机器人制造单元

机器人制造单元（精选7篇）

机器人制造单元 篇1

1 引言

模具生产是典型的单件、小批量生产,产品品种众多,设计与生产中重复性的工作少。由于生产的一致性,品种多、加工工艺路线变化大,计划稳定性差,经常受到新订单和修模的冲击,因而生产计划难以控制,对企业交货期和竞争力有很大影响[1]。在先进生产力的启发下,许多模具企业企图引进大量的先进数控设备来更好地组织生产活动。然而,实际中所引进的大量先进制造技术和装备通常都被作为孤立的单元技术在使用,难以完全发挥先进生产力的实际效率。解决这些问题的有效方法之一就是寻求建立具有快速反应、柔性化、智能化特征的模具机器人制造单元系统,缩短生产准备时间,减少零件流动和机床的非切削时间,减少对熟练工人的依赖,提高零件加工工序稳定性和加工质量,从而保证模具交货期,为企业赢得更大的市场竞争力。

在模具机器人制造单元中,机器人作为输送设备被所有加工设备共享,因此,对机器人活动的合理规划将成为影响系统效率的关键。与传统的车间调度问题相比较,对机器人制造单元的调度不仅要考虑加工活动的安排,而且要考虑物流设备(机器人)输送活动的安排[2],该问题一般属于强NP难题。对于机器人制造单元的调度问题,国内外一些学者进行了研究。赵振宏、肖田元[1]对flowshop类型的机器人单元的最小周期调度问题应用极大代数方法建立了单元系统的调度模型,提出了基于禁忌搜索的启发式调度策略,并给出了初始可行解和搜索邻域的构造方法,能够解决一定规模的最小周期调度问题。车阿大等[3]提出了无等待型单机器人单元flow-shop调度问题多项式算法,应用禁止区间法,建立了无等待多机器人制造单元调度的数学模型,并为无等待多机器人制造单元开发了能求解最优解的多项式调度算法。Johann Hurink、Sigrid Knust[4]提出了运用禁忌搜索方法求解作业车间(Job-shop)类型机器人制造单元调度问题,取得了一定的效果,但是算法操作复杂,计算时间长。

纵观国内外文献,对于机器人制造单元任务调度的研究不是很多,且基本停留在节拍是固定的flow-shop类型调度的研究。对于品种丰富,工艺路线多样,装卸复杂的面向模具机器人制造单元任务调度的研究非常少见。

2 问题描述

本文研究的是一类模具作业车间(Job-shop)类型的机器人单元调度问题。如图1所示,它一般由若干加工设备和一个搬运机器人组成,机器人完成单元内物料运输和上下料操作。

模具机器人制造单元具有以下特点,如工件在各台机器上加工工艺路线安排具有不确定性,工件在各机床上的加工存在等待性,待加工工件的顺序具有不确定性等。此外,为了提高作为关键资源的机器人的利用效率,需要考虑机器人的运送时间来综合研究调度任务的分配。

为了简化问题复杂性,假设已知每个工件在各个机器上的加工次序和每个工件的各个工序的加工时间,同时满足以下约束条件:

(1)同一时刻同一台机器只能加工一个零件;

(2)每个工件在某一时刻只能在一台机器上加工,且操作不可中断;

(3)同一工件的工序之间有先后约束,不同工件的工序之间没有先后约束;

(4)不同工件具有相同的优先级;

(5)机器人单元中只有一台机器人,机器人一次运输只能搬运一个工件;

(6)机床之间存在无限缓冲。

因此,模具机器人制造单元调度问题可描述如下:给定m台机床和n个工件,每个工件按一定的工序顺序进行加工,要求确定与工艺约束条件相容的各机器上所有工件的加工开始时刻、完成时刻、加工次序,使工件组的最大完工时间最小。

一般而言,机器人是制造单元的瓶颈资源。针对机器人运输时间的处理问题,把机器人当作一台特殊的加工机床,它可以参与所有的运输工序操作,其空载运行时间可以看作是机器人的工序相关的准备时间(Set-up-time)。这样一来,机器人单元调度问题就转化为m台普通机床和一台“特殊”机床的调度问题。工件i(i=1,2,…,n)包含ni道工序,本文研究只考虑工序确定的情况,即工件的工序顺序是预先确定的。设工件i在机床Mk加工完后被运输到机床M1,所需要的运输时间为tikl。设机器人从机床Mk空运到机床M1时的搬运时间为t'kl,显然,机器人同一台机床加工时空移动时间t'kk=0,机器人在两个机床之间空运输时间不大于工件在同样两台机床之间的搬运时间。调度的目标就是要综合处理机器人与机床之间的任务分配,使工件组最大完工时间最小化,即:

3 问题模型建立

析取图具有简单直观、便于分析等突出优点,在传统作业车间调度问题建模上起到过很好的作用。对于模具机器人制造单元调度问题,运用析取图建模可以更好地体现制造单元的特性和反映模具生产中的真实状况。在建模过程中,将机器人看作特殊机器,其空载移动时间作为工序相关的准备时间被引入模型[4]。析取图可被描述为一个有向图G=(V,C∪DM∪DR)。其中V表示节点的集合,包括对应于工件的所有工序的节点和2个虚节点,2个虚节点分别为原始节点(表示为“0”)和最终节点(表示为“*”),其加工工时均为0;C为所有合取弧(实线)的集合,对应于同一工件上的工艺路线的顺序约束,每条合取弧上都标注一个正的权值,表示合取弧的始节点所对应工序的加工工时;DM为所有析取边(工件)的集合,一般用虚线表示,每一条析取边将需在同一机床上加工的工序两两相连;DR为所有析取边(机器人)的集合,一般也用虚线表示,每一条析取边将需要机器人操作的工序两两相连。按照析取图的模型,作业计划的求解任务是确定析取图中所有析取边的方向(即确定机器上工件的加工顺序),得到一个非循环有向图使得某个性能指标达到最优。每个无环路的单向图对应于一类可行调度,每一个可行调度必定会有一个无环路单向图与之对应,而且这一调度顺序的最优解的加工周期就等于相应无环路图的最长路径的长度。而本文的调度问题就对应于如何确定图中虚线弧的方向,即确定各机床和机器人工序的操作次序,形成一个无环路的单向图,使得图中的最长路径尽可能的小。

具体而言,对于每个工件i(i=1,2,…,n),引入ni-1个运输操作时间Tik(i=1,2,…,n,k=1,2,…,ni-1),按照Oik→Tik→Oi(k+1)的操作顺序。Tik-Tuv∈DR意味着机器人将要完成两个可能的机器人运输操作Tik和Tuv。当工件在机床Mk,M1运动之间时,用Gkl(k,l=1,…,m)表示在同样的运输路线中所有的运输操作集合。如图2所示,当Tik∈Ghk,Tuv∈Glg时,即机器人操作Tik在机床Mh,Mk运动,同时机器人操作Tgh在机床Ml,Mg运动时,产生的空运载时间对为(t'kl,t'gh),当机器人按Tik→Tuv方向运输时,得到空运时间t'kl,反之得到空运时间为t'gh。其中,t'kl表示当工件在机床Mk上加工的工序完成后,加工下一道即将在机床Ml上加工的工序时产生的机器人空运载时间,t'gh表示当工件在机床Mg上加工的工序完成后,加工下一道即将在机床Mh上加工的工序时产生的机器人空运载时间。

因此,为了解决调度问题,必须把DM∪DR中的没有方向的虚线弧变成有方向的弧,也就是得到机器调度选择方案SM和机器人调度选择方案SR的完全选择集合S=(SM∪SR)。如果完全选择S和DM∪DR已经确定的情况下,最终得到各工序之间没有冲突的一个有向非循环图,其关键路径最小长度即为最大完工时间。

例如,3台机器,3个工件,9个机床工序和6个机器人工序的调度问题的析取图模型可以描述如图3所示,只给出部分操作间的虚线弧,当析取图中每条虚线弧都变成实线弧时,表示该调度问题已解决(如图4所示)。在该析取图中,任意两个节点之间的所有有向路径中长度最大的路径是这两个节点之间的最长路径。一个调度问题用析取图的语言来表示,就是寻找一个使有向图G中最长路径最小的无环的完全选择S。

对于其中的一个完全选择(即调度方案),如图4,运输操作T11∈G13,T21∈G21的连接,产生的空运时间为(t'32,t'11=0);运输操作T31∈G32,T21∈G23的连接,产生的空运时间为(t'23,t'23)。由图5甘特图可知各机床上和机器人上的操作顺序具体为:M1(O11→O22→O33),M2(O21→O23→O31),M3(O12→O31→O23),R(T11→T21→T31→T12→T22→T32),其中黑框部分为关键路径,调度优化的目标就是合理安排关键路径使其长度最小化,即最大完工时间最小。

4 遗传禁忌搜索求解算法

对于模具制造企业来说,其制造系统动态多变,调度的关键是调度的快速和响应的敏捷性,而遗传禁忌搜索算法较好地满足了实际要求。运用遗传算法进行全局搜索,然后对新的种群中的每一个个体进行禁忌搜索,克服提早收敛现象,也避免对每个个体进行禁忌搜索,从而减少运行时间,而终止条件为指定的遗传代数[5]。本文采用先固定机床顺序,再安排机器人操作的方法(Johann Hurink,Sigrid Knust)[4],依次进行迭代搜索,将每次选择路线求得的最小值依次存入禁忌表。就图3而言,先确定析取图的机器顺序,再确定机器人路径选择(见图6)。每一次的选择机床和机器人顺序确定后,都要重新计算关键路径的最小长度,最终通过禁忌方法确定最合理的选择路线S=(SM∪SR)。该遗传禁忌搜索方法的具体设计如图6所示。

4.1 算法流程框图

算法流程框图如图7所示。

4.2 算法设计内容

(1)染色体编码

染色体编码方法决定了Job-shop调度问题的描述及遗传具体运作方式。本文将采用基于调度优先级的编码方法:每个基因对应一道工序,代表该工序在进行调度操作时的处理优先级。在这种编码方法中,个体是由n×m个基因组成,每个基因代表一个加工工序。以3工件3机器1个机器人为例,基因与工序的对应关系如下:

其中,出现了三个1、三个2、三个3和六个4,分别表示工件1、工件2、工件3的3道工序和机器人的6个运输操作。对同一个工件的所有工序都用相同的符号表示。

(2)适应度函数

由于调度问题所求的是最小化问题,故本文通过对目标函数Cmin确定适应度函数。

(3)初始种群

为了使初始种群能尽量遍布可行解空间和提高寻优的速度。因此,本文中种群个体的生成是随机化的,例如3×3的机器人单元调度问题,即随机产生15个十进制正整数串,其中编码为1~3的整数各3位;编码为4的整数6位,即机器人编码数6位。

(4)选择

采用轮盘赌方式来决定每个个体的选择份数,把复制后的个体送到配对库,以备配对繁殖。

(5)交叉

交叉操作采用单位置次序交叉。

(6)变异

变异操作采用插入变异,对父代个体的每个基因以确定概率发生变异,任意选择插入位置。

(7)禁忌搜索模块

该模块的作用就是运用禁忌手法加快寻优速度,在寻优过程中按照析取图模型中确立的机床顺序和机器人运输操作顺序,逐步寻找最短长度的关键路径选择方案。利用禁忌表将优秀的寻优结果先保存起来,再与遗传算法相结合,验证选择结果的适应度值,将好的结果留下来,将不好的进行淘汰。而禁忌搜索实现的关键在于邻域的构造,至于关键路径上的邻域搜索,机床上待加工的工件工序、机器人操作的邻域交换都分别采用Eugeniusz Nowicki,Czeslaw Smutnickil[6]提出的规则:首个“聚块”只交换最后两个加工工序,而最后“聚块”只交换最前面的两个加工工序,所有中间“聚块”分别交换头两个加工工序和最后两个加工工序。

5 算法实现

对于某模具CNC车间的4台机器,4个不同工件,16个机床工序和4×3=12个机器人搬运工序的调度问题,各对应的参数见表1-2,其中运输时间为Tkl,空运输时间为t'kl。设Tkl=t'kl(k≠l),当k=l时,令Tkk=1。

运用Matlab7.1在CPU 1.6GHz,2G内存的环境运行。设置运行条件:种群染色体数为40个,交叉率为0.8,变异率为0.15,代沟0.9,遗传代数为400。计算得到Cmin=50,调度结果的时间甘特图如图8。各机床上和机器人的操作顺序具体为:M1(O21→O13→O42→O32),M2(O11→O41→O22→O33),M3(O12→O23→O43→O34),M4(O31→O14→O24→O44),R(T11→T21→T31→T12→T22→T41→T13→T42→T23→T32→T33→T43)。该调度算法的收敛曲线如图9。

由于很难得到机器人单元调度问题的一个确切的最优解,因此,通过同一个目标值的下界LB1=min 1m≤ka≤xm{1m≤ia≤xn{Cik}}相比较,将上面的各项参数代入得到LB1=54,进而解的优化程度,小于10%,因此算法是接近最优解的。

6 结束语

本文研究了模具机器人制造单元任务调度问题,调度的目的就是使工件组的最大完工时间最小化。由于调度中需要考虑机器人的运输时间以及机器人能力约束,还要考虑传统的作业车间调度类型方面的约束。因此,结合实际问题的特点,运用析取图模型很好地对该调度问题进行了分析和建模。由于求解实际问题中的机器人单元调度问题一般计算量非常大,而混合算法在一定程度上满足了实际问题的要求,有效地提高了解决问题的速度,能够很好地提高模具企业的资源利用效率。

参考文献

[1]宋宏,薛劲松,毛宁,等.考虑冲突的模具生产计划调度系统研究与实现[J].计算机集成制造系统,2001,7(2):15-18.

[2]赵振宏,肖田元.机器人制造单元的建模与任务调度策略[J].计算机集成制造系统,2001,7(4):7-11.

[3]车阿大,王远.无等待多机器人制造单元调度模型和算法研究[J].计算机集成制造系统,2008,14(3):525-534.

[4]Johann Hurink,Sigrid Knust.Tabu search algorithms for job-shop problems with a single transport robot,European Journalof Operational Research,2005,162(1):99-111.

[5]张超勇,高亮,李新宇,等.基于进化禁忌算法的Job-Shop调度问题研究[J].华中科技大学学报:自然科学版,2009,37(8):80-84.

[6]Eugeniusz Nowicki,Czeslaw Smutnicki.A FastTaboo Search Al-gorithm for the JobShop Problem[J].Management Science,1996,42(6):797-813.

机器人制造单元 篇2

随着科学技术的进步、人工成本的上涨、市场环境的改变,自动化已成为机械制造行业必然发展趋势之一[1]。在企业中开发柔性制造单元、应用自动化技术、实现加工对象的自动生产,可提高企业的工作效率、增加企业的经济效益、提升企业的市场竞争力,使企业能够更好地适应当今社会的发展需求,具有普遍的社会意义[2]。在此背景下,设计研发一款小型柔性制造单元。

1 柔性制造单元的结构组成

柔性制造单元主要由数控车床、工业机器人、料架三部分组成如图1所示。

数控车床采用南京翼马数控机床有限公司生产的CK0625,配置翼马自主研发的数控系统。车床采用液压卡盘、气动防护门。卡盘上装有2个感应开关,用于发出卡盘夹紧到位信号、卡盘松开到位信号。防护门上装有2个感应开关,用于发出机床门关闭到位信号、机床门打开到位信号。

工业机器人采用广州数控设备有限公司生产的GR-C系列机器人,由机器人本体、控制柜和示教盒三部分通过电缆线连接而成。该机器人可在本机基础上增加机械元件和电气元件,通过指令编程实现相应的动作功能。根据这一特征,在机器人腕部配置2个手爪,1号手爪用于抓取和放置毛坯,2号手爪用于抓取和放置成品。手爪的打开闭合由气动阀控制,每个手爪上装有2个感应开关,用于发出手爪夹紧到位信号、手爪松开到位信号。

料架采用不锈钢型材自主设计制造,倾斜放置,有助于圆柱形工件依靠自重整齐排列。机器人从料架下端取毛坯、上端放成品。料架上下两端均开有槽口,保证手爪取毛坯、放成品时不会发生碰撞[3]。

2 柔性制造单元的电气控制

2.1 工作过程规划

根据数控车床和工业机器人的工作特征,对柔性制造单元中的自动上下料过程进行规划,具体流程如图2所示。

2.2 电气原理图绘制

根据动作控制要求,需要机器人PLC输入端子9个,具体为:手爪1松开到位信号、手爪1抓紧到位信号、手爪2松开到位信号、手爪2抓紧到位信号、卡盘松开到位信号、卡盘夹紧到位信号、机床门打开到位信号、机床门关闭到位信号、机床准备就绪信号。需要机器人PLC输出端子6个,具体为:气阀控制继电器2个、卡盘控制继电器1个、机床门控制继电器1个、循环启动控制继电器1个、备用1个。其电气原理图如图3所示。

同时需要机床PLC输入端子7个,具体为:卡盘松紧信号、机床门打开关闭信号、循环启动信号、机床门打开到位信号、机床门关闭到位信号、备用信号2个。需要机床PLC输出端子1个,具体为:工件加工完成后机床准备就绪继电器。其电气原理图如图4所示。

2.3 数控车床与机器人通讯设计

为了使数控车床和工业机器人之间的信号实现有效通讯传输,柔性制造单元采用一种安全可靠、准确快速的输入/输出通讯模式。使用屏蔽信号电缆将数控车床PLC中相应的I/O点和工业机器人PLC中相应的I/O点进行连接,屏蔽信号电缆可避免信号之间相互干扰,保证传输的稳定性。

整个系统每完成一个动作或运行完一段程序,会有信号与数控系统或机器人控制器实现连接传输。比如当数控车床气动门打开到位后,感应开关SQ7闭合,中间继电器KA8线圈得电,常开触点闭合,机器人PLC的X2.6输入点和机床PLC的B14输入点信号有效,即通知机器人控制器和数控系统当前气动门已经打开到位,可进行下一步动作或执行下一段程序。

2.4 机器人程序编制

根据自动上下料逻辑流程,编制相对应的机器人控制程序,主要步骤如下:

1)机器人移动至初始位置:MOVJ P0,V20,Z0;

2)机器人1号手爪取毛坯:

3)机器人移动至数控机床门前,等待机床加工完成后开门:

4)机器人2号手爪取成品:

5)机器人1号手爪放毛坯:

6)机器人移出机床,机床门关闭加工:

7)机器人2号手爪放成品:

8)机器人移动至初始位置,循环工作:

程序中所定义的输入输出信号见表1。

3 柔性制造单元的工作流程

通过柔性制造单位工作流程的规划、电气原理图的绘制与接线、机器人程序的编制与调试,机器人系统和数控系统之间的信号实现了相互连接及传输。其具体工作过程描述如下:若数控车床处于正常运行状态,则启动工业机器人→机器人移动至料架位置,1号手爪取毛坯(图5)→机器人取出毛坯移动至机床门前,等待机床加工完成,机床门打开→待机床门打开到位后,机器人伸入机床内部,2号手爪取成品(图6)→2个手爪交换位置,1号手爪放毛坯(图7)→机器人离开机床,机床门关闭,开始加工工件→机器人移动至料架位置,2号手爪放成品(图8)。依此循环。

4 结语

经过接线、编程及调试,该柔性制造单元实现了生产过程中上料、加工、下料的自动化和无人化,且满足一系列技术要求[4]。如机器人上料、下料动作准确到位,不会碰撞机床和料架;在断电、断气等异常情况下,机器人手爪保持夹紧状态,保证工件不会松开或脱落;机器人始终在运动范围内移动,不会超程等。总之,该设备可减轻工人的劳动强度,提高车间的生产效率和自动化水平,为企业带来良好的经济效益,且具有很好的推广价值。

摘要：为适应社会的发展需求,提高企业的生产效率,在现有工业机器人和数控车床的基础上,设计研发一款小型柔性制造单元。使用机器人为车床完成上下料,实现了生产过程中上料、加工、下料的自动化和无人化。阐述了柔性制造单元的结构组成、电气控制方式、以及详细工作流程。运行结果表明,该设备结构简单,便于调试,具有良好的实用价值和经济效益。

关键词：工业机器人,数控车床,柔性制造单元,设计

参考文献

[1]程智勇,李晓娟,陈华龙,等.基于FANUC0i TD和GSK工业机器人柔性制造单元的设计[J].机床与液压,2014(42):97-100.

[2]郑泽钿,陈银清,林文强,等.工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用研究[J].组合机床与自动化加工技术,2013(7):105-109.

[3]季翠芳,羿应财.机器人在自动化上下料系统中的应用[J].机械工程师,2013(10):136-138.

机器人制造单元 篇3

突破关键技术和部件

《智能制造科技发展“十二五”专项规划》提出, “十二五”期间, 在基础技术与部件方面, 重点突破设计过程智能化、制造过程智能化和制造装备智能化中的基础理论与共性关键技术;突破一批智能制造基础技术与部件, 研发一批与国家安全与产业安全密切相关的共性基础技术, 重点突破一批智能制造的核心基础部件, 奠定“十三五”制造过程智能化装备和制造过程智能化的技术基础。主要是在制造业信息化、基础部件、传感器、自动化仪器仪表、安全控制系统以及嵌入式工业控制芯片方面。

在制造过程智能化方面, 研发制造过程智能化技术与装备, 攻克一批制造过程智能化核心关键技术与装备, 推进制造业核心业务与信息化的深度融合, 提高企业自主创新能力和综合竞争力。例如, 工业机器人、自动化生产线、百万吨乙烯工艺和装备、工业物联网以及典型流程工业智能化。

在智能化装备方面, 《规划》提出, 攻克一批智能化高端装备, 研制一批面向国民经济支柱产业的智能化高端装备, 重点突破箱体类精密工作母机、工程机械、石化装备、复合材料加工装备、新能源装备等智能化装备。

培育服务机器人新兴产业

除工业机器人外, “十二五”期间, 我国将重点培育和发展服务机器人新兴产业。

据悉, 我国将着力突破制约我国服务机器人技术和产业发展的关键技术, 不断推出更具应用价值和市场前景的产品, 积极探索新的投融资模式和商业模式, 努力打造若干龙头企业, 把服务机器人产业培育成我国未来战略性新兴产业。

机器人制造单元 篇4

近年来, 我国工业机器人及智能制造领域得到了前所未有的关注, 这是由于三个方面原因:其一是由于我国劳动者对于劳动环境要求的提高而造成的用工荒;其二是由于我国科学技术的发展和制造业的发展, 具备了实施工业机器人及智能制造产业化的条件;其三是由于工业机器人和智能制造体现了一个地方、一个国家的综合技术水平和实力。

广东省地处我国的南方, 是我国改革开放的前沿阵地, 尤其是广东省制造业为我国的经济增长做出了很大的贡献。改革开放以后, 广东省的制造业主要依靠的是劳动力密集型制造行业的贡献, 但是近年来, 企业技术创新不足、技术性贸易壁垒和价格竞争优势丧失等问题严重制约着行业的持续发展。因此近几年, 从事制造业生产的企业家说得最多的一句话就是“人工越来越高, 利润越来越少”, 也就是付出越来越多, 得到越来越少, 有理由相信今后的人力资源将更加缺乏, 成本更加贵。面对日益严重的缺工情况, 珠三角越来越多的企业计划淘汰原有使用人工的机器设备, 以高技术自动化设备取代人工, 以减少成本压力。

现在广东省各级政府和企业家都意识到要延续中国制造高速发展的优势, 必须走智能制造的道路[1], 各地都在掀起“机器换人”计划。本文将主要讨论广东省工业机器人及智能制造的情况。

1 广东省工业机器人及智能制造的政策优势

高端装备制造业是国家“十二五”规划提出的战略性新兴产业七大领域之一, 其中工业机器人、智能制造是高端装备制造业的重点方向之一。改造提升制造业、加快培育战略新兴产业是国家“十二五”规划中明确的重要任务。实现由主要依靠规模增长的传统工业化道路向主要依靠技术进步和可持续发展的新型工业化道路转变, 调整优化技术结构、组织结构、布局结构和行业结构, 成为转变工业发展方式的核心工作。

根据《广东省先进制造业重点产业发展“十二五”规划》[2], “十二五”期间全省先进制造业产业规模发展目标为增加值年均递增12%, 到2015年, 先进制造业增加值超过19 000亿元, 占规模以上工业增加值比重50%以上, 其中装备制造业、汽车工业、石化工业占规模以上工业增加值比重分别达29%、7.5%、13%。在产业水平方面, 到2015年, 主要行业技术创新能力达到国内先进水平, 重点制造企业技术装备水平达到国际先进水平。研究与实验发展经费 (R&D) 支出占先进制造业增加值比重达到2.5%以上。企业信息化总体水平达到全国先进水平。

规划指出, 智能制造装备重点在中高档数控机床、工业机器人、工业自动化控制系统及智能仪器仪表、智能专用设备等领域实现突破, 培育一批细分领域行业龙头企业。打造中高档数控机床及系统产业链, 加快发展中高档数控机床产业, 提高机床功能部件研发和配套能力, 重点开发数控镗铣床、精密压力机、数字化工具系统及量仪等产品。推进机器人及成套系统产业化, 重点发展焊接、搬运、装配等工业机器人及其成套系统, 加大相关基础元部件研发力度, 加快产品产业化进程。大力发展精密和智能仪器仪表、智能专用设备、工业自动化控制系统装置、智能化仪器仪表和试验机、专用检测仪器设备、智能化空港设备等产品。到2015年, 形成2~3家具有国际竞争力的骨干企业。

2 我国机器人及智能制造产业分析

2.1 我国机器人产业的布局分析

我国工业机器人产业主要分布在东北地区、长三角、珠三角。东北是我国老工业基地, 主要企业有沈阳新松机器人有限公司、哈尔滨博实自动化股份有限公司等。长三角也是重要的机器人自动化公司集聚地。近年来国际机器人公司纷纷落户长三角, 如ABB、FANUC、YASKAWA, KU-KA等机器人公司[3], 本土机器人企业有上海沃迪机器人有限公司、安徽埃夫特智能装备有限公司、安徽江淮自动化设备公司等。近年来重庆在机器人产业和智能制造领域同样异军突起, 重庆市规划了机器人产业基地, 大力引进机器人生产厂商, 推进工业机器人的生产和应用。

2.2 机器人产业市场分析

根据国际机器人联盟 (IFR) 资料, 2012年, 我国工业机器人年安装量排名世界第三, 累计安装量超过6万台, 2013年估计达到新安装超过8~10万台。我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已经突破60亿元。是日本的1/15、北美的1/7、德国的1/6, 韩国的1/3, 随着我国产业升级的不断推进, 我国工业机器人发展空间巨大。目前, 国内市场年需求量在12 000台左右, 年销售额在90亿元以上。统计数据显示, 中国工业机器人市场上完全国产工业机器人不到20%, 其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。

2.3 智能制造产业市场分析

目前, 我国装备制造业规模已超过2万亿美元, 位居世界第一。美国和日本分别为1.5万亿美元和1.2万亿美元。虽然我国装备制造业的规模已经越过2万亿美元大关, 位居世界第一, 但产业“大”而不“强”的问题却十分突出。如在高端装备领域, 80%的集成电路芯片制造装备、70%的汽车制造关键设备、40%的大型石化装备等关键技术与设备仍需依靠进口, 所生产的产品缺乏核心竞争力。

3 广东省工业机器人及智能制造产业分析

3.1 工业机器人

众所周知, 工业机器人关键零部件包括伺服电机、减速器、控制器、传感器和机械本体, 广东省在伺服电机、控制器和传感器领域处于领先地位, 但是和国外发达国家的相关领域比较仍有很大的差距。从产品成本构成分析, 伺服电机产品占成本的20%左右, 减速器占产品成本的25%左右, 控制器占产品成本的27%, 因此工业机器人产业化的关键问题是掌握这些关键部件的产业化。

3.2 智能制造

智能制造实际是工业机器人产品的延伸, 不能将工业机器人产业当作一个独立的产业, 而应将工业机器人作为现代机械装备制造业的一个核心单元之一。实际上智能制造就是在现代生产中, 集成各种高技术产品, 包括机器人、物流系统、智能传感系统、控制系统、计算机控制软件等高技术, 实现在现代制造中将劳动者从简单重复的劳动中解放出来的目的, 实施智能制造将使得集成生产厂商和用户双方获益。

3.3 广东省机器人现状及制造业企业实施智能制造的分析

广东在我国的制造业具有领先地位, 同时珠三角地区也是改革开放的前沿和窗口, 是我国市场经济的核心地带, 毗邻香港国际市场, 又是国内多层次资本市场建设的重心, 发展机器人产业从技术引进、产品销售、企业融资、产业链整合都具有特殊的便利环境。广东省机器人产业主要集中在珠江三角洲, 其中深圳和东莞等地市由于在电子业、制造业具有良好的基础, 因此在机器人控制器、伺服驱动、运动控制等具有领先地位;广州在金融、人才、制造业也具有较强的竞争力, 广州市的机器人整机、系统集成等方面具有良好的基础;佛山、中山、珠海等集中了大量的中小型制造业企业, 在智能制造及机器人集成示范应用方面有很广阔的前景。

当前广东具有一定知名度的有广州数控设备有限公司、广州诺信数控设备有限公司、深圳新松机器人公司、深圳众为兴科技有限公司、深圳固高科技有限公司、深圳富士康、深圳福士自动化有限公司、东莞松庆自动化设备有限公司、佛山利迅达机器人系统有限公司、佛山市嘉腾电子有限公司等。

3.4 在广东加快推动机器人及智能制造产业发展的紧迫性

当前, 国际国内在经过了金融危机洗礼后, 广东省制造业企业面临的现状是:面临贴牌生产向自主知识产权产品的转变;传统的劳动力密集型企业向资金密集型企业转变。向资金密集型企业转变, 需要大量的资金投入, 而珠三角企业大多是中小型企业, 难以筹集大量的资金, 且中小企业没有试错机会。但是由于广东省制造业企业存在产业结构不合理、企业规模小和产品利润空间越来越小的问题, 在广东企业加快推动机器人及智能制造产业发展是十分迫切的。

(1) 产业结构不合理

广东省制造业支柱产业多为劳动密集型产业。产品的加工深度低, 技术含量低, 附加值低。同时, 出口产品以低利润率的产品为主, 产品结构单一, 对市场影响比较敏感。此外, 行业门槛较低, 常以价格竞争为主, 损害企业市场拓展、科研开发积极性。

(2) 企业规模较小

广东省制造业企业多为中小民营企业, 企业规模偏小, 未能形成一批占有较大市场份额、代表行业水平、具有国际竞争力的大型企业和企业集团, 未能形成一大批产品有特色并按规模经济组织声场的专业化协作配套厂。同时, 由于缺乏统一的产业和专业市场规划, 市场秩序不规范, 产品质量参差不齐, 产业化程度低。

(3) 利润空间越来越小

受原材料成本上涨、招工难、劳动力成本上涨、土地资源稀缺等因素影响, 广东制造业成本不断上升。

面对产业结构不合理、产品质量参差不齐、产业化程度低、利润空间减少等问题, 广东省制造业实施智能制造升级转型刻不容缓。

4 总结

机器人及智能制造是广东省装备制造业转型升级的关键, 智能制造能大大提高广东省传统制造业水平, 如通过推动机器人减速器的产业化可以促进精密制造技术, 促进机器人控制系统系统和传感器产业化、加强智能制造系统的应用, 将有利于广东省高技术发展, 同时也能缓解工人短缺的问题, 将劳动者从恶劣工作环境中解脱出来。

参考文献

[1]广东省人民政府.广东省国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要[EB/OL].http://zwgk.gd.gov.cn/006939748/201105/t20110513_86534.html.

[2]广东省人民政府.广东省先进制造业重点产业发展“十二五”规划[EB/OL].http://zwgk.gd.gov.cn/006939748/201211/t20121108_353036.html.

机器人制造单元 篇5

当前,新一轮工业革命已成为世界各国战略布局的主要方向,尤其是发达国家,纷纷把智能制造机器人作为国家战略,美国发布了国家先进制造伙伴计划,德国发布了战略计划,欧盟、日本、韩国纷纷发布国家机器人战略。我们国家经过多年的高速发展之后,已进入经济发展的新时代,目前是政府在由制造业大国向制造业强国迈进的关键时期,为此,党的十八大提出了“四化协同,两化深度融合”的战略。

无论是美国提出的先进制造,德国提出的工业4.0,欧盟、日本等国提出的国家机器人战略,还有我们国家提出的两化深度融合战略,他们的核心内涵和主要目标之一是实现智能制造,而机器人是实现智能制造的核心装备。如何结合我国已进入经济发展新常态的国情,和我国目前的实际情况,比如制造业仍大而不强,工业仍相对薄弱,尤其面临转型升级,体制增效的任务非常艰巨,据此应对新一轮工业革命的挑战,加快实现我国制造强国的目标?我们觉得非常需要学术界、装备制造业企业,广大的制造业行业,和各级政府部门共同研究,协同推进。

2014年以来,我国工业机器人销售延续了2013年的态势。根据中国机器人产业联盟统计分析,2014年上半年国产工业机器人共销售6411台,已达到上年总销量的69.8%。2014年全年国产工业机器人销量超过12000台,同比增长20%左右。

2014年已经过去,梳理和总结一年来我国机器人产业和应用发展的态势,研讨和明确我国机器人下一步的发展方向,研讨国际机器人产业和技术发展的动态,借鉴国际先进经验,创新推动模式,加快按细分行业推进机器人应用,扩展市场,促进制造业转型升级是现阶段的主要目标。

中国机器人产业联盟是在2013年4月份由中国机器人产业联合会牵头成立的,目前有160个成员单位,成立一年半以来,在开展机器人产业与应用发展研究,产业政策研究,建立统计制度,建立标准体系,开展国际合作,推进产学对接,搭建国际展览和产业展览大会等交流协作平台,开展了一些扎实的基础性工作,也取得了一定的成效,得到了业内外的认可。产业联盟今后将会继续加强与各方的协作与合作,在工信部的指导和支持下,加快推进我国机器人产业健康有序发展,促进行业的区域协调发展,尤其是为加快在广大领域的推广应用,促进我国转型升级,作出应有的贡献。(根据发言整理,略有删节。)

机器人制造单元 篇6

采掘设备截齿在高冲击、高应力、高磨损条件下, 在截肩处受到很大的弯矩和剪切力, 所以截齿的齿体易出现破损状态。基于煤矿生产中大量截齿磨损、破损的实际, 通过弧焊机器人再制造技术获得性能满足使用要求的截齿, 从而实现报废截齿被修复再利用。

反求工程是对已有实物原型进行数据测量、拟合、重构CAD模型的一种技术, 是截齿再制造模型建立的基础[1]。采用分层/堆积方式实现重要破损零件维修再制造是目前研究的热点问题之一, 柔性化、自动化、智能化的再制造技术是未来再制造工程发展的方向。在基于精密焊接方法制造金属零件的研究方面, 国内外都开展了相关工作, 如英国的诺丁汉大学、澳大利亚的威龙宫 (Wollongong) 大学等。西安交通大学机械学院的先进制造研究所进行了等离子弧焊直接金属成形技术的研究工作[2], 华中科技大学材料学院进行了基于焊接机器人的三维快速成形的方法研究等[3]。

本文着重介绍采掘设备截齿机器人柔性再制造三维模型建立的基础-反求工程。

1 截齿三维信息数据的预处理

实际测量结果不可避免存在一定误差, 如果直接用这些数据进行拟合及重构, 势必会造成曲面不满足精度要求, 因此, 需要对拟合曲面进行处理[4]:

1.1 数据插补

对于一些测量不到的区域, 其数据只能通过插补的方法来补齐。截齿种类很多, 结构不同, 如图1所示的截齿, 85%以上是由于截齿体头部过早磨损而失效。针对这种类型的破损截齿, 需要较多的截齿体头部的三维信息。

1.2 数据平滑

测量结果存在误差, 部分点是不准确的, 除去不在曲面的点, 使截齿曲面趋于平滑。

2 曲面重构

根据曲面拓扑的形式不同, 曲面构造可分为两种方法[5]:

2.1 以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法

2.2是以非均匀有理B样条曲线、曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法, 即NURBS法, 目前大都采用这种方法, 本文也采用这种方法。

对于u向k次, v向l次的NURBS曲面定义为[4]

一般情况下, 分两个步骤利用NURBS进行曲面插值, 首先, 沿着u向对每个切片上的数据, 把它们换算成带权的型值点, 再按照B样条曲线的边界条件及反算公式, 求出控制点, 然后再把这些控制点看做v向按照B样条曲线的边界条件及反算公式进行反算, 求得矩阵点, 构成控制网络。

在反算过程中, 应用重节点条件, 使特征多边形的首末顶点满足型值点首末端点的插值条件, 边界条件取为自由端点条件, 节点矢量按照累计弦长法计算。得到控制网格后, 就可以利用定义式, 进行曲面重构。

3 截齿三维模型

通过空间点数据得到截齿曲面模型后, 就可将其导入三维造型软件中, 得到截齿的三维实体模型, 截齿的种类不同, 结构不一, 其中一种截齿三维模型如图1所示, 图2为其STL模型。

4 结束语

本文主要是对缺损的截齿进行三维结构建模, 然后与完整的采掘及截齿进行对比, 建立截齿的再制造模型, 为后续的弧焊机器人柔性再制造过程奠定了一定的基础。

参考文献

[1]钟俊坚.反求工程中的数据加工处理[J].南方冶金学院学报, 2005, 26 (6) .

[2]Zhao Baojun, Wang Su, Chen Wuyi, A lgorithm for rapid slicing STL model[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautic, 2004, 30 (4) :329-333.

[3]Choi S H, Kwok K T.A tolerant slicing algorithm for layered manufacturing[J].Rapid Prototyping Journal, 2002, 8 (3) :161-179.

[4]郭迎福, 李兵, 等.激光扫描点云数据的NURBS曲面重构技术研究[J].湖南科技大学学报, 2006, 21 (3) :31-32.

机器人制造单元 篇7

工业机器人自20世纪60年代初开始应用以来,经过多年发展,已在全球拥有庞大的市场规模。目前,工业机器人最重要的应用行业有汽车、电气与电子、金属制品、橡胶与塑料、食品、制药与化妆品等,其中尤以焊接机器人的应用最为广泛。焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人,据不完全统计,全世界在役的工业机器人中有将近一半用于各种形式的焊接加工作业。与人工焊接相比,机器人焊接具有高效、优质、持续性和一致性良好的明显优势,其焊接速度可达手工焊接的5倍以上。高速的焊接过程,电弧热流作用区会发生变化,热源模型也随之改变,从而带来温度场、应力场的差异,甚至会使焊缝和热影响区的微观组织发生变化[1],所以必须选择适应机器人焊接的焊接热源、设计合理的焊接工装来减少焊接变形。

本文以某电力挂箱为研究对象,利用ABB-IRB2400L弧焊机器人设备,从焊接电源选择、工装夹具设计、焊接参数试验、机器人运动轨迹规划等几个方面,提出整套机器人焊接工艺实施的解决方案。

1 焊接电源选择

如图1所示,该型电力挂箱由3个折弯成型零件拼焊而成,焊缝即沿图中底板和顶盖上、左、右三侧边缘,工件壁厚1.2 mm,壁薄容易焊穿且发生变位。

目前较为先进的焊机都具备非一元化下的直流焊接和一元化下的脉冲焊接功能,CMT技术较前两种技术更为先进,引弧可靠迅捷,速度是它们的2倍,最大的优势是热输入量极低,非常适合用于焊接铝或者不锈钢。弧焊应用中CMT技术因热输入小、飞溅少等优点而被广泛应用于薄板焊接中,普通的MIG焊和CMT的对比效果如图2所示。故本案例采用Fronius CMT TPS 4000冷金属过渡焊接电源,采用脉冲过渡方式焊接,使焊接过程中热输入量大大减少,减小了焊后工件变形,焊缝质量好、成型美观、不泄漏。

2 工装夹具设计

2.1 焊接工装设计原则

工件要正确定位首先要限制工件的自由度,6个自由度被消除了,则物体在空间的位置就完全确定了,所以自由度是决定物体空间位置的独立参数。在定位设计完成的基础上要考虑工件的夹紧。在焊接作业过程中,工件会受重力、电弧力、热变形等因素影响产生位移或者变形,需要对可能发生位移的位置进行预估,合理选取夹紧位置和夹紧方法。

工装设计过程中还需考虑干涉因素。焊接作业前后几个分散零件会重新组合成新的整体,因此,要合理布置夹紧装置,避免影响上下料,给焊枪行走路径留下足够的空间。夹紧装置常常也是有一定运动能力的机构,比如快速夹具和气缸。气缸作为低成本运动部件,广泛应用在工装设计中。

2.2 焊接工装设计方案

ABB-IRB2400L单体机器人臂展空间示意图如图3所示,常常需要辅助变位机械合作完成焊接作业。该方案中将工装夹具置于变位机台上。

该挂箱为小型箱体,上下料全部采用人工方式,夹紧装置动力源全部为气缸,机器人通过离散IO控制电磁阀决定气缸的开合。薄板工装与机床夹具焊接有显著的区别,因为钣金不能视为刚体,薄板在有热量输入时也会发生极大的变形,故通常采用较多的辅助定位和辅助夹紧点来定位夹紧钣金零件。

图4为工装方案,设左右为X方向,上下为Z方向,前后为Y方向,通过平面和销轴来限制挂箱的6个自由度,气缸完成夹紧,箱体被合理锁定。虽然在有些方向上理论上有些过定位,但1.2 mm拼接而成的钣金壳体还是有一定的柔性,能够使用一定的辅助定位点。最右侧的立板平面和三个直动气缸保证了该侧一圈焊缝的位置,左侧一圈焊缝通过箱体传递,而箱体由激光切割机下料,尺寸精度高,这样同时保证了左侧焊缝的一致性。

3 焊接参数试验

对挂箱的1.2 mm不锈钢薄板直角搭接焊缝进行针对性焊接参数试验,对焊接效果的影响因素从大到小开始试验,逐渐缩小测试范围,寻找最佳工艺数据。主要参考和评价依据如下:(1)更低的余高,较少打磨时间。(2)连续稳定的引弧,避免出现焊接缺陷。(3)热输入尽量小,减少板材热变形。(4)有一定的焊缝误差规避能力,降低下料及折弯的精度要求。

首先我们对两种融入CMT技术的焊接模式(CMT和CMT加脉冲复合模式)进行直角焊缝试验,两种焊接模式现象对比如表1所示。

试验发现,虽然CMT技术焊接更稳定,热输入小,但熔深浅,难焊透钢板,余高大,增加了后道打磨工序,故试验后期全部采用CMT+P的复合模式。影响焊接效果的因素很多,难以一一测试,根据专业资料记录,对影响不是很大的因素进行简单试验或默认处理。

机器人焊机不同于人工焊接,机器人无法时时观察焊接熔池的效果,调整焊枪。那么试教机器人焊接动作及配置机器人就显得尤为重要。焊接电源和机器人通讯上采用如图5所示的控制方式,其参数意义及参数设置如表2所示。

焊接开始时材料温度低,那么起弧电流要大,故设置为焊接电流的135%,收弧时电流要小,设置为焊接电流的50%。除以上参数外,影响较大的焊接速度、功率、弧长修正、电弧吹力经更多组试验得出如表3所示的结论数据。

4 机器人运动轨迹规划

工装完成安装调教后,对机器人运动轨迹编程试教,测试焊接效果。经过数次姿态及位置修正,机器人已经可以在焊接挂箱中连续稳定作业,焊缝美观,质量稳定无缺陷。

5 结语

焊接机器人的发展在中国正当其时,我国焊接机器人会有焊接机器人工作站(单元)、焊接机器人生产线、焊接柔性生产线(FMS-W)等成熟的应用形式,工厂选用哪种自动化焊接生产形式,必须根据自身的实际情况及需要而定。焊接机器人工作站适合批量大、改型慢的产品,而且工件的焊缝数量较少、较长,形状规矩(直线、圆形)。焊接机器人生产线一般适合中、小批量生产,被焊工件的焊缝可以短而多,形状较复杂。柔性焊接线特别适合产品品种多,每批数量又很少的情况。

参考文献