傳統(tǒng)人工生產(chǎn)線的自動化改造思路與關(guān)鍵技術(shù)研究

金 艷，齊 威

(大連工業(yè)大學，遼寧 大連 116034)

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷進步，我國的勞動生產(chǎn)模式發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變，很多行業(yè)為進一步提高勞動生產(chǎn)效率，紛紛引進了機械化生產(chǎn)線的作業(yè)模式，使各個工序之間形成有序銜接，有利于生產(chǎn)成本的控制和生產(chǎn)品質(zhì)的提升，同時也使各個工序各司其職，使生產(chǎn)、質(zhì)檢、包裝等過程有序?qū)嵤：芏嘣缙谝M生產(chǎn)線作業(yè)模式的企業(yè)，由于當時的自動化技術(shù)應(yīng)用不廣泛，生產(chǎn)線技術(shù)多在機械功能方面進行設(shè)計，使早期的機械化生產(chǎn)線的各個工序需要人工進行配合才能完成，生產(chǎn)線的更多作用在于運輸、定位及其他輔助功能，使企業(yè)對人力資源的需求量仍非常高，造成了用工成本上漲和勞動力負擔。隨著自動化技術(shù)逐漸成熟且在生產(chǎn)線上進行應(yīng)用，新的生產(chǎn)線產(chǎn)品具有了典型的自動化與智能化特點，為進一步提高傳統(tǒng)生產(chǎn)線的自動化水平，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上進行自動化設(shè)計和升級是十分必要的。

1 機械化生產(chǎn)線特點與種類

機械化的生產(chǎn)線技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了很長的發(fā)展時期，其技術(shù)特點從早期的輔助性作業(yè)逐漸向全部自動化甚至智能化方向轉(zhuǎn)變，從目前的生產(chǎn)線應(yīng)用情況來看，不同的階段具有各自的典型化特點，根據(jù)生產(chǎn)線設(shè)備的自動化程度，可將機械化生產(chǎn)線分為以下幾大類：(1)生產(chǎn)線僅能實現(xiàn)物料的定向輸送等功能，對于原料放置、產(chǎn)品加工、產(chǎn)品包裝、產(chǎn)品集中存放等工作均需要人工干預(yù)；(2)生產(chǎn)線既能實現(xiàn)物料的自動化輸送還能實現(xiàn)產(chǎn)品的自動化加工功能，但是在原料放置、產(chǎn)品包裝、產(chǎn)品集中存放等方面仍需要人工干預(yù)；(3)生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)原料放置、輸送、自動加工、自動包裝、集中存放等功能，但不具備信息記錄、故障檢測、產(chǎn)品質(zhì)檢等功能，以上工作需人工參與完成；(4)生產(chǎn)線具有較高的智能化程度，既能完成傳統(tǒng)的人工投放料、生產(chǎn)制造、包裝、產(chǎn)品存放等工作，還能利用生產(chǎn)線進行質(zhì)量檢驗、數(shù)據(jù)存儲等工作，從而提高質(zhì)檢、倉儲的工作效率。

2 傳統(tǒng)生產(chǎn)線的自動化改造原則

機械生產(chǎn)線的自動化改造是根據(jù)不同的生產(chǎn)線技術(shù)特點實施的，例如上文提及的四類生產(chǎn)線，前兩類的改造重點在于生產(chǎn)過程的全程自動化，而第三類生產(chǎn)線則是自動化功能的進一步豐富，機械化生產(chǎn)線的改造是遵循生產(chǎn)線技術(shù)的發(fā)展過程，在充分考慮生產(chǎn)廠家經(jīng)濟狀態(tài)的情況下，將一二類生產(chǎn)線逐漸升級為三類生產(chǎn)線，再考慮技術(shù)和功能的進一步提升。傳統(tǒng)的機械化生產(chǎn)線改造應(yīng)以以下原則為出發(fā)點。

(1)降低生產(chǎn)過程的勞動強度。機械自動化技術(shù)的主要目的之一就是通過機械來替代繁重的體力勞動，尤其是完成物料輸送、搬運及重復(fù)性的動作，并避免傳統(tǒng)生產(chǎn)過程對人身安全和健康造成的威脅。例如在化肥、藥劑等生產(chǎn)場所，利用將傳統(tǒng)的人工混料、人工監(jiān)測等長時間、重復(fù)性工作通過自動化設(shè)備完成，既減少人工接觸的危險，又能降低勞動強度。

(2)提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。通過對傳統(tǒng)生產(chǎn)線的改造，利用傳感器、視覺系統(tǒng)等代替人工定位，實現(xiàn)機械化生產(chǎn)各工序反應(yīng)時間的提高，再在生產(chǎn)輸送過程中增設(shè)質(zhì)量檢測、自動包裝、自動碼垛等機械裝置和功能，使生產(chǎn)各個工序?qū)崿F(xiàn)合理化設(shè)計，生產(chǎn)過程進一步整合，促進生產(chǎn)效率的提升。

(3)降低生產(chǎn)經(jīng)營成本。通過對傳統(tǒng)機械化生產(chǎn)線的自動化改造，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量控制水平，有效降低人工操作產(chǎn)生的失誤、誤差等問題，降低生產(chǎn)的廢品率；通過自動故障檢測技術(shù)降低生產(chǎn)線的故障發(fā)生率，降低大故障對生產(chǎn)工期的影響，降低誤工損失；有效減少對用工人數(shù)的依賴，自動化生產(chǎn)有效替代人工作業(yè)，實現(xiàn)用工數(shù)量最優(yōu)化，人員雇傭成本進一步降低。

3 自動化改造關(guān)鍵技術(shù)

3.1 計算機輔助機電一體化設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)線實際情況進行現(xiàn)場測繪工作，將現(xiàn)有設(shè)備的外形尺寸、功能特點進行記錄，并記錄其在生產(chǎn)車間內(nèi)的布局情況，形成生產(chǎn)車間現(xiàn)階段的設(shè)備布局方案記錄，并同時記錄車間內(nèi)的電源位置和建筑布局情況。利用CAD軟件進行車間的設(shè)備重新布局與新增功能設(shè)計與布局，形成初始的改造設(shè)計方案。再利用CAD、SolidWorks等設(shè)計軟件和PLC等功能設(shè)計軟件對原有設(shè)備進行自動化方面的改造設(shè)計，其中包括在原有機械結(jié)構(gòu)上增設(shè)填料、包裝、加工、質(zhì)檢等機械功能結(jié)構(gòu)或裝置，并設(shè)計針對新功能的傳感器、視覺檢測、重力檢測等功能及位置布局，利用PLC程序形成各個工位自動化功能的實施流程，實現(xiàn)對所有流程的檢測控制。此外，針對已經(jīng)完成的功能設(shè)計和布局，重新設(shè)計生產(chǎn)車間內(nèi)部的電源箱位置、控制箱位置、設(shè)備地基情況、設(shè)備接地點的布局，使設(shè)備布局與基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)匹配。

3.2 電氣控制技術(shù)

根據(jù)總體的改造方案展開電氣控制方面的設(shè)計與硬件選型等工作，以傳統(tǒng)人工操作向自動化轉(zhuǎn)型為出發(fā)點，考慮如何利用先進的檢測與控制原件和相關(guān)設(shè)備更好地替代人工作業(yè)，并實現(xiàn)各個工序之間的良好銜接。電氣控制技術(shù)的實施通常以PLC為核心，現(xiàn)階段的PLC技術(shù)具有利用自身邏輯實現(xiàn)控制功能和高度自由化的可編程特點，在電氣控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。因此，根據(jù)總體布局的功能要求，設(shè)計PLC對自動化生產(chǎn)線功能執(zhí)行的工藝流程是電氣控制設(shè)計的首要工作，在設(shè)計過程中可同步進行控制元件和相關(guān)機械設(shè)備的選型，主要選型內(nèi)容包括PLC主站、工控機、變頻器、機器人控制系統(tǒng)等，并對總體方案中的傳感器、視覺設(shè)備、機械臂產(chǎn)品進行復(fù)核，考慮其適用性和工作邏輯是否合理，并設(shè)計生產(chǎn)狀態(tài)顯示屏位置，利用工控機實現(xiàn)信息獲取和功能控制。

3.3 傳感器技術(shù)

傳感器是自動化控制領(lǐng)域常用的信息獲取與檢測控制元件，在自動化生產(chǎn)上常用的傳感器包括光線傳感器、光柵傳感器、接近傳感器、計數(shù)器、重力傳感器、速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、金屬檢測器等，在進行傳統(tǒng)生產(chǎn)線改造過程中，合理利用傳感器技術(shù)能有效優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)的各個過程，提高機械加工產(chǎn)品過程的精確度，并提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，優(yōu)化傳統(tǒng)工作流程。例如在生產(chǎn)過程中利用光柵傳感器進行產(chǎn)品定位，再配合PLC控制進行精確的產(chǎn)品加工，利用重力傳感器、金屬檢測器進行產(chǎn)品質(zhì)量的檢測，這些功能都能有效替代傳統(tǒng)人工工作，便于自動化控制功能的實現(xiàn)。

3.4 自動化物料輸送技術(shù)

自動化物料輸送是針對生產(chǎn)的全過程進行的輸送功能設(shè)計，具體的功能包括了原料自動投放、原料輸送、生產(chǎn)線之間銜接、成品輸出、成品碼垛、成品自動入庫等功能，此外還包括生產(chǎn)雜質(zhì)的去除、物料信息記錄等功能。物料的自動化輸送主要通過多種輸送設(shè)備實現(xiàn)，例如自動放料裝置、皮帶輸送機、輥子輸送機、彎道輸送機、斜坡輸送機、振動輸送機、垛盤輸送機、碼垛機器人、成品輸送小車等，利用不同輸送裝置的結(jié)合，能夠?qū)⑸a(chǎn)線從物料供應(yīng)到成品入庫的各個環(huán)節(jié)進行銜接，并利用彎道輸送機、斜坡輸送機提高生產(chǎn)布局密度，充分利用空間資源，實現(xiàn)在有限空間內(nèi)的設(shè)備布置最佳化。

4 結(jié)語

對傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)線進行自動化的改造是現(xiàn)階段生產(chǎn)企業(yè)節(jié)本增效的有效手段，盡管在改造階段會產(chǎn)生一定的成本支出，但由于充分利用了已有設(shè)備，改造成本相對于全部購置新設(shè)備明顯更低，通常僅為購置新設(shè)備成本的30%～40%，且有利于提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，是現(xiàn)階段生產(chǎn)企業(yè)的最佳技術(shù)升級方式之一。

(05)