制造单元智能化集成仿真平台设计

周中升，林 向，高 艳

（扬州市职业大学，江苏 扬州 225009）

为降低企业成本，提高产品竞争力，工业生产的集成化、智能化成为企业未来发展的一个趋势，如何建立可靠合理的生产线成为企业面临的一个重要问题[1-3]。智能化集成仿真平台的出现可以在软件上模拟各个生产环境的场景，用很低的成本完成整个生产线的加工过程，并且可以通过对程序的编辑来模拟加工过程，预知在实际加工过程中可能出现的问题，随时调整生产线布局，直至模拟出合理的生产线结构。降低了企业设计成本，增加了企业生产线设计的可靠性[4-6]。

下面以汽车轮毂车标加工为例，利用PQArt 仿真软件进行虚拟仿真平台的搭建，并进行不同布局平台的尝试，说明不同布局在实际生产线中应用的场景，企业可根据使用环境，最终选择出合理可靠的生产线设计，制造单元智能化仿真系统已经集成了仿真的各个模块，包括：执行单元、总控单元、工具单元、分拣单元、打磨单元、仓储单元、检测单元和加工单元。用户使用时可直接将该模块拖入仿真界面输入坐标即可完成平台的搭建。

按照汽车轮毂车标加工的流程，车标在生产线上需经过如图1 所示加工工艺，工业机器人在仓储工序将轮毂取出后送至打磨区进行打磨，打磨完成后送至数控加工中心进行车标加工，加工完成后再次打磨，打磨结束后送至检测工序1 进行良废品扫描，需要进一步处理的零件进入分拣区域，合格的产品进行检测工序2 扫描，需进一步处理的产品再次送入分拣区域，合格的产品送回至仓储工序，流程结束。

图1 轮毂加工工艺流程

在工业机器人运行过程中，由于每一个环节并不是一步就能够完成的，因此需要制定每一步的工艺流程，以仓储工序为例，工业机器人在仓储环节需经过图2 所示的动作才能完成此工序的全部动作。其他工序类似，均需制定该工序的完整流程。这就要求设计者对整体设计流程有足够清晰的认识，因此更加突出了仿真设计的重要性。

图2 仓储工序工艺流程

在实际生产线中要改变生产线的布局是一件很困难的事情，而在仿真软件上改变仿真布局却可以轻而易举地实现。实际生产中，需要根据不同的生产环境去改变生产线布局，这将存在一定的试错成本，但如果在仿真平台上实现，完成这一系列的操作，然后进行分析，就可以节省大量的时间，并减少了材料和人力的消耗。制造单元智能化集成仿真平台的模块如图3 所示，模块可以根据需要进行不同单元的连接，方便快捷，便于设计。

图3 制造单元智能化集成仿真系统平台

生产流程的不同，往往意味着生产线的设计需要进行相应调整。不同的生产线流程，工业机器人运行的轨迹不同，运行时间和效率相差也很大，不合理的生产线可能会造成时间和人力资源的大量浪费，因此需要根据实际的应用环境进行相应调整，下面以轮毂的初始位置为参考，对应不同布局说明根据不同生产需要采取相应布局的重要性。

2.1 仓储处取轮毂布局

假设基于生产需要，轮毂在到达仓储时，需要对仓储轮毂进行整理，这部分工作主要包括将仓储内所有轮毂正面朝上并根据检测工序内容进行排序，那么机器人首先需要从仓储内抓取轮毂，在抓取轮毂后，机器人要回到初始状态，当完成这一系列操作后，机器人要抓着轮毂到检测工序进行轮毂信息检测。一般情况下，检测轮毂信息的标签处于轮毂的正面，但是在仓储单元中，有可能轮毂是正面向上的，这就导致了在抓取轮毂后，轮毂信息是朝上的。当移动机器人到检测单元时，轮毂是处于视觉模块的上方，轮毂信息此时是不能被检测到的，所以需要把轮毂移动到打磨单元，利用打磨工序中的反转模块将轮毂进行翻转处理后才能进行轮毂信息检测。这就要求我们最好将轮毂的仓储与打磨工序布置在临近处，并且能够在反转后快速到达检测区域，因此采用如图4 所示的布局比较合理。

图4 仓储处取轮毂布局设计

仓储处取轮毂布局仿真设计完成后，按照轮毂加工工艺流程，工业机器人在a 区执行仓储工序，完成后在d 区进行打磨工序打磨，期间如a 区进行仓储工序含有整理环节时，可就近调用d 区和e 区，机器人在b 区执行单元运行轨迹较短，节省大量运行时间。接着前往f 区加工轮毂车标，加工结束后再次返回d 区清理表面碎屑，清理干净后至视觉区域e区进行下一步流程处理，由于g 区和a 区分别布置于执行单元的两侧，缩短了分拣工序g 和仓储工序a的存储时间，并且方便于下一生产线的轮毂取放操作。另外，总控单元h 位于外侧，方便监控人员随时监控此条生产线的运行状况，及时处理突发情况。

2.2 分拣处取轮毂布局

分拣处取轮毂则是衔接于上一条生产线的设计，当轮毂经过前一条生产线的处理后由码垛机器人放置于传送带上，如图5 所示，传感器检测到轮毂后，传送带将轮毂传送至相应道口，此时，工业机器人开始抓取轮毂，按照加工工序流程加工。

图5 分拣处取轮毂布局设计

该布局针对轮毂初始位置位于g 区分拣单元，轮毂首先进入道口，将c 区工具单元靠近g 区则可以快速地选取夹爪工具，便于轮毂的夹取，取出轮毂后b 区执行单元将轮毂送至e 区视觉检测单元进行正反检测，需要调整时则到d 区进行翻转，翻转区位于检测区北侧，如不需要调整则检测完成后直接送至对面的仓储区a 即可。完成全部轮毂的仓储入库后执行加工工序流程，由于仓储a、检测e 与加工f位于执行单元b 的四周，极大地缩短了机器人运行的距离，便于轮毂车标的加工。同样，总控单元h 位于外侧，方便监控人员随时监控此条生产线的运行状况。因此对于轮毂初始位置位于传送带上时，采用此种布局是最合理的选择。

2.3 分拣单元位于一侧取轮毂布局

当轮毂初始位置位于分拣单元传送带且仓储位置需要将轮毂引入下一条生产线时，采用分拣单元位于一侧取轮毂的布局方式则显得较为合理，这种结构下，无论是码垛机器人将轮毂置于传送带，还是另一个机器人在仓储位置将加工好的轮毂取走，预留的空间都比较大，且两条生产线位于加工单元的两侧，充当了零件加工工序的前后两个阶段，符合加工流程。整体布局如图6 所示。

图6 分拣单元位于一侧取轮毂布局设计

该布局充分考虑前后衔接的两条生产线操作的可行性，轮毂首次位于传送带处，传感器检测到轮毂后，g 区分拣单元将轮毂传送至相应道口，机器人由初始姿态在执行单元b 的作用下至c 区工具单元取夹爪后夹取轮毂至e 区检测，检测完成后根据e 区的检测结果判断是否需要翻转，如翻转则至d 区翻转，不需要则直接传送至a 区仓储单元。待上一流程结束后，工业机器人按照加工工序开始本条生产线的加工，同理，将h 区总控单元置于顶端，用于监控生产线的运行情况。

当布局设计结束后，需要考虑轮毂在加工工序中每一步的生产流程是否合适，因此需要进行程序的设计。机器人在仿真过程中主要考虑两个方面，一是机器人臂长是否足够抓取对应点上的轮毂；
二是抓取轮毂后移动是否会碰撞其他模块。只有在充分考虑这两种情况的基础上才能保证该布局在应用时不会因设计问题导致无法完成生产平台的搭建。以仓储处取轮毂布局为例，由于机器人的程序是靠每个点之间的轨迹移动进行编写的，因此编程采用分组形式进行编写，在完成轨迹点的编写后，仿真平台会根据编写的程序，生成相应的机器人程序，也可将生成的机器人程序导入示教器进行实际生产线的模拟，进一步提高设计的可靠性，部分生成的仿真程序如图7 所示。

图7 机器人仿真程序设计

未来制造业将向着集成化、智能化以及联网化的方向发展，这就对工厂生产线布局提出了更高的要求，智能化集成仿真平台的出现，为合理布局提供了可能，不仅仅对于汽车生产等企业，不同生产车间的虚拟场景仿真有助于企业更加合理地配置生产工艺流程，而且有利于降低试错成本，节省人力、物力及财力。

本文针对汽车轮毂车标加工这一工序流程，从布局分析到工序程序的编制详细说明了制造单元智能化集成仿真平台设计对生产线设计的影响，仿真平台的出现极大地增加了产业发展的灵活性。同时说明生产线的布局不止一种，在实际应用中应充分考虑现实情况，从设计环境、前后衔接生产线以及工序流程的可操作性出发，设计出合理最优平台结构，并且在各工艺流程中考虑机器人运行的仿真空间，及时调整可能出现的穿模等问题。

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