制造單元智能化集成仿真平臺設計

周中升，林 向，高 艷

（揚州市職業(yè)大學，江蘇 揚州 225009）

0 引 言

為降低企業(yè)成本，提高產(chǎn)品競爭力，工業(yè)生產(chǎn)的集成化、智能化成為企業(yè)未來發(fā)展的一個趨勢，如何建立可靠合理的生產(chǎn)線成為企業(yè)面臨的一個重要問題[1-3]。智能化集成仿真平臺的出現(xiàn)可以在軟件上模擬各個生產(chǎn)環(huán)境的場景，用很低的成本完成整個生產(chǎn)線的加工過程，并且可以通過對程序的編輯來模擬加工過程，預知在實際加工過程中可能出現(xiàn)的問題，隨時調(diào)整生產(chǎn)線布局，直至模擬出合理的生產(chǎn)線結構。降低了企業(yè)設計成本，增加了企業(yè)生產(chǎn)線設計的可靠性[4-6]。

下面以汽車輪轂車標加工為例，利用PQArt 仿真軟件進行虛擬仿真平臺的搭建，并進行不同布局平臺的嘗試，說明不同布局在實際生產(chǎn)線中應用的場景，企業(yè)可根據(jù)使用環(huán)境，最終選擇出合理可靠的生產(chǎn)線設計，制造單元智能化仿真系統(tǒng)已經(jīng)集成了仿真的各個模塊，包括：執(zhí)行單元、總控單元、工具單元、分揀單元、打磨單元、倉儲單元、檢測單元和加工單元。用戶使用時可直接將該模塊拖入仿真界面輸入坐標即可完成平臺的搭建。

1 制造單元智能化集成仿真平臺流程設計

按照汽車輪轂車標加工的流程，車標在生產(chǎn)線上需經(jīng)過如圖1 所示加工工藝，工業(yè)機器人在倉儲工序將輪轂取出后送至打磨區(qū)進行打磨，打磨完成后送至數(shù)控加工中心進行車標加工，加工完成后再次打磨，打磨結束后送至檢測工序1 進行良廢品掃描，需要進一步處理的零件進入分揀區(qū)域，合格的產(chǎn)品進行檢測工序2 掃描，需進一步處理的產(chǎn)品再次送入分揀區(qū)域，合格的產(chǎn)品送回至倉儲工序，流程結束。

圖1 輪轂加工工藝流程

在工業(yè)機器人運行過程中，由于每一個環(huán)節(jié)并不是一步就能夠完成的，因此需要制定每一步的工藝流程，以倉儲工序為例，工業(yè)機器人在倉儲環(huán)節(jié)需經(jīng)過圖2 所示的動作才能完成此工序的全部動作。其他工序類似，均需制定該工序的完整流程。這就要求設計者對整體設計流程有足夠清晰的認識，因此更加突出了仿真設計的重要性。

圖2 倉儲工序工藝流程

2 制造單元智能化集成平臺虛擬仿真布局方案的設計

在實際生產(chǎn)線中要改變生產(chǎn)線的布局是一件很困難的事情，而在仿真軟件上改變仿真布局卻可以輕而易舉地實現(xiàn)。實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)不同的生產(chǎn)環(huán)境去改變生產(chǎn)線布局，這將存在一定的試錯成本，但如果在仿真平臺上實現(xiàn)，完成這一系列的操作，然后進行分析，就可以節(jié)省大量的時間，并減少了材料和人力的消耗。制造單元智能化集成仿真平臺的模塊如圖3 所示，模塊可以根據(jù)需要進行不同單元的連接，方便快捷，便于設計。

圖3 制造單元智能化集成仿真系統(tǒng)平臺

生產(chǎn)流程的不同，往往意味著生產(chǎn)線的設計需要進行相應調(diào)整。不同的生產(chǎn)線流程，工業(yè)機器人運行的軌跡不同，運行時間和效率相差也很大，不合理的生產(chǎn)線可能會造成時間和人力資源的大量浪費，因此需要根據(jù)實際的應用環(huán)境進行相應調(diào)整，下面以輪轂的初始位置為參考，對應不同布局說明根據(jù)不同生產(chǎn)需要采取相應布局的重要性。

2.1 倉儲處取輪轂布局

假設基于生產(chǎn)需要，輪轂在到達倉儲時，需要對倉儲輪轂進行整理，這部分工作主要包括將倉儲內(nèi)所有輪轂正面朝上并根據(jù)檢測工序內(nèi)容進行排序，那么機器人首先需要從倉儲內(nèi)抓取輪轂，在抓取輪轂后，機器人要回到初始狀態(tài)，當完成這一系列操作后，機器人要抓著輪轂到檢測工序進行輪轂信息檢測。一般情況下，檢測輪轂信息的標簽處于輪轂的正面，但是在倉儲單元中，有可能輪轂是正面向上的，這就導致了在抓取輪轂后，輪轂信息是朝上的。當移動機器人到檢測單元時，輪轂是處于視覺模塊的上方，輪轂信息此時是不能被檢測到的，所以需要把輪轂移動到打磨單元，利用打磨工序中的反轉模塊將輪轂進行翻轉處理后才能進行輪轂信息檢測。這就要求我們最好將輪轂的倉儲與打磨工序布置在臨近處，并且能夠在反轉后快速到達檢測區(qū)域，因此采用如圖4 所示的布局比較合理。

圖4 倉儲處取輪轂布局設計

倉儲處取輪轂布局仿真設計完成后，按照輪轂加工工藝流程，工業(yè)機器人在a 區(qū)執(zhí)行倉儲工序，完成后在d 區(qū)進行打磨工序打磨，期間如a 區(qū)進行倉儲工序含有整理環(huán)節(jié)時，可就近調(diào)用d 區(qū)和e 區(qū)，機器人在b 區(qū)執(zhí)行單元運行軌跡較短，節(jié)省大量運行時間。接著前往f 區(qū)加工輪轂車標，加工結束后再次返回d 區(qū)清理表面碎屑，清理干凈后至視覺區(qū)域e區(qū)進行下一步流程處理，由于g 區(qū)和a 區(qū)分別布置于執(zhí)行單元的兩側，縮短了分揀工序g 和倉儲工序a的存儲時間，并且方便于下一生產(chǎn)線的輪轂取放操作。另外，總控單元h 位于外側，方便監(jiān)控人員隨時監(jiān)控此條生產(chǎn)線的運行狀況，及時處理突發(fā)情況。

2.2 分揀處取輪轂布局

分揀處取輪轂則是銜接于上一條生產(chǎn)線的設計，當輪轂經(jīng)過前一條生產(chǎn)線的處理后由碼垛機器人放置于傳送帶上，如圖5 所示，傳感器檢測到輪轂后，傳送帶將輪轂傳送至相應道口，此時，工業(yè)機器人開始抓取輪轂，按照加工工序流程加工。

圖5 分揀處取輪轂布局設計

該布局針對輪轂初始位置位于g 區(qū)分揀單元，輪轂首先進入道口，將c 區(qū)工具單元靠近g 區(qū)則可以快速地選取夾爪工具，便于輪轂的夾取，取出輪轂后b 區(qū)執(zhí)行單元將輪轂送至e 區(qū)視覺檢測單元進行正反檢測，需要調(diào)整時則到d 區(qū)進行翻轉，翻轉區(qū)位于檢測區(qū)北側，如不需要調(diào)整則檢測完成后直接送至對面的倉儲區(qū)a 即可。完成全部輪轂的倉儲入庫后執(zhí)行加工工序流程，由于倉儲a、檢測e 與加工f位于執(zhí)行單元b 的四周，極大地縮短了機器人運行的距離，便于輪轂車標的加工。同樣，總控單元h 位于外側，方便監(jiān)控人員隨時監(jiān)控此條生產(chǎn)線的運行狀況。因此對于輪轂初始位置位于傳送帶上時，采用此種布局是最合理的選擇。

2.3 分揀單元位于一側取輪轂布局

當輪轂初始位置位于分揀單元傳送帶且倉儲位置需要將輪轂引入下一條生產(chǎn)線時，采用分揀單元位于一側取輪轂的布局方式則顯得較為合理，這種結構下，無論是碼垛機器人將輪轂置于傳送帶，還是另一個機器人在倉儲位置將加工好的輪轂取走，預留的空間都比較大，且兩條生產(chǎn)線位于加工單元的兩側，充當了零件加工工序的前后兩個階段，符合加工流程。整體布局如圖6 所示。

圖6 分揀單元位于一側取輪轂布局設計

該布局充分考慮前后銜接的兩條生產(chǎn)線操作的可行性，輪轂首次位于傳送帶處，傳感器檢測到輪轂后，g 區(qū)分揀單元將輪轂傳送至相應道口，機器人由初始姿態(tài)在執(zhí)行單元b 的作用下至c 區(qū)工具單元取夾爪后夾取輪轂至e 區(qū)檢測，檢測完成后根據(jù)e 區(qū)的檢測結果判斷是否需要翻轉，如翻轉則至d 區(qū)翻轉，不需要則直接傳送至a 區(qū)倉儲單元。待上一流程結束后，工業(yè)機器人按照加工工序開始本條生產(chǎn)線的加工，同理，將h 區(qū)總控單元置于頂端，用于監(jiān)控生產(chǎn)線的運行情況。

3 不同生產(chǎn)工序流程的程序設計

當布局設計結束后，需要考慮輪轂在加工工序中每一步的生產(chǎn)流程是否合適，因此需要進行程序的設計。機器人在仿真過程中主要考慮兩個方面，一是機器人臂長是否足夠抓取對應點上的輪轂；二是抓取輪轂后移動是否會碰撞其他模塊。只有在充分考慮這兩種情況的基礎上才能保證該布局在應用時不會因設計問題導致無法完成生產(chǎn)平臺的搭建。以倉儲處取輪轂布局為例，由于機器人的程序是靠每個點之間的軌跡移動進行編寫的，因此編程采用分組形式進行編寫，在完成軌跡點的編寫后，仿真平臺會根據(jù)編寫的程序，生成相應的機器人程序，也可將生成的機器人程序導入示教器進行實際生產(chǎn)線的模擬，進一步提高設計的可靠性，部分生成的仿真程序如圖7 所示。

圖7 機器人仿真程序設計

4 結 語

未來制造業(yè)將向著集成化、智能化以及聯(lián)網(wǎng)化的方向發(fā)展，這就對工廠生產(chǎn)線布局提出了更高的要求，智能化集成仿真平臺的出現(xiàn)，為合理布局提供了可能，不僅僅對于汽車生產(chǎn)等企業(yè)，不同生產(chǎn)車間的虛擬場景仿真有助于企業(yè)更加合理地配置生產(chǎn)工藝流程，而且有利于降低試錯成本，節(jié)省人力、物力及財力。

本文針對汽車輪轂車標加工這一工序流程，從布局分析到工序程序的編制詳細說明了制造單元智能化集成仿真平臺設計對生產(chǎn)線設計的影響，仿真平臺的出現(xiàn)極大地增加了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的靈活性。同時說明生產(chǎn)線的布局不止一種，在實際應用中應充分考慮現(xiàn)實情況，從設計環(huán)境、前后銜接生產(chǎn)線以及工序流程的可操作性出發(fā)，設計出合理最優(yōu)平臺結構，并且在各工藝流程中考慮機器人運行的仿真空間，及時調(diào)整可能出現(xiàn)的穿模等問題。