謝 暉，任 磊，王杭燕，周國(guó)輝

（湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

目前，智能電表應(yīng)用與各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，企業(yè)必須采用先進(jìn)的制造技術(shù)，才能滿足現(xiàn)代制造階段制造業(yè)的高效率、低成本、高質(zhì)量生產(chǎn)的要求。在此要求下，基于仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字化工廠技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)工業(yè)生產(chǎn)的虛擬規(guī)劃和仿真優(yōu)化，在現(xiàn)代制造領(lǐng)域中具有極大的研究?jī)r(jià)值。數(shù)字化工廠是指以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)具有其鮮明的特征。它的出現(xiàn)給基礎(chǔ)制造業(yè)注入了新的活力，主要作為溝通產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的橋梁。

數(shù)字化工廠已經(jīng)成為先進(jìn)制造領(lǐng)域中一個(gè)全新研究領(lǐng)域，是目前眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)。清華大學(xué)CIMS中心開(kāi)展的數(shù)字化工廠技術(shù)的研究[1]，以 PDM的虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)、虛擬制造平臺(tái)、虛擬生產(chǎn)平臺(tái)和虛擬企業(yè)平臺(tái)等四個(gè)方面為基礎(chǔ)建立虛擬制造研究基地；同濟(jì)大學(xué)馬玉敏等分析了敏捷制造環(huán)境下，制造系統(tǒng)的合理規(guī)劃對(duì)制造系統(tǒng)中物流的合理性起到關(guān)鍵性作用。并以生產(chǎn)線規(guī)劃為例，討論了其規(guī)劃設(shè)計(jì)的方法、面向?qū)ο蠓椒ㄏ碌慕＃约霸诿嫦驅(qū)ο蠓抡孳浖M-Plant(simple++)環(huán)境下的具體實(shí)現(xiàn)方式[2]；上海交通大學(xué)何其昌提出一種新的基于數(shù)字化工廠理論采用可視仿真建模技術(shù)布局規(guī)劃方法。

可以看出目前針對(duì)數(shù)字化工廠技術(shù)的研究大多偏向校內(nèi)研究層面，具體運(yùn)用到企業(yè)項(xiàng)目案例較少。本文針對(duì)某企業(yè)一具體型號(hào)智能電表生產(chǎn)案例設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與干涉分析，優(yōu)化生產(chǎn)線整體生產(chǎn)節(jié)拍，將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于具體的工程實(shí)例中，意義重大。

1 智能電表現(xiàn)狀與需求

目前，生產(chǎn)線大部分制程仍采用人工作業(yè)，生產(chǎn)線自動(dòng)化程度整體水平較低；非標(biāo)自動(dòng)化線生產(chǎn)柔性差，閑置情況時(shí)常出現(xiàn)，設(shè)備利用率低；關(guān)鍵工位仍采用手工作業(yè)，對(duì)產(chǎn)品沒(méi)有相應(yīng)的保護(hù)措施，容易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，具體的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀況如圖1所示。

針對(duì)以上的生產(chǎn)現(xiàn)狀，基于數(shù)字化工廠技術(shù)建立一條自動(dòng)化程度更高、生產(chǎn)效率更高、產(chǎn)品質(zhì)量更高的自動(dòng)化生產(chǎn)線就顯得尤為重要。數(shù)字化工廠數(shù)是智能制造的基礎(chǔ)。在數(shù)字化工廠里，企業(yè)產(chǎn)品全生命周期的活動(dòng)建立了共享的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，形成有用的信息，并按需顯示。共享數(shù)據(jù)庫(kù)利用相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，模擬仿真實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，達(dá)到最優(yōu)化的生產(chǎn)過(guò)程；實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的同步化。建立數(shù)字化工廠的目標(biāo)是縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、按時(shí)交貨、降低庫(kù)存、提高產(chǎn)品質(zhì)量、快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，從而滿足客戶個(gè)性化需求，提高企業(yè)效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[3]，數(shù)字化工廠系統(tǒng)具體內(nèi)容如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀況

圖2 數(shù)字化工廠系統(tǒng)

2 智能電表自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

2.1 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)布局

生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括生產(chǎn)線線體和加工工序設(shè)備組成，生產(chǎn)線線體負(fù)責(zé)及時(shí)準(zhǔn)確把被加工電能表運(yùn)送到加工位置，加工工序?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備的加工處理。根據(jù)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及電裝機(jī)器人插件及自動(dòng)后焊工藝需求，整體設(shè)計(jì)布局如圖3所示。

圖3 整體布局圖

2.2 生產(chǎn)線方案介紹

電裝機(jī)器人插件及自動(dòng)后焊由電裝機(jī)器人插件、自動(dòng)后焊、原料供應(yīng)模塊線組成。PCBA板由自動(dòng)上板機(jī)上如輸送線，其他原件由自動(dòng)插件機(jī)插入PCB板，元器件來(lái)料方式有管料送料、編帶送料、振動(dòng)盤(pán)送料及托盤(pán)送料等模式。插件完成后，輸送線將PCB板帶入波峰焊進(jìn)行焊接，然后進(jìn)入執(zhí)錫線，經(jīng)人工補(bǔ)焊后進(jìn)入1M接駁臺(tái)。然后人工上托盤(pán)，PCB插件，人工插件，加蓋板，翻轉(zhuǎn)180°，經(jīng)自動(dòng)焊接后清潔電路板，人工目測(cè)，機(jī)器人下料，托盤(pán)經(jīng)回流線自動(dòng)回流。

1）自動(dòng)焊接單元

輸送帶結(jié)構(gòu)組件與功能如表1所示，自動(dòng)組裝線輸送帶如圖4所示。

表1 輸送線結(jié)構(gòu)與功能

圖4 輸送線3D圖（局部）

通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶，完成夾具的的上料輸送，定位機(jī)構(gòu)采用氣缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾具的緊缺定位。上層輸送線完成電路板及夾具托盤(pán)的輸送與定位，下層輸送線實(shí)現(xiàn)空托盤(pán)的輸送。

2）異形原件插機(jī)件裸機(jī)

通過(guò)供料器排列物料，通過(guò)4軸機(jī)器人抓取物料并插件。裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，具體包括供料器（負(fù)責(zé)排列物料，剪掉多余針腳）、4軸機(jī)器人（負(fù)責(zé)抓取物料、插件）、兩條輸送線（一條負(fù)責(zé)PCBA及夾具托盤(pán)的輸送與定位，另一條負(fù)責(zé)夾具托盤(pán)的輸送）、擋停（負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)夾具托盤(pán)的精確定位）。

圖5 電路板輸送線結(jié)構(gòu)（局部）

通過(guò)供料器排列物料，并剪斷多余針腳。排列完成后，機(jī)器人抓取相應(yīng)物料，并靠真空力保持，機(jī)器人移動(dòng)到相應(yīng)位置將抓取的物料插入PCBA板中。

3）底盒自動(dòng)除塵單元

通過(guò)機(jī)械手，完成單相表底殼抓取工作，首先底殼抓取至除塵工位進(jìn)行除塵和二次定位，除塵完成后由機(jī)械手抓取至總裝線托盤(pán)上。底殼上料結(jié)構(gòu)如圖6所示，總裝線托盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 底殼上料結(jié)構(gòu)（局部）

圖7 總裝線托盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

吸盤(pán)夾具配合底殼上料機(jī)械手完成電能表底殼抓取搬運(yùn)；電能表的底殼除塵底殼除塵機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；電能表通過(guò)雙軌輸送系統(tǒng)進(jìn)行輸送與定位；電能表底殼的物料通過(guò)底殼物料輸送線進(jìn)行輸送。

3 生產(chǎn)線方案仿真與優(yōu)化

智能電表自動(dòng)化生產(chǎn)線的總體仿真流程如圖8所示。運(yùn)用三維建模軟件Catia建立智能電表自動(dòng)生產(chǎn)線的三維數(shù)模，然后將三維數(shù)模導(dǎo)入仿真軟件Delmia中如圖9所示，PPR（product、process、resource）結(jié)構(gòu)樹(shù)由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)、工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)、資源結(jié)構(gòu)樹(shù)三部分組成[4]，分別表示對(duì)應(yīng)的信息。通過(guò)Delmia對(duì)機(jī)器人進(jìn)行路徑優(yōu)化與干涉分析，并結(jié)合已有的工藝數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析生產(chǎn)線布局，優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍等。

圖8 智能電表生產(chǎn)線仿真流程

圖9 Delimia中生產(chǎn)線布局

3.1 機(jī)器人路徑優(yōu)化與干涉分析

根據(jù)生產(chǎn)線布局、空間需求以及相關(guān)技術(shù)參數(shù)與要求，機(jī)器人型號(hào)選用KUKA KR6型，如圖10所示。各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)（如表2所示）完全符合技術(shù)要求。

圖10 KUKA KR6型機(jī)器人

表2 機(jī)器人參數(shù)

1）機(jī)器人路徑優(yōu)化

在DELMIA機(jī)器人庫(kù)中直接調(diào)用該型號(hào)機(jī)器人，在“Device Task Definition”工作臺(tái)之下，運(yùn)用“New Tag Group”命令為機(jī)器人建立路徑節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用“Teach a device”命令為機(jī)器人制定運(yùn)動(dòng)路徑，最后運(yùn)動(dòng)“TCP Trace”命令對(duì)指定的路徑進(jìn)行優(yōu)化[5]，使機(jī)器人能夠以最好的姿態(tài)跟最合適的速度來(lái)完成工作，機(jī)器人最終路徑優(yōu)化結(jié)果如圖11所示。

圖11 機(jī)器人路徑優(yōu)化

圖12 機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

在此過(guò)程中，可以通過(guò)Jog對(duì)話框?qū)崟r(shí)地查看機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況[6]，并可以查看各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是否超出工作范圍，還可以隨時(shí)調(diào)整各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角[12]，如圖13所示，可以看出在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度處于可達(dá)范圍之內(nèi)。在機(jī)器人路徑優(yōu)化過(guò)程中，還要注意很關(guān)鍵的一點(diǎn)，要盡量避免機(jī)器人出現(xiàn)奇點(diǎn)位置。

2）仿真干涉分析

當(dāng)DELMIA軟件中的“Clash Analysis”命令處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，仿真過(guò)程如果發(fā)生干涉碰撞時(shí)，發(fā)生干涉碰撞的工位與相應(yīng)的部件就會(huì)高亮顯示出來(lái)[7]。在此次仿真過(guò)程中“Clash Analysis”命令處于打開(kāi)狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)在機(jī)器人抓取電路板時(shí)與相關(guān)工位發(fā)生了干涉碰撞，如圖13所示。打開(kāi)“Clash”命令對(duì)干涉碰撞的程度進(jìn)行檢查，類型選擇“Contact + Clash”和“Between all components”可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)干涉，程度值為-1.12mm，其他部位的干涉為設(shè)備運(yùn)作的正常干涉，如圖14所示。通過(guò)后期對(duì)相應(yīng)位置的調(diào)整可以避免此干涉。

圖13 局部干涉

圖14 干涉數(shù)值分析

3.2 優(yōu)化結(jié)果

在對(duì)智能電表自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行整體節(jié)拍仿真分析時(shí)，DELMIA軟件中的Pert圖功能和Gantt圖功能起到了關(guān)鍵作用。通過(guò)Pert圖與Gantt圖來(lái)調(diào)整整體工藝路線以及衡量生產(chǎn)線的平衡，從而獲取最優(yōu)的生產(chǎn)節(jié)拍，生產(chǎn)線上的人員和設(shè)備得到最合理的工作分配，提高了設(shè)備使用率并降低了人工成本[8]。整條生產(chǎn)線在一定程度上得到了優(yōu)化。

1）節(jié)拍優(yōu)化

智能電表自動(dòng)生產(chǎn)線仿真的的Pert圖與Gantt圖分別如圖15和圖16所示。Pert圖可以直觀的對(duì)工藝順序進(jìn)行觀察、安排和管理，能協(xié)調(diào)整條生產(chǎn)線的各道工序[9]；Gantt圖可以根據(jù)時(shí)間進(jìn)度表示工件活動(dòng)，能夠直觀地表示楚項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)展情況。

圖15 Pert圖（局部）

圖16 Gantt圖（局部）

該智能電表自動(dòng)化生產(chǎn)線按單班（10小時(shí)）產(chǎn)能4000只設(shè)計(jì)，平均400只/小時(shí)；按無(wú)人輔助操作的模式設(shè)計(jì)，單班10小時(shí)產(chǎn)能為4000只，依照生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算公式 ：

其中CT表示生產(chǎn)節(jié)拍，T表示總時(shí)間，Q表示總產(chǎn)量[10]，可知生產(chǎn)節(jié)拍為：

2）人員與設(shè)備利用率優(yōu)化

生產(chǎn)線優(yōu)化前后人員分配如表3所示，優(yōu)化后白夜班節(jié)省人力：25人；每年可節(jié)省人力成本：125萬(wàn)；整體改善率達(dá)到49%。優(yōu)化前后主要設(shè)備利用率對(duì)比如圖17所示。

表3 人員優(yōu)化前后對(duì)比

圖17 設(shè)備利用率前后對(duì)比

經(jīng)驗(yàn)證，智能電表生產(chǎn)線符合平衡改善的ECRS準(zhǔn)則與冗余、穩(wěn)定、可靠、安全準(zhǔn)則（RSRS）。相對(duì)原有生產(chǎn)線，新的自動(dòng)化生產(chǎn)線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）節(jié)省成本。機(jī)器人的使用有效降低整線人工成本，自動(dòng)化流水線更能節(jié)省場(chǎng)地，使得整廠規(guī)劃更小更緊湊精致。

2）管理規(guī)范。原有生產(chǎn)線很難精確保證每天生產(chǎn)量，人工管理難度大。使用機(jī)器人生產(chǎn)后，人工使用減少，生產(chǎn)監(jiān)管更為規(guī)范。

3）生產(chǎn)效率高。機(jī)器人生產(chǎn)效率穩(wěn)定，成品率高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了某公司智能電表的全新自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)到仿真優(yōu)化過(guò)程。通過(guò)數(shù)字化工廠仿真平臺(tái)，可直觀地觀察機(jī)器人在工作過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀況，對(duì)機(jī)器人及設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行建模仿真，并對(duì)整體生產(chǎn)線進(jìn)行節(jié)拍優(yōu)化，很好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際，極大提升工程設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，減輕設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，縮短工藝規(guī)劃時(shí)間，優(yōu)化生產(chǎn)布局，避免機(jī)器人與設(shè)備間的干涉情況，減少不必要的浪費(fèi)[11]。

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