賴麗娟LAI Li-juan；楊英明YANG Ying-ming；陳海珍CHEN Hai-zhen；吳洪升WU Hong-sheng；張永陽ZHANG Yong-yang

（北京理工大學珠海學院，珠海 519000）

1 概述

1.1 背景分析

隨著德國“工業(yè)4.0”、美國“工業(yè)互聯(lián)網”浪潮席卷全球，“中國制造2025”成為國家重要戰(zhàn)略，中國制造業(yè)企業(yè)在轉型升級過程中面臨諸多問題，例如自動化、智能化、數(shù)字化設備和技術的應用和升級。其中，各類制造企業(yè)普遍開始采用機器人上崗，以期提升生產效率、降低人工成本或保證員工身體健康等。企業(yè)采用傳統(tǒng)機器人會面臨各種問題，例如部件成本高，難以滿足小批量、定制化、短周期等需求，或者人機協(xié)作較差，不安全等等。因此，新型機器人的應用需求應運而生并且火爆市場——協(xié)作型機器人。

新型協(xié)作機器人普遍具有明顯的應用優(yōu)勢，在保證整體提高企業(yè)自動化水平和作業(yè)安全的前提下，以優(yōu)秀的安全、人性化、智能化來靈活地輔助人愉快工作，更好地實現(xiàn)企業(yè)小批量、定制化生產。在可預見的將來，協(xié)作機器人的開發(fā)、應用必將在制造業(yè)中占據極其重要的地位。

1.2 市場現(xiàn)狀

H 公司是全球連接器最大的供應商之一，于1998 年在珠海建立分公司，主要生產和銷售自產的各種電氣和電子連接器、電磁螺管、光纖連接器及附件、電子連接線的裝配并從事以上產品的研發(fā)和售后服務。

連接器是H 公司的主營產品，主要采用鋁合金和鋅合金兩種材料進行加工，鋁合金和鋅合金是工業(yè)中應用非常廣泛的一類有色金屬結構材料。該產品具有優(yōu)化的防水、防塵和防冰設計，使用壽命長的特點。在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè)中已大量應用。該產品的加工流程一般是壓鑄→取水口→打磨→檢查光潔度→半成品存放區(qū)。

1.3 改善前的生產工序

首先激光打標模塊是通過操作員1 將產品連接器放入機器進行激光打標，接著將打標完的產品擺放在固定區(qū)域，然后由機械裝配模塊由操作員2 進行加工（操作員2先將鉚釘插入滾筒然后將其插入連接器外殼，最后放在夾具中加工，連接器兩邊都要加工，另一邊同上操作），其中機械裝配所需時間較長，為瓶頸工序，因此激光打標的操作員1 還需負責最后的打包操作。

1.4 改善后的生產工序設計

操作員1 一人要負責兩個工位，需要經常來回跑動，疲憊不堪，而操作員2 負責的工序為瓶頸工序，耗時長且過程重復易疲勞，因此根據產品的特點和生產的工藝流程，本文設計了一條基于5G 技術的機器人智能生產線，如圖1 為其工藝程流程圖，其中操作員1 負責激光打標過程，將打標好的連接器放入暫存區(qū)，另外在等待激光打標的過程中負責將鉚釘插入套筒中并放入設計好的固定盤中，裝滿盤子后將其放入設計好的中轉臺中，然后原來機械加工的操作員2 用達明機械臂代替，機械臂通過識別拾取連接器放入中轉臺，并拾取盤中裝好的鉚釘套筒進行安裝，安裝好之后放入夾具進行機械加工，另一邊也如此。最后打包過程由原來機械加工的操作員2 負責。

圖1 連接器改善后工藝流程圖

2 方案分析

2.1 仿真分析

Flexsim 是一個基于Windows 的，面向對象的仿真環(huán)境，用來建立各種經營、管理、制造等模型。

改善前如圖2 所示為連接器加工過程：操作員1 在暫存區(qū)1 拿貨然后在處理器1 進行激光打標后放到暫存區(qū)2，操作員2 將連接器由暫存區(qū)2 拿再到處理器2 進行機械裝配，裝配完之后放在暫存區(qū)3，當暫存區(qū)3 堆積到10個時，操作員1 停止激光打標過程，去進行處理器3 的打包過程，最后進入吸收器1。運行時間為8h，其中處理器1激光打標的加工時間為9s，處理器2 機械裝配的加工時間為12s，處理器3 打包的時間為3s，為運行8h 后吸收器的吸收量，即日總生產量為1570（圖4）。

圖2 改善前仿真模型

圖3 改善后仿真模型

改善后，操作員1 仍然在暫存區(qū)1 拿貨放在處理器1進行激光打標后放到暫存區(qū)2，然后有機器人將連接器由暫存區(qū)2 再拿到處理器2 進行機械裝配，裝配完之后放在暫存區(qū)3，最后由操作員2 去進行處理器3 的打包過程，最后進入吸收器1。運行時間為8h，其中處理器1 激光打標的加工時間為9s，處理器2 機械裝配的加工時間降為3.5s，處理器3 打包的時間為3s，為運行8h 后吸收器的吸收量，即日總生產量為2150（圖5）。

圖5 改善后仿真數(shù)據

在改善前操作員1 一人要負責兩個工位，需要經常來回跑動，疲憊不堪，而操作員2 而負責的工序為瓶頸工序，耗時長且過程重復易疲勞，因此根據產品的特點和生產的工藝流程，本文設計了一條基于5G 技術的機器人智能生產線，通過該數(shù)據可知，改善后日產量增加了580 個，比原生產方式提高了36.9%的生產效率。改善后仿真模型如圖3。

2.2 流程程序分析

流程程序分析是程序分析中最基本、最重要的分析技術。它以產品或零件的制造全過程為研究對象，把加工工藝劃分為加工、檢查、搬運、等待和儲存等五種狀態(tài)加以記錄。流程分析是對產品和零件整個制造過程的詳細分析，尤其適用于對搬運、儲存、等待等隱藏成本浪費的分析。通過改善，在原有工序上減少了一道等待工序和檢查工序，簡化了裝配工序，用機械臂代替人力。從整體流程上分析，通過改善，生產時間從原來的32 秒減少為18.5 秒，縮短了13.5 秒。

2.3 經濟性分析

通過產品的成本、利潤之間關系的分析，研究在不同經營條件下經濟的質量，以求得企業(yè)和社會最佳經濟效益的方法。常常被簡化稱之為“經濟分析”。

H 公司的該零件為主力產品，產量占整個公司產品的49.8%，提高該產品的效率有很高的經濟效益，通過調查分析得出，該產品最后的組裝工藝是該產線的瓶頸，通過設計一條人機協(xié)作的智能產線來提升效率。

H 公司的年固定成本為20000 元，該產品單位變動成本為20 元/件，銷售價格為22 元每件，通過Flexsim 仿真輸出的結果，改善前的日產量為1500 件/天，改善后的日產量為2150 件/天，TM5-70000 的成本為100000 元，考慮新設備的上手時間，初始一星期速度為正常速度的80%，一個星期后可以達到100%。

效率增長率l：l=（2150-1570）/1570=36.9%

學習率為r：r=（100%-80%）/6=3.33%

單位邊際利潤為a：a=22-20=5 元/件

第一個星期邊際利潤為p：

解得p=16687 元

解得K=86 天，折合成月為3.4 月。

通過經濟效益的分析得出，在考慮當前利潤的同時，該新設備的回收期為3.4 月，符合經濟效益最大化，建議加入新設備。

2.4 安全性分析

本設計采用了TM Robot 系列產品，型號為TM5-700。該系列的機器人為工業(yè)自動化需求而打造，具備內建視覺，能解決人與機械或機械與機械間布署合作的隔閡問題，在安全性方面具有天然的優(yōu)勢。在生產過程中，人與機械可以安全協(xié)同作業(yè)，突破傳統(tǒng)生產上遇到的瓶頸與障礙，結合人和機器工作上不同的特點，形成智能化產線。

在運用達明機器人的同時，為了進一步提高安全性，增加了緊急制動系統(tǒng)（ABES），這個系統(tǒng)可以需要時快速切斷電源，這個系統(tǒng)有兩個按鈕，分別為“紅”和“綠”色，紅色按鈕為“緊急制動”按鈕，綠色為“重啟”按鈕。

2.5 可靠性分析

采用并聯(lián)模型。組成系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)或單元都失效或出現(xiàn)故障時才會失效或出現(xiàn)故障的系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng)。

采用容差設計。容差技術能夠對故障容忍，但并非無視故障的存在，它首先要自動地實時監(jiān)測并診斷出系統(tǒng)的故障，然后采用對故障的控制，事后處理的策略，根據故障的不同情況，一個容差系統(tǒng)的容差所包含的內容為故障限制、故障檢驗、故障屏蔽、重試診斷、重組、恢復、重啟動、修復及構成。

3 方案評估

3.1 方案評估

本方案基于人因工程學以達明智慧型協(xié)作機器人代替人進行重復繁瑣的操作，從而減輕人的負擔、提高生產效率與自動化水平。通過Flexsim 仿真分析法分別對改善前的和改善后的流程進行仿真，得到改善前的日生產量為1570，改善后的日生產量為2150，改善后日產量增加了580，比原生產方式提高了36.9%的生產效率。然后經過流程程序分析可知在原有工序上減少了一道等待工序和檢查工序，簡化了裝配工序，用機械臂代替人力。生產時間從原來的32 秒減少為18.5 秒，縮短了13.5 秒。通過經濟效益的分析得出，在考慮當前利潤的同時，該新設備的回收期為3.4 月，符合經濟效益最大化。通過對可靠性的設計，對機器人運行環(huán)境的適應力實驗，使得機器人具有更強的穩(wěn)定性，降低生產異常、質量異常的情況，提高生產線的稼動率。

3.2 方案推廣

通過上文對達明協(xié)作機器人的應用若能在實際操作中取得成功，便可以推廣到多種同類型的裝配生產線。此外協(xié)作機器人的主要特點之一就是靈活開放，可以使其具有更高的拓展性和移植性，可以代替人工做危險、重復、力量大的工作。協(xié)作機器人可以擔任許多角色，通?？梢詰迷诜招袠I(yè)和工業(yè)行業(yè)。比如，自動擰緊，在實際生產中擰緊是一項非常單調枯燥的工作，使用協(xié)作機器人將人解放出來，去從事一些更有挑戰(zhàn)性的工作。3D 分揀，給機器人裝上“眼睛”，使其能夠準確辨別抓取物料的大小、顏色和距離等，將雜亂的物料按照設定的規(guī)則進行分揀。將協(xié)作機器人引入服務行業(yè)是一件很吸引眼球的事情，協(xié)作機器人可以協(xié)作開啤酒、抓取酒杯或啤酒的工作。

4 總結

本章以H 公司連接器裝配線為背景，通過對裝配線的各個工序進行分析，發(fā)現(xiàn)工序一中存在操作員等待時間長，工序二中操作時間長，成為生產的瓶頸。因此本文進行了生產工序設計、整體設計和人因工程設計，并運用Flexsim 軟件對改善前后進行仿真對比，發(fā)現(xiàn)改善前的日總生產量為1570，改善后的產量為2150，改善后日產量增加80，生產率提高36.9%。為確保方案的可行性，本文進行了經濟學分析、安全分析、可靠性分析和仿真分析，得到購買協(xié)作機器人作為新設備的回收期為3.4 個月，符合經濟效益最大化；使用達明機器人保障性大大提高，產線更加安全；并聯(lián)模型和容差設計可以提高系統(tǒng)的可靠性。綜上所述，方案充分考慮了人的安全和經濟效益問題，建議引進協(xié)作機器人，對產線將起到很好的效率提升、成本降低和保障作用。