基于工業(yè)機(jī)器人的智能制造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法探析

重慶移通學(xué)院 崔衛(wèi)星

引言

在全球一體化的影響之下，各行各業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)變得更加激烈。工業(yè)生產(chǎn)線中的生產(chǎn)效率直接影響著企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。人們的生活水平日益提高，對(duì)商品的需求量也隨之增加，傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)制造方式早已無(wú)法滿(mǎn)足人類(lèi)的需求，因此工業(yè)智能機(jī)器人被發(fā)明并應(yīng)用到生產(chǎn)線當(dāng)中。將智能機(jī)器人與制造生產(chǎn)線融合有利于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人不僅僅指和人類(lèi)外形相似的智能機(jī)器，它泛指一切用于制造生產(chǎn)的人工智能機(jī)器人系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人具有自動(dòng)化、可操控、可編程的特點(diǎn)。用于生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人的種類(lèi)豐富，包括關(guān)節(jié)型機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、Delta機(jī)器人和直角坐標(biāo)型機(jī)器人等。機(jī)械手臂在制造生產(chǎn)線上的應(yīng)用最為廣泛，例如用于焊接的機(jī)械手臂、用于制作面包的機(jī)械手臂等。工業(yè)機(jī)器人的工作總是在復(fù)制重復(fù)一個(gè)動(dòng)作，調(diào)控人員可以通過(guò)對(duì)它進(jìn)行編程來(lái)改變工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方式和頻率。因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間和運(yùn)動(dòng)幅度都是一致的，所以工業(yè)機(jī)器人工作的精度比人工高，可以用于一些對(duì)精度要求較高的生產(chǎn)加工制造當(dāng)中。

工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)制造線上應(yīng)用十分廣泛，例如，焊接工作的機(jī)器人上安裝有高溫的焊接裝置，利用回轉(zhuǎn)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)；在食品飲料行業(yè)，分揀的動(dòng)作一般以效率為第一要求，而難度系數(shù)同樣較大的則是包裝，要把零散的物品準(zhǔn)確放置在包裝袋或者包裝箱內(nèi)，這不僅考驗(yàn)機(jī)器人的靈活性和準(zhǔn)確度，而且要求機(jī)器人具備視覺(jué)和計(jì)算的功能。揀選作業(yè)是由機(jī)器人來(lái)進(jìn)行品種揀選，如果品種多，形狀各異，機(jī)器人需要帶有圖像識(shí)別系統(tǒng)和多功能機(jī)械手，機(jī)器人可根據(jù)圖像識(shí)別系統(tǒng)“看到”的物品形狀，采用與之相應(yīng)的機(jī)械手抓取，然后放到搭配托盤(pán)上。目前抓取分揀機(jī)器人在食品飲料行業(yè)應(yīng)用逐漸增多，主要集中在后段包裝中，比如將小顆粒的巧克力、糖果或者盒裝或者袋裝的食品飲料快速抓取并放置到指定的分揀傳輸帶或者包裝盒中，這種機(jī)器人不僅像人的雙手一樣靈巧，而且有足夠的判斷能力。工業(yè)機(jī)器人還可以用于搬運(yùn)貨物，在生產(chǎn)線中可能會(huì)產(chǎn)生較重的產(chǎn)品，搬運(yùn)機(jī)器人能夠輕松的搬運(yùn)貨物，減輕工作人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)也保證了工作人員的人身安全。

2 基于工業(yè)機(jī)器人的智能制造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法

2.1 智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法

為了使制造生產(chǎn)線更加智能化，將智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)分為三部分：數(shù)據(jù)信息處理綜合部分、工業(yè)機(jī)器人的硬件部分、智能工業(yè)機(jī)器人監(jiān)督反饋調(diào)節(jié)部分。其中工業(yè)機(jī)器人的硬件部分包括機(jī)器人控制器、角度傳感器、力傳感器、位置和姿態(tài)傳感器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)離不開(kāi)這三部分協(xié)同有序的工作。智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)的產(chǎn)品加工制作流程是：輸送原材料裝置接收可編程邏輯控制器傳出的信號(hào)后開(kāi)始工作，將需要加工的產(chǎn)品取出放置在檢測(cè)位置，如果該產(chǎn)品通過(guò)了質(zhì)量檢測(cè)，工業(yè)機(jī)器人就會(huì)將該產(chǎn)品放置在加工位置。數(shù)控機(jī)床對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行一系列的精準(zhǔn)加工，使該產(chǎn)品符合預(yù)期的要求，加工完成后工業(yè)機(jī)械手臂取出產(chǎn)品并將其擱置在清潔消毒設(shè)備當(dāng)中，產(chǎn)品被運(yùn)輸帶運(yùn)輸?shù)酱慊?、冷處理等其他工序?dāng)中，最后對(duì)產(chǎn)品的外觀進(jìn)行噴漆、刷油等裝飾，再次放入檢測(cè)裝置中進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后即可放入成品區(qū)。

智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)中的可編程邏輯控制器是種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下自動(dòng)化控制而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)?？删幊炭刂破饔蓛?nèi)部CPU，指令及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、輸入輸出單元、電源模塊、數(shù)字模擬等單元所模塊化組合成，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊踢壿嬁刂破黠@示不同的地址代表著不同的功能，地址為0.00時(shí)表示機(jī)床1處于自動(dòng)模式，地址為0.01時(shí)表示機(jī)床1故障，地址為0.02時(shí)表示機(jī)床1正在加工當(dāng)中，地址為0.03時(shí)表示機(jī)床1卡盤(pán)夾緊到位，地址為0.04時(shí)表示機(jī)床1卡盤(pán)防松到位，地址為0.05時(shí)表示機(jī)床1加工完成。

2.2 智能制造生產(chǎn)線的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方法

2.2.1 原料的加工處理裝置設(shè)計(jì)

原料的加工處理裝置是整個(gè)智能制造生產(chǎn)線的核心與關(guān)鍵，原料的加工處理過(guò)程直接關(guān)系著產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。在設(shè)計(jì)原料的加工處理裝置時(shí)應(yīng)該從產(chǎn)品自身的特點(diǎn)出發(fā)，并且考慮市場(chǎng)的實(shí)際需求和制造工廠的實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模。如果制造廠的面積較小，可以使用立體的加工制造車(chē)床，減少占地面積。這種立體的加工車(chē)床能夠保證各個(gè)零件的加工精度，在加工時(shí)，工件繞某一固定軸線回轉(zhuǎn),各表面具有同一的回轉(zhuǎn)軸線,故易于保證加工面間同軸度的要求;立體車(chē)床在切削過(guò)程比較平穩(wěn);除了斷續(xù)表面之外,一般情況下車(chē)床加工過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的,不像銑削和刨削,在走刀過(guò)程中,刀齒有多次切入和切出,產(chǎn)生沖擊;該種車(chē)床用于切削打磨的刀具使用車(chē)刀，較為簡(jiǎn)單，并且在打磨和安裝的過(guò)程中比較容易，可以根據(jù)產(chǎn)品的加工需求達(dá)到一定的角度。

加工處理裝置使用法蘭克智能加工系統(tǒng)，法蘭克系統(tǒng)是一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)控主板、PLC板、I/O板、MMC板、CRT接口板組成。其中數(shù)控主板主要用于對(duì)工業(yè)機(jī)器人的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算存儲(chǔ)等，以此來(lái)控制工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。加工處理裝置中的立體車(chē)床可以加工產(chǎn)品的倒角、溝槽、圓錐面等，立體車(chē)床與普通車(chē)床相比，其相當(dāng)于將普通車(chē)床立起來(lái)，立體車(chē)床的高度較高，占地面積卻很小，具有良好的穩(wěn)定性和較高的精密度。這種立體車(chē)床在加工時(shí)最大回轉(zhuǎn)半徑為325毫米，主軸的液壓卡盤(pán)半徑為150毫米，主軸的轉(zhuǎn)速在30r/min-3000r/min之間，主軸的最大扭矩是950N·m，伺服電機(jī)扭矩是0.55N·m，伺服電機(jī)的功率是3KW-4KW,刀架采用6位立式刀具。

2.2.2 輸送原料的裝置設(shè)計(jì)

在我國(guó)傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工模式當(dāng)中，常常需要耗費(fèi)大量的人力來(lái)輸送原料，即使很多工人加班工作，運(yùn)輸?shù)男嗜匀坏貌坏教嵘?，且使用人工運(yùn)輸還會(huì)增加大量的成本，這種傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式是導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益低下的主要原因。為了改變這種運(yùn)輸方式，在運(yùn)輸材料裝置中融入了智能工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸材料的自動(dòng)化，減少了人力的浪費(fèi)，有效地降低了企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的成本。輸送原料裝置中的機(jī)器人系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)、和反饋系統(tǒng)組成。在運(yùn)輸原料的過(guò)程中，首先指揮系統(tǒng)下達(dá)開(kāi)啟設(shè)備的命令，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接收到指令后發(fā)動(dòng)機(jī)立即開(kāi)始按照指定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓、氣壓等均升高，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中的機(jī)械手臂、傳輸皮帶運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手臂將原材料放在傳輸帶上，傳輸帶將原材料運(yùn)輸?shù)郊庸の恢?。輸送原料裝置的反饋系統(tǒng)中裝有各種傳感器，如聲音傳感器、光學(xué)傳感器、溫度傳感器等，如果輸送原料的過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤或者意外事故，反饋系統(tǒng)會(huì)及時(shí)將信息傳遞給指揮系統(tǒng)，指揮系統(tǒng)下達(dá)關(guān)閉的命令，所有系統(tǒng)停止工作，反饋系統(tǒng)能夠在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)檢測(cè)出來(lái)，是設(shè)備安全性能的保障。

2.2.3 智能制造生產(chǎn)線的監(jiān)管系統(tǒng)

智能制造生產(chǎn)線的監(jiān)管系統(tǒng)既可以監(jiān)督管理生產(chǎn)線上的每一個(gè)生產(chǎn)設(shè)備，又可以監(jiān)督工作人員的工作情況，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程起著促進(jìn)的作用。小到一個(gè)集體，大到一個(gè)國(guó)家，都離不開(kāi)監(jiān)督和管理。一個(gè)良好的監(jiān)管系統(tǒng)能夠使企業(yè)更加具有規(guī)范性。智能監(jiān)管系統(tǒng)中安裝有特定的傳感裝置，系統(tǒng)可以自動(dòng)獲取生產(chǎn)設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間，從而在云平臺(tái)上直接顯示出特定生產(chǎn)設(shè)備的工作時(shí)間，監(jiān)控生產(chǎn)線設(shè)備工作電流，管理者可以通過(guò)中心呈現(xiàn)的日產(chǎn)量，來(lái)精確掌握廠區(qū)生產(chǎn)量。監(jiān)管系統(tǒng)以中心為依據(jù)，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)單位時(shí)間內(nèi)不同時(shí)間段的工作效率來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，尋找提高企業(yè)生產(chǎn)效率的有效措施。另一方面，生產(chǎn)線監(jiān)管系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，管理者根據(jù)情況來(lái)對(duì)生產(chǎn)線員工進(jìn)行懲罰措施，可以以此來(lái)監(jiān)督生產(chǎn)線人員的工作效率。企業(yè)廠區(qū)的管理方式利用互聯(lián)網(wǎng)科技化手段，進(jìn)入全方位無(wú)死角模式管理階段，這種監(jiān)管系統(tǒng)告別了人工監(jiān)管不到位的情況，方便管理人員全局把握情況，了解生產(chǎn)、工作情況，提高了企業(yè)生產(chǎn)線的管理水平。智能監(jiān)管系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別獲取生產(chǎn)設(shè)備的工作情況，幫助企業(yè)管理者清晰掌握企業(yè)的生產(chǎn)效率，生產(chǎn)設(shè)備工作異常，系統(tǒng)預(yù)警提醒，防止設(shè)備故障影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。

在監(jiān)管各個(gè)加工制造設(shè)備時(shí)，如果設(shè)備處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，那么監(jiān)管系統(tǒng)中會(huì)顯示無(wú)采集數(shù)據(jù)；如果設(shè)備故障，監(jiān)管系統(tǒng)會(huì)顯示設(shè)備數(shù)據(jù)中a1字段不為0；如果設(shè)備正在調(diào)試中，設(shè)備數(shù)據(jù)中opm字段為3;如果設(shè)備正常運(yùn)行，那么設(shè)備數(shù)據(jù)中opm字段為1且pst字段為3。

3 總結(jié)

本文先對(duì)智能制造生產(chǎn)線的總體進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后分別設(shè)計(jì)原料的智能加工處理裝置、智能輸送原料的裝置以及智能制造生產(chǎn)線的監(jiān)管系統(tǒng)。加工處理裝置使用法蘭克智能加工系統(tǒng)，有利于提高產(chǎn)品的加工效率，減少人力物力的浪費(fèi)，降低企業(yè)生產(chǎn)的成本。智能制造生產(chǎn)線的監(jiān)管系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€(gè)加工生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，提高企業(yè)生產(chǎn)線的管理水平。將工業(yè)機(jī)器人融入智能制造生產(chǎn)線當(dāng)中，能夠增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。