程中严禁更改竞赛平台各单元内部电路、气路接线。由于参赛选手人为原因导致竞赛设备损坏，以致无法正常继续比赛，将取消参赛队竞赛资格。竞赛场次：第 场 赛位号： 制造单元改造需求及产品生产要求1. 背景介绍公司需要对现有轮毂零件的生产单元升级改造，以满足不同类型轮毂零件的共线生产。以智能制造技术为基础，在现有设备单元的基础上，结合工业机器人、视觉等设备，实现柔性化生产；选用工业以太网通讯方式完成设备端的控制和信息采集，增加 MES 系统完成对生产全流程的监控和优化，
3、实现智能化生产；利用互联网将产品制造过程数据和设备运行状态数据上传到云服务器中存储，在确保身份信息验证正确的前提下可通过移动终端实现对云服务器中数据的实时访问。请根据具体任务要求和硬件条件，完成智能制造单元改造的集成设计、安装部署、编程调试，并实现试生产验证。2. 生产对象生产对象为汽车行业的轮毂零件，是完成粗加工后的半成品铸造铝制零件。轮毂零件在其正面、背面分别布置有定位基准、电子标签区域、视觉检测区域、数控加工区域和打磨加工区域，如图 1 和图 2 所示。图 1 轮毂零件正面特征分布图 2 轮毂零件背面特征分布（1） 轮毂零件在应用平台各单元中通过外圆轮廓和定位基准实现准确定位， 正面背面
4、定位方式相同。（2） 电子标签区域 1 是产品系列编码，贴有二维码标签，二维码内容是产品系列数字编码（例如：0001 表示产品属于1系列；0002 表示产品属于2系列），可通过检测单元的智能视觉对其扫描进行识别。（3） 电子标签区域 2 是加工产品编码，贴有二维码标签，二维码内容是产品编号（例如：0001,0002,0004）， 可通过检测单元的智能视觉对其扫描进行识别。（4） 视觉检测区域，通过贴有不同颜色（红/绿）的贴纸代表产品的加工状态，可通过检测单元的智能视觉对颜色进行识别。具体的视觉检测功能描述如下： 视觉检测区域1用于识别异形件或标准件：检测识别结果为红色则是异形件， 输出结果为N
5、G，检测识别结果为绿色则是标准件，输出结果为OK； 视觉检测区域2用于识别零件是否存在瑕疵：检测识别结果为红色则存在瑕疵， 输出结果为NG，检测识别结果为绿色则不存在瑕疵，输出结果为OK； 视觉检测区域3用于识别标准加工或定制加工：检测识别结果为红色则是定制加工，输出结果为NG，检测识别结果为绿色则是标准加工，输出结果为OK； 视觉检测区域4用于识别精加工件或粗加工件：检测识别结果为红色则是精加工件， 输出结果为NG，检测识别结果为绿色则是粗加工件，输出结果为OK。（5） 数控加工区域为可替换的塑料圆片，利用加工单元在其上进行雕刻加工。具体加工内容由工序决定。注意：仅轮毂正面中间位置可进行数控
6、加工。（6） 打磨加工区域为轮毂表面指定区域，利用打磨工具对其进行打磨加工。3. 产品生产工艺流程目前公司需要对客户定制需求类的轮毂生产进行智能改造和响应。无需定制的加工工序为标准加工工序，需要定制的加工工序为定制加工工序；标准加工工序由表1轮毂零件特征值初始信息表指定，定制加工工序由WinCC指定，并最终通过硬件接线、程序编写、画面组态、数据通信等任务，在上位机管理系统中实现相应的标准加工工序或定制加工工序， 并能够实现轮毂零件生产的全过程自动化执行。请注意：仓储单元是上下两层，每层3个仓位，共计6个仓位；最初存储轮毂零件数量为4个，随机摆放在不同的仓位托盘上，每个轮毂零件的特征信息已知（如
7、下表 1：轮毂零件特征值初始信息表）；其中，轮毂序号无实际意义。请注意：请选手拿到赛卷后，首先检查轮毂数量、颜色贴纸数量、编号二维码贴纸数量，并按照如下特征值初始信息表，将相应的贴纸粘贴到轮毂零件的相应位置，并按裁判指定朝向随机放入任意仓位中。贴纸内容或数量有误需及时报告裁判进行更换。贴纸粘贴错误所引起的比赛结果与成绩评定由选手自己负责。表 1 轮毂零件特征值初始信息表赛卷编号轮毂序号初始放置仓位初始放置方向正面电子标签 1二维码初始值（产品系列编号）背面电子标签 2二维码初始值视觉检测区域1视觉检测区域2视觉检测区域3视觉检测区域4标准加工工序定制加工工序赛卷 11裁判随机放置于任意仓位中轮
8、毂朝向随机00010001红色绿色绿色绿色B1C5C7C2无200020002绿色绿色绿色红色C2C5B1无300020003红色红色绿色绿色C9B1C2无400010004绿色绿色红色绿色无由WinCC设定图 3 定制化生产产品工艺流程图任务一 制造单元改造方案设计1. 系统布局方案设计根据产品生产工艺流程，结合所提供的硬件单元尺寸和功能，合理设计各单元的布局分布，并在任务书最后附一（任选 1 份任务书）上绘制布局方案，各单元用框图表示并用文字标识，比例适当。2. 控制系统方案设计根据产品生产工艺流程，结合提供的硬件单元功能，合理设计控制系统结构， 并在任务书最后附二（任选 1 份任务书）上
9、绘制控制系统通讯拓扑结构。要求： 各功能单元的远程 IO 模块必须连接到总控单元的 PLC 上，通过连线体现出所有网络通信设备的连接情况及接口协议，并注明设备名称和其 IP 地址。3. 虚拟仿真三维环境搭建根据系统布局方案设计结果，在 PQArt 软件中，完成对应用平台所有单元的布置拼装。要求：布局方式与系统布局方案设计结果一致。工作站模型文件可通过工具栏“工作站”按钮打开使用，通过工具栏“另存为”按钮保存到指定文件夹中，请勿擅自更改文件后缀。软件操作过程中注意随时保存比赛成果。4. 生产工艺流程虚拟仿真根据轮毂零件定制化生产产品的生产工艺流程图，结合下面表 2 的初始特征及状态信息，在 PQ
10、Art 软件中，对工业机器人运动轨迹编程和各单元动作信号设置，完成应用平台的 2 个轮毂零件的生产流程，可通过仿真模拟全过程动作效果。动作过程中工业机器人不可出现不可达点、轴限位点和奇异点。仅针对虚拟仿真过程，轮毂零件初始状态如表 2 所示，以便确定流程内容。选手需根据轮毂实际状态决定放回仓储单元前是否需要自行增加翻转工序，最终要求轮毂零件正面朝下放回仓储单元。为保证流程的连贯性，遇到流程走不通的地方，要求自行增加翻转工序。（如仿真过程中遇到D1流程，按表2给定的颜色进行判定处理，无需进行复检）表 2 虚拟仿真过程轮毂初始状态轮毂放置仓位轮毂放置方向正面产品编号背面产品编号视觉检测区域 1视觉
11、检测区域 2视觉检测区域 3视觉检测区域 4标准/定制加工工序4正面向下00010002绿色/OK红色/OK红色/NG绿色/OKB2C52背面向下00020004红色/NG绿色/OK红色/NG绿色/OKB2C6C8任务二硬件搭建及电气接线1. 单元布局搭建及固定根据系统布局方案设计，调整各单元的相对位置，完成应用平台的硬件拼装固定。要求：（1） 根据布局设计完成各单元位置调整。要求：各单元地脚支撑升起，各单元间通过连接板固连。（2） 对各单元的底柜门板做调整。要求：应用平台底柜内部连通、无门板遮挡，外侧四周全部安装门板，多余门板放置在U 型支架内。2. 电气、通讯接线根据系统布局方案设计和控制
12、系统方案设计，完成各单元的电源、气源、通讯线路连接和布线，完成电脑与监控终端（电视）的高清视频线缆连接，完成工业机器人示教器的线缆连接。要求：（1） 电源线缆由单元底柜的底板快接插头安装后通过底柜的下部线槽铺设； 气源、通讯线缆由设备端安装后通过底柜的上部线槽铺设。（2） 单元间电源线缆未放入线槽部分，不能出现折弯，整齐摆放在底柜底板上。（3） 应用平台总电源线路完成连接后用赛位内提供的临时线槽覆盖。（4） 气源线缆在台面部分必须进入线槽，未进入线槽部分利用固定扣和扎带固定在台面或立柱上，要求裁剪长度合适，不能出现折弯、缠绕和变形，不允许出现漏气。（5） 通讯线缆在台面部分必须进入线槽，未进入
13、线槽部分利用固定扣和扎 带固定在台面或立柱上，不能出现折弯、缠绕和变形。（6） 工业机器人示教器线缆在插接时注意接口方向和旋紧螺母的使用方法， 不得在未完全插入前转动快接插头。任务三制造单元的系统集成1. 制造单元通讯组态及调试（1） 总控单元PLC 组态设置根据控制系统方案设计结果，在 TIA 编程软件对总控单元的 PLC、各单元的远程 IO 模块和执行单元内 PLC 进行配置，为每个设备设置其 IP 地址使其建立正常通讯，并分配各远程 IO 模块的 IO 起始地址。根据所提供的各单元内部接线图， 建立信号表。（2） 工业机器人组态设置对工业机器人示教器进行操作，在“DeviceNetDev
14、ice”中添加工业机器人的 DSQC652 模块，其模块参数如表 3 所示。根据所提供的执行单元内部接线图，建立信号表。表3 DSQC652 模块参数序号参数项参数值1地址（Address）10对工业机器人示教器进行操作，在“DeviceNetDevice”中添加工业机器人的扩展 IO 模块，其模块参数如表 4 所示。根据所提供的执行单元内部接线图，建立信号表。表 4 扩展 IO 模块参数序号参数项参数值1地址（Address）112设备代码（VendorID）99993产品代码（ProductCode）674设备类型（DeviceType）125通讯类型（ConnectionType）Pol
15、led6输出长度（ConnectionOutputSize）127输入长度（ConnectionInputSize）2（3） 智能视觉通讯设置根据控制系统方案设计结果，对智能视觉通讯端口和与其完成通讯的控制设备网络端口进行设置，使其可以建立正常通信并实现信号交互。（4） WinCC 组态设置根据控制系统方案设计结果，在 TIA 编程软件中建立WinCC 工程项目，并使其与总控单元 PLC 建立正常通讯并实现信号交互。对数控系统的网络通信端口进行设置，并在 TIA 编程软件中对 WinCC 工程项目进行通讯设置，使数控系统和WinCC 建立通讯连接并可在线设置交互信号。2. 执行单元和工具单元智
16、能化改造（1） 工业机器人安全姿态设定对工业机器人操作与编程，确定工业机器人本体的安全姿态，此姿态下工业机器人本体不会与周边设备发生碰撞。当执行单元平移滑台运行时，工业机器人本体必须保持此姿态，不得同时动作。工业机器人安全姿态各轴设定参数要求如下表 5。表 5 工业机器人安全姿态各轴设定参数轴1 轴2 轴3 轴4 轴5 轴6 轴角度0-30300900（2） 执行单元平移滑台改造对执行单元中的PLC 编程，设置 PLC 对于伺服电机的控制参数，其中伺服电机编码器分辨率为 131072pulses/rev（17 线），伺服电机驱动器电子齿轮已设置为 600:1，减速机减速比 3:1，同步带减速比
17、 1.5:1，滚珠丝杠导程 5mm。要求：平移滑台运动速度不得超过50mm/s。根据所提供的执行单元内部接线图，对执行单元内部的PLC 进行编程，使平移滑台实现回原点、定位运动、定速运动功能，原点传感器位于标尺零刻度一侧。（注意：标尺不能擅自移动）（3） 快换工具的拾取与放回对工业机器人操作与编程，使工业机器人可以完成对所需工具的拾取与放回， 动作过程连贯无碰撞。快换工具在工具架的位置根据使用需求自行调整。注意： 工业机器人不得悬空释放工具使其掉落到工具架上。（4） 快换工具的使用对工业机器人操作与编程，使工业机器人可以完成对所使用的工具的动作， 如夹爪类工具的夹紧/松开、吸盘类工具的吸取/释
18、放、打磨类工具的打磨/停止等动作切换，并实现轮毂的拾取、释放和打磨加工。3. 仓储单元智能化改造（1） 仓储单元立体仓库改造根据控制系统方案设计结果和所提供的仓储单元内部接线图，实现以下功能：由外部信号控制指定编号的仓位托盘推出和缩回。每个仓位的传感器可以感知当前是否有轮毂零件存放在仓位中。仓位指示灯根据仓位内轮毂零件存储状态点亮，当仓位内没有存放轮毂零件时亮红灯，当仓位内存放有轮毂零件时亮绿灯。（2） A1 流程要求1 对仓储单元中轮毂的朝向做判断，取出仓储单元中存储的轮毂零件，取出顺序随机，用检测单元对轮毂零件电子标签区域2进行识别并记录（可利用翻转工序对轮毂翻面），记录后放回原位，要求放
19、回原位时轮毂正面朝下。2 利用未存放轮毂零件的仓位，对仓储单元中的轮毂零件进行整理，要求轮毂零件电子标签区域2里的数值与所放入的仓位编号一致。3 在步骤完成的情况下，机器人取出轮毂，轮毂取出顺序为：先取奇数号仓位轮毂（从小到大），再取偶数号仓位轮毂（从大到小）。4 若此仓位的轮毂已被加工检测过，或者此仓位无轮毂零件，则跳过此仓位。取出顺序可以循环多次，直至完全遍历4个轮毂。 （3） A2 流程要求工业机器人将所持轮毂零件放回仓储单元前，要求选手需根据轮毂实际状态决定是否需要自行增加翻转工序，最终要求轮毂零件正面朝下放回仓储单元。将轮毂放回仓储单元。仓位编号与仓储工序A1整理完成后的位置一致。4
20、. 加工单元智能化改造（1） 数控系统刀具信息建立对数控系统进行操作设置，根据虚拟刀库刀具信息新建对应刀具，以便后续数控加工编程使用。其中，加工单元中虚拟刀库内已存有 6 把刀具，各刀具信息如表 6 所示，刀库中编号 01-06 分别对应 T1-T6。在数控系统中建立刀具信息时， 单刃螺旋铣刀、双刃螺旋铣刀对应数控系统中的“铣刀”类型，球头铣刀对应数控系统中的“圆柱形球头模具铣刀”类型，刀具长度参数对应刀库中刀具的总长度数据。表 6 虚拟刀库刀具信息表刀具编号刀具类型刀具直径 mm刀刃长度 mm刀具总长度 mm01单刃螺旋铣刀2153802单刃螺旋铣刀2103803双刃螺旋铣刀2153804双
21、刃螺旋铣刀2103805球头铣刀2153806球头铣刀21038（2） 建立机床坐标系原点对数控系统进行操作设置，设定数控机床坐标系原点，使主轴位置不影响工业机器人对轮毂零件的上下料。（3） 数控加工程序编程若轮毂零件加工工序为标准加工工序（即：视觉检测区域 3 的颜色为绿色， 加工工序二维码编码含“B1”），则需完成： 按加工工序二维码编码顺序完成全部工序流程（如：假设加工工序二维码编码为 C1B1C2C3，则应按顺序依次完成工序：C1B1C2C3）； 其中 B1 流程，应根据图 4 所示的车标 LOGO 加工图纸和表 7 所示工艺要求（仅供参考），对数控系统进行编程，完成数控加工；表 7
22、标准加工-数控加工工艺表工步工步内容刀具主轴转速（r/min）进给速度（mm/min）切削深度（mm）类型刀刃直径（mm）1粗铣 a 区域单刃螺旋铣刀 230002000.5若轮毂零件加工工序为定制加工工序（即：轮毂背面视觉检测区域 3 的颜色为红色，加工工序二维码编码含“B2”），则需完成： 按加工工序二维码编码顺序完成全部工序流程（如：假设加工工序二维码编码为 C1B2C2C3，则应按顺序依次完成工序：C1B2C2C3）； 其中 B2 流程，应根据表 8 所示工艺要求（仅供参考），对数控系统进行编程，完成定制加工工序编码的数控加工（即通过数控编程在加工圆片内实现定制加工工序编码“C1B2C
23、2C3”的“雕刻”）；表 8 定制加工-数控加工工艺表工步工步内容刀具主轴转速（r/min）进给速度（mm/min）切削深度（mm）类型刀刃直径（mm）1粗铣 a 区域单刃螺旋铣刀 230002000.5注意要求： 须在数控加工圆片范围内加工； 数字 1-9、英文字母 A、B、C、D、E 的数控加工图纸已提前编制，其存放路径为：计算机D 盘：参考资料文件夹； 数字 1-9、英文字母 A、B、C、D、E 的数控加工程序已提前编制，其存放路径为： 程序管理器(PROGRAM MAINAGEG ) 工件文件夹 DS11A.WPD，数控加工完成定制工序编码（即 B2 工序）可直接调用相关数控程序； 数
24、控加工完成车标 LOGO（即 B1 工序）需选手自行完成数控编程； 数控加工后能够清晰的看出车标 LOGO 或定制加工工序编码即可，其他不做特别要求； 加工开始和结束时主轴位置处于机床坐标系原点。图 4 车标 LOGO 数控加工图纸（4） B1 流程要求工业机器人将所持轮毂零件上料到加工单元数控机床的夹具上。工业机器人退出加工单元。数控机床完成图 4 所示的车标 LOGO 加工。工业机器人将轮毂零件由加工单元数控机床的夹具上拾取出来。（5） B2 流程要求工业机器人将所持轮毂零件上料到加工单元数控机床的夹具上。工业机器人退出加工单元。数控机床完成定制加工工序编码的“雕刻”加工。工业机器人将轮毂
25、零件由加工单元数控机床的夹具上拾取出来。5. 打磨单元智能化改造（1） 打磨单元翻转工装改造根据控制系统方案设计结果和所提供的打磨单元内部接线图，实现以下功能：当工业机器人准备将轮毂零件放置到打磨工位或准备将轮毂由打磨工位取走时，翻转工装处于旋转工位一侧。当工业机器人准备将轮毂零件放置到旋转工位或准备将轮毂由旋转工位取走时，翻转工装处于打磨工位一侧。翻转工装可将轮毂零件在打磨工位和旋转工位间翻转并准确定位。打磨加工只需将打磨刷与轮毂表面接触后开启打磨，保持3s 后关闭打磨。（2） C1 流程要求翻转工装动作到打磨工位一侧。工业机器人将所持轮毂零件放置到旋转工位上。翻转工装将轮毂零件由旋转工位翻
26、转到打磨工位上。翻转工装动作到旋转工位一侧。工业机器人由打磨工位将轮毂零件取出。（3） C2 流程要求工业机器人将轮毂零件放置到吹屑工位内部，轮毂零件完全进入吹屑工位内，夹爪不松开。吹屑 2s，同时使轮毂零件在吹屑工位内顺时针旋转 90，确保碎屑完全吹除。工业机器人将轮毂零件由吹屑工位内取出。（4） C3 流程要求翻转工装动作到打磨工位一侧。工业机器人将所持轮毂零件放置到旋转工位上。对位于旋转工位上的轮毂零件的打磨加工区域 3 进行打磨加工。工业机器人由旋转工位将轮毂零件取出。（5） C4 流程要求翻转工装动作到打磨工位一侧。工业机器人将所持轮毂零件放置到旋转工位上。对位于旋转工位上的轮毂零件
27、的打磨加工区域 4 进行打磨加工。旋转工位逆时针旋转 180。工业机器人由旋转工位将轮毂零件取出。旋转工位气缸复位。（6） C5 流程要求翻转工装动作到打磨工位一侧。工业机器人将所持轮毂零件放置到旋转工位上。旋转工位顺时针旋转 180。工业机器人由旋转工位将轮毂零件取出。旋转工位气缸复位。（7） C6 流程要求翻转工装动作到打磨工位一侧。工业机器人将所持轮毂零件放置到旋转工位上。对位于旋转工位上的轮毂零件的打磨加工区域 1 进行打磨加工。工业机器人由旋转工位将轮毂零件取出。（8） C7 流程要求翻转工装动作到打磨工位一侧。工业机器人将所持轮毂零件放置到旋转工位上。对位于旋转工位上的轮毂零件的打
28、磨加工区域 2 进行打磨加工。工业机器人由旋转工位将轮毂零件取出。（9） C8 流程要求翻转工装动作到打磨工位一侧。工业机器人将所持轮毂零件放置到旋转工位上。对位于旋转工位上的轮毂零件的打磨加工区域 2 进行打磨加工。旋转工位逆时针旋转180。工业机器人由旋转工位将轮毂零件取出。旋转工位气缸复位。（10） C9 流程要求翻转工装动作到打磨工位一侧。工业机器人将所持轮毂零件放置到旋转工位上。对位于旋转工位上的轮毂零件的打磨加工区域 1 进行打磨加工。旋转工位顺时针旋转180。工业机器人由旋转工位将轮毂零件取出。旋转工位气缸复位。（11） 上述 C1C9 将逐一考评，实行单项计分；在单项计分过程中
29、，仅允许选手手动演示或手动触发必要条件及相关设备，禁止改动软件程序、硬件接线及 IO 设置。6. 检测单元智能化改造（1） 在检测单元对轮毂零件指定位置的清晰图像提取对工业机器人操作与编程，使工业机器人可稳定拾取轮毂零件置于检测单元的视觉相机视野中，并对检测单元的相机镜头焦距/光圈、光源亮度、采集图像对比度等进行调整，使视觉控制器可采集到清晰稳定的图像。（2） 在检测单元对轮毂零件指定信息的提取 对视觉控制器进行操作与编程，使其可对于轮毂零件正面所贴的电子标签区域 1产品系列编码（二维码）进行识别，输出产品加工系列编码（如：0001 表示产品属于 1 系列；0002 表示产品属于 2 系列）。对视觉控制器进行操作与编程，使其可对于轮毂零件背面所贴的电子标签区域 2加工产品编码（二维码）进行识别，输出产品编码（如0001,0002,0003）。 对视觉控制器进行操作与编程，使其可对于轮毂零件正面所贴的视觉检测区域 1不同颜色（红/绿）的贴纸进行识别；视觉检测区域1 用于识别异形件或标准件：检测识别结果为红色则是异形件，输出结果为 NG，检测识别结果为绿色则是标准件，输出结果为 OK。对视觉控制器进行操作与编程，使其可对于轮毂零件正面所贴
