基于智能制造的自动化产线建设研究

基于智能制造的自动化产线建设研究

郑少应，刘新军，李朝安、梁启超

(遵义精星航天电器有限责任公司,遵义 563000)

摘要：智能制造是当前制造业发展的必然趋势，而企业在向智能制造转型升级的过程中，需从传统手工作业的生产组织模式经过自动化改造再向数字化和智能化转变。自动化作为智能化的前提和基础，本文通过自动化产线的建设过程探究，实现某连接器壳体的自动化生产，为公司智能制造转型升级奠定基础，也为类似企业自动化产线建设提供参考。

关键词:智能制造  自动化  产线建设  上下料机构  机器人

引言

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基、富国之源，随着第四次工业革命的推进与发展，制造业转型升级向以人工智能、无人控制技术、虚拟现实技术等为主，世界各国纷纷加大对智能制造技术的重视与实施力度,同时新一代信息技术的迅猛发展有力推动制造业转型升级,传统制造业逐渐从手工作业的生产组织模式向“自动化、数字化、智能化”进行转变[1]。美国发布《先进制造业美国领导力战略》，其目标之一即是大力发展未来智能制造系统；德国发布《德国工业战略2030》强化对中小企业的支持，尤其是数字化进程，维护其在全球范围内维的技术主导权；日本发布《日本制造业白皮书》结合日本制造业现状及面临问题，开放限定地域内的无线通信服务，通过推进地域版5G,鼓励智能工厂的建设；法国制定《新工业法国》等计划,引导制造业向着自组织、自适应、自调节、自决策的智能化发展；我国颁布《中国制造2025》，标志着智能制造成为我国制造业转型升级的主攻方向。

除了国家以外，企业也在进行积极的探索向智能制造转型升级。如西门子凭借自身在装备和自动化技术上的优势，通过合作、并购不断补齐数据、软件等信息技术的短版，打造全面化智能制造解决方案体系；如宁德时代从成立初期即着手布局数字化战略，引入自动化设备并打造产线，通过“系统升级→万物互联→数据赋能→AI助力”的数字化转型，突破了生产经营的困境和外部市场的压力，实现了从“制造”到“智造”的跨越。作为典型离散型制造企业，公司当前积极推进机械化换人、自动化减人向智能化无人方向转型升级，自动化作为智能化的前提和基础，通过自动化产线建设按预先设定的规则和条件高效安全稳定实现指定任务，为智能化提供了各种不同的应用场景和数据，推动智能化的发展和应用。

1、自动化产线组成和功能

自动化产线是指由自动化机器体系实现产品工艺过程的一种生产组织形式。根据功能划分，自动化产线由控制系统、传送系统和执行系统组成。在生产线运行过程中，通过控制系统预先设定的逻辑程序驱动执行系统自动完成装卸、加工、检验等，而传输系统实现产品从毛坯到成品输出的中间工艺过程。按组件模块划分，自动化产线由机器人、传感器、控制器、执行机构、仓储机构、自动化设备、通信系统、软件系统以及安全防护装置等组成，各组件功能如表1所示。

表1  产线组件及功能简介

过程自动化产线是实现生产全流程智能优化运行的基础，其不仅要求工序内各单元/设备的控制回路具有很好的性能，确保各单元/设备的工艺参数在目标值范围内，而且要按过程优化运行的指令与上下游工序的过程控制系统实现一体化协同控制，从而实现整个生产系统的产品质量、产量、消耗及成本等综合生产指标的优化控制[3]。

2、自动化产线设计和应用

作为传统典型离散型制造企业，生产过程对人工操作依赖性较大，一人多机模式下，操作人员劳动负荷高，人机匹配无法均衡，不能满足当前高质量、低成本和准交付的市场需求。为破解以上窘境，公司立足新发展阶段，贯彻新发展理念，构建新发展格局，积极推进机械化换人、自动化减人和智能化无人方向转型升级，以适应和引领经济发展新常态，提升公司市场竞争力。以下就公司某连接器壳体加工过程柔性自动化改造，探索生产过程无人值守加工。

2.1建线目标

确定

根据公司转型升级和战略发展规划要求，拟建设一条柔性自动化生产线，由机器人替代操作人员实现24小时无人值守加工，减少设备停机待料装夹时间，提升设备有效利用率；同时产线需具备与MES、NC及ERP等系统连接功能，初步建成黑灯工厂的生产制造系统。

2.2产品选型

当前零件制造不仅需满足稳定的精度质量和高效的生产需求，而且又要适应市场多样性、产品经常更新换代的新常态，故产线建设需满足大批量订单联线生产，小批量计划快速切换人工的模式。按工艺“六化”原则，即成线工艺工序成组化、毛坯系列化、刀具规范化、装夹通用化、编程模块化及参数固定化[4]，可供选型的产品有连接器矩形外壳类产品和罩壳类产品。对两款选型产品进行建线分析，外壳类产品从毛坯下料开始，在三轴立式加工中心上需要至少两道工序才能保证，且二序加工易受装夹定位误差影响，精度保证难度较高，需配合附零点定位系统的专用夹具以降低二次定位误差，保证零件精度；不同型号外壳结构大小不一，二序加工夹具不同，将导致夹具投入成本增加，夹具管理工作量增大；外壳类产品将创新改进为其他先进的低成本方法加工，后续市场需求量不稳定，且产品机加附加值不高，建线后的收益回本增效慢，且存在市场无需求后投入的夹具无法使用，造成更多成本浪费的风险。罩壳类零件可实现四轴加工中心一道加工成形保证，根据产品市场近三年需求分析，订货需求饱满平稳，产品附加值高，经对比分析，以“核心能力做加法，一般能力做减法”为原则，公司优先选择工序集成度较高、设备精度高和加工稳定可靠的四轴立式加工中心为建线设备，选择工艺集成度较高、市场需求平稳和附加值更高的罩壳类产品为加工对象。

罩壳类零件通过工艺优化后，毛坯统一为指定规格的板料，在上料环节人工以标准块对照装夹，然后扳手拧紧固定毛坯，关闭机床门后启动加工，完工后切断面预留连接余量避免切削液冲刷过程将成品冲落，打开机床门手动扳断成品并摆盒放置，松开锁紧螺栓后，以标准块对照将原材料拔出到指定位置，循环以上操作实现产品连续加工，具体操作流程如图1所示。产线建设将以机器人替代人工操作，使机器人实现自动上料、取件和摆盒，人工仅负责原材料准备和成品回收工作。

图1 零件加工操作流程图示

2.3产线布局设计分析

根据市场订单需求、现有设备资源和转型升级规划，首期投用4台设备以机器人“一拖四”实现产线建设加工。如图2所示的四种选型方案中，从左至右对应方案一到方案四，其中方案一设备成“一字型”排布，机器人通过设备改装的侧开门进出上下料，上下料工位集中一处成垂直分布，定置于安全防护网内；方案二设备正面相对分布于导轨两侧，机器人通过设备正面开门进出上下料，上下料工位随设备布局水平分布在导轨两侧，操作人员能在安全围栏外备料取件；方案三设备分布在导轨两侧，同侧设备操作面板正向相对，机器人通过设备改装的侧开门进出上下料，上下料工位水平分布，操作人员能在安全围栏外备料，但取件需进入安全防护围栏内操作；方案四设备分布在导轨两侧，同侧设备操作面板正向相对，机器人通过设备改装的侧开门进出上下料，上下料工位垂直分布，操作人员可在安全防护围栏外备料取件。

图2 产线布局

根据布局结构分析，方案一和方案二占地面积较大，方案三和方案四占地面积小，布局较为紧凑；根据上下料布局分析，方案一和方案四垂直分布较为紧凑，人员上下料走动量较少，其次方案三较方案二布局紧凑，但方案二在上下料过程中物理间距大，能有效防混料质量问题发生；根据操作安全分析，方案二和方案四可在安全防护网外上下料，方案一、方案三和方案四可在安全防护网外调试操机，布局安全性方案四更优。综上分析，优选如下布局：设备分布导轨两侧，同侧设备相对布置，机器人侧门进出上下料，而上下料工位集中垂直布置于产线一侧，操作人员可在安全防护网外上料取件。

2.4上下料机构设计选型

根据以上分析，上下料布局优选集中垂直分布模式，因零件为铝合金材料，需对成品做好防腐控制，收料箱内盛放防腐油，既对成品实现防腐，又避免机械手取放成品时掉落砸伤，上下料机构设计方案如图3所示。方案一在上料台放置原材料后，机械手上料爪采用吸盘吸附毛坯上料，完工后取料夹爪夹持成品放入盛放装防腐油的收料盒，人工在防护围栏外将收料盒取出再拾取成品件；方案二布局与方案一类似，但上料机构是通过拨料爪将原材料从料仓推送到上料工位，机械手上料爪从上料工位夹持毛坯上料，完工后取料爪将成品放入收料盒，人工按取料按钮后，气缸推送收料盒到取料工位，人员在防护围栏外拾取成品件；方案三直接以上下料机构为围栏，需要上下料时按下人工操作按钮，阻断机器人到上下料机构处作业，上料仿照书架模型，人工在物料架外侧将毛坯按摆放书一样放入上料工位，启动机器人到上下料工位的作业按钮后，机械手从内侧直接夹持毛坯上料，完工后将成品放入收料盒，人工在外侧直接取料，日常运行中可将防护门关闭，使产线布局更美观。

图3 上下料机构

方案一受原材料表面质量凹凸一致性影响，上料夹爪吸附精度稳定性不足，人工上料工位与机械手取料工位重合，安全防护在物理隔离方面较差，同时完工取料方式相对较为笨重，便利性较差；方案二机械手在上料前自动检测毛坯尺寸，合格后再取毛坯中部夹持上料，保证夹持上料精度稳定可靠；在上料和取件过程中与机器人实现物理隔离，安全性较高，完工取件操作方便，但机构易损件较多，过程稳定性受限于易损件使用寿命；方案三上料取件操作直接，机器人检测毛坯尺寸合格后夹持毛坯中部上料，夹持精度稳定受控，安全性相对方案二在物理空间隔离较不足，但上下料通过人工操作按钮启停能避免与机器人作业干涉。综上分析，优选放料取件便捷、操作安全稳定的方案二。

2.5机器人选型

在自动化产线中，机器人作为连接仓储和加工设备之间的纽带，根据控制系统发出的执行指令，从上料仓拾取毛坯装入设备，从设备拾取成品放入收料盒内，取代原先人工上料、装夹和取件的过程，实现高效、稳定、可靠和安全生产。在产线中，机器人除传输物料外，在取件时需要仿真人工柔性扳断连接毛坯，完工后再将成品和原材料精准放到指定位置，结合产线运行稳定性、功能实现经济性分析，优选六轴机器人加第七轴地轨模式。根据建线设备正常装夹极限工位到改装侧门的距离大约830mm，预留维修空间距离至少800mm，机器人臂展长度至少1630mm；在上料取件过程中，机器人负载最大在毛坯夹持上料过程，毛坯重量按最大规格计算不超过5kg，关于机器人选型，国产机器人如新松T20A-18、埃夫特ER20-1700、埃斯顿ER20-1780可满足要求，进口机器人如日本法拉克M-20iD/25、瑞士ABB的IRB2600-20/1.65和德国库卡KR20-1810等可满足要求，根据市场调研最终选择性价比较高的法拉克M-20iD/25。

2.6辅助工装设计

设备能否合格加工成品零件取决于辅助工装的合理性。原先四轴夹具主要由一块压板和六颗锁紧螺栓组成，人工以标准块对照装夹上料，本次产线建设将人工装夹锁紧替代为机器人执行，夹具设计须至少满足以下要求：夹持力足够，保证毛坯锁紧稳定可靠；涉及夹具改装的，改装后夹具强度满足要求，必须保证产品加工过程稳定性；涉及夹具改装的，改装后夹具不能与现有机床附件干涉，避免因夹具不当而替换整套机床附件，增加产线投入成本。根据以上要求，夹具设计思路如下：方案一，不改变锁紧方式，每次装夹过程通过机械手配置的扭矩扳手拧松螺栓，在夹具上增加自适应定位装置，且定位装置不能与现有刀柄干涉，以保证分层拔料时的定位准确性和加工过程的安全性；方案二，改螺栓拧紧为自动锁紧方式，锁紧采用气缸锁紧或液压缸锁紧方式，同时增加自适应定位机构，保证分层加工定位稳定性。方案二需要改造四轴桥板结构，增加气压或液压油路，既能满足夹具本身强度和精度要求，又能实现气缸或液压缸锁紧定位功能；改装后的夹具不能与现有刀柄干涉，夹持力必须稳定可靠，夹具系统增加保压手段，避免断电断气时夹持力不足导致工件飞溅，发生安全事故；

图4 辅助工装

方案一在现有的四轴夹具上改动量最少，增加了两个定位用的预夹紧气缸，根据实际手动拧紧的应用，扭矩扳手和锁紧螺栓接触面易磨损，需增加扭矩传感器，及时识别锁紧异常并提示人员更换扭矩扳手或螺栓，期间零件合格稳定性受限于扭矩扳手或锁紧螺栓寿命；两个预紧气缸置于压板两端，装夹以靠近其中一端实现X方向定位，根据不同型号产品大小不一，实际毛坯料长度也是变化不一的，遇到短料时另一个气缸无法起锁紧定位作用，分层拔料定位精度不足。方案二优选液压缸锁紧，压板优化为浮动压爪，模拟螺栓单点锁紧，避免毛坯板料厚度不一致导致锁紧不稳问题；长度方向以横置的气缸自适应预顶紧定位，保证每次拔料长度方向定位精准一致；高度方向靠机械手控制定位行程保证精度，该方案锁紧效率高、稳定性较好，精度更可控，但四轴桥板增加油路改装后局部成中空结构，较方案一夹具强度较低，同时增加配件较多，四轴转台的负荷相对较大。

2.7应用效果评估及后续展望

通过以上方案论证选型确定，产线各组件配齐，设备经过侧门改造，冷却喷淋系统改造，通信系统和软件系统联通，产线调试运行正常后，已正式投用生产。经人工备料完成和调试合格后，可实现设备24小时无人值守加工，设备利用率从原先77%提升到88%以上，实现建线初设定目标。后续逐步优化柔性产线，增加刀具磨损检测识别系统，零件完工在线检测系统，完善基础数据采集，并与 MES 进行集成，实现物料齐套信息的自动传输，柔性自动生产线作为智能制造工厂智能化生产的制造执行系统，可以该条柔性产线为试点，基于数字孪生技术实现库存周转分析和货位分析优化，为公司转型升级建立黑灯工厂助力。

3、结论

本文通过对智能制造发展现状分析，发现自动化是智能化的前提和基础；结合自动化产线的组成和功能分析，在公司转型升级的新发展阶段

，通过建线目标确定、产品选型、产线布局分析、上下料机构选型、机器人选型和辅助工装设计等过程探索，完成某连接器罩壳类零件柔性自动化产线建设；作为智能制造工厂智能化生产的制造执行系统，自动化生产线为助力公司向智能制造转型升级奠定基础，也为类似企业自动化产线建设提供参考。

参考文献

[1]  李轩,郑练,李济龙,毛旭敏,黄秋霖,顾非.黑灯工厂发展路径探究[J].新技术新工艺,2022,000(012):7-17.

[2]  周海,叶兵.机器人的发展现状及应用前景[J].装备制造技术,2017,000(009):47-49.

[3]  金晓明.过程自动化系统的发展现状与展望[J].化工自动化及仪表,2024,051(001):1-9.

[4]  倪冬,夏志刚,刘佳林.直升机制造企业基于产品聚类的关重件"数智化"工厂建设[J].金属加工（冷加工）,2024,000(001):24-31.