周中升，林 向，高 艷

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引 言

為降低企業(yè)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，工業(yè)生產(chǎn)的集成化、智能化成為企業(yè)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，如何建立可靠合理的生產(chǎn)線成為企業(yè)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題[1-3]。智能化集成仿真平臺(tái)的出現(xiàn)可以在軟件上模擬各個(gè)生產(chǎn)環(huán)境的場(chǎng)景，用很低的成本完成整個(gè)生產(chǎn)線的加工過(guò)程，并且可以通過(guò)對(duì)程序的編輯來(lái)模擬加工過(guò)程，預(yù)知在實(shí)際加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，隨時(shí)調(diào)整生產(chǎn)線布局，直至模擬出合理的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)。降低了企業(yè)設(shè)計(jì)成本，增加了企業(yè)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的可靠性[4-6]。

下面以汽車輪轂車標(biāo)加工為例，利用PQArt 仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真平臺(tái)的搭建，并進(jìn)行不同布局平臺(tái)的嘗試，說(shuō)明不同布局在實(shí)際生產(chǎn)線中應(yīng)用的場(chǎng)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(shè)計(jì)，制造單元智能化仿真系統(tǒng)已經(jīng)集成了仿真的各個(gè)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(cāng)儲(chǔ)單元、檢測(cè)單元和加工單元。用戶使用時(shí)可直接將該模塊拖入仿真界面輸入坐標(biāo)即可完成平臺(tái)的搭建。

1 制造單元智能化集成仿真平臺(tái)流程設(shè)計(jì)

按照汽車輪轂車標(biāo)加工的流程，車標(biāo)在生產(chǎn)線上需經(jīng)過(guò)如圖1 所示加工工藝，工業(yè)機(jī)器人在倉(cāng)儲(chǔ)工序?qū)⑤嗇炄〕龊笏椭链蚰^(qū)進(jìn)行打磨，打磨完成后送至數(shù)控加工中心進(jìn)行車標(biāo)加工，加工完成后再次打磨，打磨結(jié)束后送至檢測(cè)工序1 進(jìn)行良廢品掃描，需要進(jìn)一步處理的零件進(jìn)入分揀區(qū)域，合格的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)工序2 掃描，需進(jìn)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(cāng)儲(chǔ)工序，流程結(jié)束。

圖1 輪轂加工工藝流程

在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，由于每一個(gè)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(cāng)儲(chǔ)工序?yàn)槔?，工業(yè)機(jī)器人在倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)需經(jīng)過(guò)圖2 所示的動(dòng)作才能完成此工序的全部動(dòng)作。其他工序類似，均需制定該工序的完整流程。這就要求設(shè)計(jì)者對(duì)整體設(shè)計(jì)流程有足夠清晰的認(rèn)識(shí)，因此更加突出了仿真設(shè)計(jì)的重要性。

圖2 倉(cāng)儲(chǔ)工序工藝流程

2 制造單元智能化集成平臺(tái)虛擬仿真布局方案的設(shè)計(jì)

在實(shí)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(shí)現(xiàn)。實(shí)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(cuò)成本，但如果在仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，完成這一系列的操作，然后進(jìn)行分析，就可以節(jié)省大量的時(shí)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(tái)的模塊如圖3 所示，模塊可以根據(jù)需要進(jìn)行不同單元的連接，方便快捷，便于設(shè)計(jì)。

圖3 制造單元智能化集成仿真系統(tǒng)平臺(tái)

生產(chǎn)流程的不同，往往意味著生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。不同的生產(chǎn)線流程，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行的軌跡不同，運(yùn)行時(shí)間和效率相差也很大，不合理的生產(chǎn)線可能會(huì)造成時(shí)間和人力資源的大量浪費(fèi)，因此需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，下面以輪轂的初始位置為參考，對(duì)應(yīng)不同布局說(shuō)明根據(jù)不同生產(chǎn)需要采取相應(yīng)布局的重要性。

2.1 倉(cāng)儲(chǔ)處取輪轂布局

假設(shè)基于生產(chǎn)需要，輪轂在到達(dá)倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)，需要對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)輪轂進(jìn)行整理，這部分工作主要包括將倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)所有輪轂正面朝上并根據(jù)檢測(cè)工序內(nèi)容進(jìn)行排序，那么機(jī)器人首先需要從倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)抓取輪轂，在抓取輪轂后，機(jī)器人要回到初始狀態(tài)，當(dāng)完成這一系列操作后，機(jī)器人要抓著輪轂到檢測(cè)工序進(jìn)行輪轂信息檢測(cè)。一般情況下，檢測(cè)輪轂信息的標(biāo)簽處于輪轂的正面，但是在倉(cāng)儲(chǔ)單元中，有可能輪轂是正面向上的，這就導(dǎo)致了在抓取輪轂后，輪轂信息是朝上的。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人到檢測(cè)單元時(shí)，輪轂是處于視覺(jué)模塊的上方，輪轂信息此時(shí)是不能被檢測(cè)到的，所以需要把輪轂移動(dòng)到打磨單元，利用打磨工序中的反轉(zhuǎn)模塊將輪轂進(jìn)行翻轉(zhuǎn)處理后才能進(jìn)行輪轂信息檢測(cè)。這就要求我們最好將輪轂的倉(cāng)儲(chǔ)與打磨工序布置在臨近處，并且能夠在反轉(zhuǎn)后快速到達(dá)檢測(cè)區(qū)域，因此采用如圖4 所示的布局比較合理。

圖4 倉(cāng)儲(chǔ)處取輪轂布局設(shè)計(jì)

倉(cāng)儲(chǔ)處取輪轂布局仿真設(shè)計(jì)完成后，按照輪轂加工工藝流程，工業(yè)機(jī)器人在a 區(qū)執(zhí)行倉(cāng)儲(chǔ)工序，完成后在d 區(qū)進(jìn)行打磨工序打磨，期間如a 區(qū)進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)工序含有整理環(huán)節(jié)時(shí)，可就近調(diào)用d 區(qū)和e 區(qū)，機(jī)器人在b 區(qū)執(zhí)行單元運(yùn)行軌跡較短，節(jié)省大量運(yùn)行時(shí)間。接著前往f 區(qū)加工輪轂車標(biāo)，加工結(jié)束后再次返回d 區(qū)清理表面碎屑，清理干凈后至視覺(jué)區(qū)域e區(qū)進(jìn)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(cè)，縮短了分揀工序g 和倉(cāng)儲(chǔ)工序a的存儲(chǔ)時(shí)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(cè)，方便監(jiān)控人員隨時(shí)監(jiān)控此條生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況，及時(shí)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(shè)計(jì)，當(dāng)輪轂經(jīng)過(guò)前一條生產(chǎn)線的處理后由碼垛機(jī)器人放置于傳送帶上，如圖5 所示，傳感器檢測(cè)到輪轂后，傳送帶將輪轂傳送至相應(yīng)道口，此時(shí)，工業(yè)機(jī)器人開(kāi)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(shè)計(jì)

該布局針對(duì)輪轂初始位置位于g 區(qū)分揀單元，輪轂首先進(jìn)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(jué)檢測(cè)單元進(jìn)行正反檢測(cè)，需要調(diào)整時(shí)則到d 區(qū)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)區(qū)位于檢測(cè)區(qū)北側(cè)，如不需要調(diào)整則檢測(cè)完成后直接送至對(duì)面的倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)a 即可。完成全部輪轂的倉(cāng)儲(chǔ)入庫(kù)后執(zhí)行加工工序流程，由于倉(cāng)儲(chǔ)a、檢測(cè)e 與加工f位于執(zhí)行單元b 的四周，極大地縮短了機(jī)器人運(yùn)行的距離，便于輪轂車標(biāo)的加工。同樣，總控單元h 位于外側(cè)，方便監(jiān)控人員隨時(shí)監(jiān)控此條生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況。因此對(duì)于輪轂初始位置位于傳送帶上時(shí)，采用此種布局是最合理的選擇。

2.3 分揀單元位于一側(cè)取輪轂布局

當(dāng)輪轂初始位置位于分揀單元傳送帶且倉(cāng)儲(chǔ)位置需要將輪轂引入下一條生產(chǎn)線時(shí)，采用分揀單元位于一側(cè)取輪轂的布局方式則顯得較為合理，這種結(jié)構(gòu)下，無(wú)論是碼垛機(jī)器人將輪轂置于傳送帶，還是另一個(gè)機(jī)器人在倉(cāng)儲(chǔ)位置將加工好的輪轂取走，預(yù)留的空間都比較大，且兩條生產(chǎn)線位于加工單元的兩側(cè)，充當(dāng)了零件加工工序的前后兩個(gè)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(cè)取輪轂布局設(shè)計(jì)

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(cè)到輪轂后，g 區(qū)分揀單元將輪轂傳送至相應(yīng)道口，機(jī)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(cè)，檢測(cè)完成后根據(jù)e 區(qū)的檢測(cè)結(jié)果判斷是否需要翻轉(zhuǎn)，如翻轉(zhuǎn)則至d 區(qū)翻轉(zhuǎn)，不需要?jiǎng)t直接傳送至a 區(qū)倉(cāng)儲(chǔ)單元。待上一流程結(jié)束后，工業(yè)機(jī)器人按照加工工序開(kāi)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(yùn)行情況。

3 不同生產(chǎn)工序流程的程序設(shè)計(jì)

當(dāng)布局設(shè)計(jì)結(jié)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(jìn)行程序的設(shè)計(jì)。機(jī)器人在仿真過(guò)程中主要考慮兩個(gè)方面，一是機(jī)器人臂長(zhǎng)是否足夠抓取對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的輪轂；二是抓取輪轂后移動(dòng)是否會(huì)碰撞其他模塊。只有在充分考慮這兩種情況的基礎(chǔ)上才能保證該布局在應(yīng)用時(shí)不會(huì)因設(shè)計(jì)問(wèn)題導(dǎo)致無(wú)法完成生產(chǎn)平臺(tái)的搭建。以倉(cāng)儲(chǔ)處取輪轂布局為例，由于機(jī)器人的程序是靠每個(gè)點(diǎn)之間的軌跡移動(dòng)進(jìn)行編寫(xiě)的，因此編程采用分組形式進(jìn)行編寫(xiě)，在完成軌跡點(diǎn)的編寫(xiě)后，仿真平臺(tái)會(huì)根據(jù)編寫(xiě)的程序，生成相應(yīng)的機(jī)器人程序，也可將生成的機(jī)器人程序?qū)胧窘唐鬟M(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)線的模擬，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的可靠性，部分生成的仿真程序如圖7 所示。

圖7 機(jī)器人仿真程序設(shè)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

未來(lái)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(duì)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(tái)的出現(xiàn)，為合理布局提供了可能，不僅僅對(duì)于汽車生產(chǎn)等企業(yè)，不同生產(chǎn)車間的虛擬場(chǎng)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(cuò)成本，節(jié)省人力、物力及財(cái)力。

本文針對(duì)汽車輪轂車標(biāo)加工這一工序流程，從布局分析到工序程序的編制詳細(xì)說(shuō)明了制造單元智能化集成仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的影響，仿真平臺(tái)的出現(xiàn)極大地增加了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的靈活性。同時(shí)說(shuō)明生產(chǎn)線的布局不止一種，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)充分考慮現(xiàn)實(shí)情況，從設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出合理最優(yōu)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，并且在各工藝流程中考慮機(jī)器人運(yùn)行的仿真空間，及時(shí)調(diào)整可能出現(xiàn)的穿模等問(wèn)題。