工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)及優(yōu)化

楊亞強(qiáng) 陳豐

摘要：工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線（下文中以“機(jī)器人生產(chǎn)線”來指代“工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線”），作為集成了如今眾多機(jī)械制造自動(dòng)化領(lǐng)域高新技術(shù)——數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、智能控制的所在，迎合了如今社會(huì)發(fā)展對工業(yè)界的需求——機(jī)器換人、工業(yè)4.0以及中國制造2025政策等，由此成為了工業(yè)的現(xiàn)代發(fā)展趨勢和未來的主導(dǎo)力量。由工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、傳統(tǒng)流水生產(chǎn)線設(shè)計(jì)優(yōu)化、產(chǎn)品工藝方法這些制造業(yè)技術(shù)的交叉融合所產(chǎn)生的機(jī)器人生產(chǎn)線的布局問題，對企業(yè)生產(chǎn)效率的影響愈發(fā)重要。上述便引出本文對機(jī)器人生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化的問題研究。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;自動(dòng)化產(chǎn)線;布局設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1、前言

隨著新生不足和老齡化的夾擊，未來我國勞動(dòng)力資源優(yōu)勢將逐漸消失。伴隨著制造業(yè)需求多品種、小批量、定制化的市場趨勢和低端產(chǎn)品利潤日益稀薄、高端產(chǎn)品國外技術(shù)壟斷的情況下，企業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)與考驗(yàn)。隨著勞動(dòng)力成本上升、用工荒越來越普遍的趨勢下，機(jī)器人換人已成為其最合適的解決辦法。

2、機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)方法概述

機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)，從廣義上是指根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營方式和生產(chǎn)綱領(lǐng)等要求，按照從原料的接收、零部件和成品的制造、裝配、搬運(yùn)、倉儲(chǔ)的生產(chǎn)全過程，以合理的布局方案將生產(chǎn)線所使用的數(shù)控設(shè)備、物料運(yùn)輸設(shè)備、自動(dòng)上下料設(shè)備＼機(jī)器人、緩存站、料倉等設(shè)備布局在一個(gè)有限空間的車間內(nèi)，同時(shí)對與之相關(guān)的物流和信息流進(jìn)行合理地組織規(guī)劃，以達(dá)到將人員、設(shè)備和物料所需要的空間做最適當(dāng)?shù)姆峙浜妥钣行У慕M合，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益的設(shè)計(jì)目標(biāo)一一加快物料處理效率，減少在制品的停留時(shí)間，顯著提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。對于任何一種生產(chǎn)線，其布局設(shè)計(jì)都需要滿足一定的設(shè)計(jì)原則與要求，具體如下所示：

（1）生產(chǎn)線布局必須符合產(chǎn)品的工藝要求，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期最短，生產(chǎn)流盡量順暢;

（2）.生產(chǎn)線布局的空間利用率最高，使其達(dá)到適當(dāng)?shù)慕ㄖ嫉叵禂?shù)（建筑物、構(gòu)筑物占地面積與場地總面積的比率），使建筑物內(nèi)部設(shè)備的占有空間和單位制品的占有空間較小;

（3）產(chǎn)品牛產(chǎn)周期內(nèi)物料搬運(yùn)費(fèi)用最少，便于物料的輸入和產(chǎn)品、廢料等物料運(yùn)輸路線便捷，盡量避免運(yùn)輸?shù)耐岛徒徊?

（4）生產(chǎn)線布局需要考慮生產(chǎn)計(jì)劃上的柔性，使之適應(yīng)市場對于產(chǎn)品需求的變化、工藝和設(shè)備的更新及擴(kuò)大生產(chǎn)能力的需要，及柔性生產(chǎn)制造的目標(biāo);

（5）生產(chǎn)線布局需要適應(yīng)組織結(jié)構(gòu)的合理化和管理的方便，使有密切關(guān)系或性質(zhì)相近的作業(yè)單位布局在一個(gè)區(qū)域并就近布局，甚至合并在同一個(gè)建筑物內(nèi);

（6）生產(chǎn)線布局需要為職工提供方便、安全、舒適的作業(yè)環(huán)境，使之合乎生理、心理的要求，為提高生產(chǎn)效率和保證職工身心健康創(chuàng)造條件。

3、機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)方法與流程

機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)方法具體流程內(nèi)容如下圖1所示。其中，前四個(gè)步驟為機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)的前處理，主要為下面工作單元布局優(yōu)化和機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)確定生產(chǎn)線相關(guān)數(shù)據(jù)如生產(chǎn)線組織形式、生產(chǎn)節(jié)拍、工作單元分組。而工作單元布局優(yōu)化主要是對已分組的各個(gè)工作單元內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人與設(shè)備之間布局進(jìn)行優(yōu)化，逐個(gè)完成對工作單元的布局優(yōu)化后，則對機(jī)器人生產(chǎn)線整體進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，獲得滿意的機(jī)器人生產(chǎn)線布局方案。

（1）確定生產(chǎn)線的生產(chǎn)組織形式。生產(chǎn)組織方式是指為能順利進(jìn)行生產(chǎn)過程，將工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控設(shè)備和生產(chǎn)對象進(jìn)行合理地配備與組織。每個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)組織方式都需要根據(jù)企業(yè)自身的生產(chǎn)特點(diǎn)來組織設(shè)計(jì)。生產(chǎn)組織形式可以劃分為工藝式布局（也稱為功能布局）、產(chǎn)品式布局和單元成組式布局。如表3—1所示，對3種生產(chǎn)組織形式的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)匯總介紹，從不同的方面對這三種形式進(jìn)行比較。通過分析和總結(jié)可以看出，這三種生產(chǎn)組織形式各有各的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，不能一概的說哪一種布局比另外一種布局好，需要根據(jù)不同的生產(chǎn)情況來選擇不同的生產(chǎn)組織形式。

對于如何確定生產(chǎn)線布局的組織形式，可以從以下三個(gè)方面出發(fā)：

（1） 由企業(yè)的產(chǎn)品種類和相應(yīng)產(chǎn)量。根據(jù)生產(chǎn)線的具體設(shè)計(jì)要求來確定該生產(chǎn)線的生產(chǎn)范圍（產(chǎn)品型號(hào)、產(chǎn)品產(chǎn)量），由此對生產(chǎn)線的生產(chǎn)組織形式與物流模式進(jìn)行分析、選擇。作為生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)的開端，產(chǎn)品產(chǎn)量分析描述了生產(chǎn)方式與布局方式之間的關(guān)系，如下圖3.2所示。產(chǎn)品產(chǎn)量分析的結(jié)果不僅是確定生產(chǎn)組織形式和物流模式的基礎(chǔ)，也是劃分工作單位的基礎(chǔ)。

（2）由企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和車間的生產(chǎn)類型。企業(yè)規(guī)模大，車間任務(wù)多，可以選擇產(chǎn)品式布局;若企業(yè)規(guī)模小，設(shè)備少，可以選擇工藝式布局。

（3）由企業(yè)的訂單和專業(yè)化生產(chǎn)的穩(wěn)定性。如果企業(yè)的訂單和生產(chǎn)在一定程度上是穩(wěn)定的，可以選擇產(chǎn)品式布局;若相反，可以選擇工藝式布局。

（2）平衡生產(chǎn)線工序。工序平衡化是指通過采取技術(shù)組織措施來調(diào)整生產(chǎn)線各工序的作業(yè)內(nèi)容，使各工序單件作業(yè)時(shí)間等于或接近節(jié)拍或節(jié)拍的整數(shù)倍。工序平衡化是連續(xù)生產(chǎn)線的必要條件，工序平衡化程度越高，生產(chǎn)線工作單元負(fù)荷系數(shù)也越高，有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和縮短生存周期。對于自動(dòng)化生產(chǎn)線的工序平衡化，豐要是靠技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)。如采用高效率的工藝裝備，提高切削用量，改進(jìn)工作單元的布局和操作方法，以減少輔助時(shí)問和切削時(shí)間：對機(jī)床進(jìn)行改裝，增加附件等，實(shí)行多件加工，以減少單件加工時(shí)問等。在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)線上各工序，由于有許多因素限制著作業(yè)元素的分配，比如其自身工藝技術(shù)、數(shù)控設(shè)備的數(shù)量和加工精度等諸多客觀限制，導(dǎo)致各工序的工時(shí)之間必然存在著差異，從而使得工作單元不能達(dá)到滿負(fù)荷。具體的約束有以下幾種：

（1）工藝的順序約束，即作業(yè)元素的分解、合并必須遵循加工、裝配過程的要求，不能隨意插補(bǔ)或顛倒。例如，在鉸錐孔之前必須鉆孔。

（2）加工生產(chǎn)技術(shù)上的約束，即保證技術(shù)要求，必須防止工序之間的干擾，如精加工不能安排在有敲擊的操作之前。

（3）工作單元布局優(yōu)化。在對機(jī)器人生產(chǎn)線中各個(gè)工作單元的工序平衡化后，便需要分別對各個(gè)工作單元內(nèi)的設(shè)備與機(jī)器人進(jìn)行布局優(yōu)化，獲得工作單元的布局方案，如下圖3—4所示。

（4）機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)。在完成對機(jī)器人生產(chǎn)線中每個(gè)工作單元內(nèi)的設(shè)備與機(jī)器人之間相對位姿的布局優(yōu)化后，便以此為待布局單位，對機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)，獲得滿意的生產(chǎn)線整體布局方案，如下圖4所示。

4、結(jié)語

機(jī)器人加工自動(dòng)化的應(yīng)用，既改善了勞動(dòng)條件，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，又可確保生產(chǎn)安全，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，還能降低能源及原材料消耗，節(jié)省輔助加工時(shí)間，降低產(chǎn)品成本。隨著生產(chǎn)線的制作、調(diào)試周期逐步縮短，機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線越來越為汽車主機(jī)廠所接受，成為自動(dòng)化生產(chǎn)線的主流。

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