工業(yè)機器人自動化產(chǎn)線布局設計及優(yōu)化

楊亞強 陳豐

摘要：工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線（下文中以“機器人生產(chǎn)線”來指代“工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線”），作為集成了如今眾多機械制造自動化領(lǐng)域高新技術(shù)——數(shù)控機床、工業(yè)機器人、智能控制的所在，迎合了如今社會發(fā)展對工業(yè)界的需求——機器換人、工業(yè)4.0以及中國制造2025政策等，由此成為了工業(yè)的現(xiàn)代發(fā)展趨勢和未來的主導力量。由工業(yè)機器人技術(shù)、傳統(tǒng)流水生產(chǎn)線設計優(yōu)化、產(chǎn)品工藝方法這些制造業(yè)技術(shù)的交叉融合所產(chǎn)生的機器人生產(chǎn)線的布局問題，對企業(yè)生產(chǎn)效率的影響愈發(fā)重要。上述便引出本文對機器人生產(chǎn)線的布局設計與優(yōu)化的問題研究。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;自動化產(chǎn)線;布局設計及優(yōu)化

1、前言

隨著新生不足和老齡化的夾擊，未來我國勞動力資源優(yōu)勢將逐漸消失。伴隨著制造業(yè)需求多品種、小批量、定制化的市場趨勢和低端產(chǎn)品利潤日益稀薄、高端產(chǎn)品國外技術(shù)壟斷的情況下，企業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)與考驗。隨著勞動力成本上升、用工荒越來越普遍的趨勢下，機器人換人已成為其最合適的解決辦法。

2、機器人生產(chǎn)線布局設計方法概述

機器人生產(chǎn)線布局設計，從廣義上是指根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營方式和生產(chǎn)綱領(lǐng)等要求，按照從原料的接收、零部件和成品的制造、裝配、搬運、倉儲的生產(chǎn)全過程，以合理的布局方案將生產(chǎn)線所使用的數(shù)控設備、物料運輸設備、自動上下料設備＼機器人、緩存站、料倉等設備布局在一個有限空間的車間內(nèi)，同時對與之相關(guān)的物流和信息流進行合理地組織規(guī)劃，以達到將人員、設備和物料所需要的空間做最適當?shù)姆峙浜妥钣行У慕M合，從而獲得最大的經(jīng)濟效益的設計目標一一加快物料處理效率，減少在制品的停留時間，顯著提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。對于任何一種生產(chǎn)線，其布局設計都需要滿足一定的設計原則與要求，具體如下所示：

（1）生產(chǎn)線布局必須符合產(chǎn)品的工藝要求，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期最短，生產(chǎn)流盡量順暢;

（2）.生產(chǎn)線布局的空間利用率最高，使其達到適當?shù)慕ㄖ嫉叵禂?shù)（建筑物、構(gòu)筑物占地面積與場地總面積的比率），使建筑物內(nèi)部設備的占有空間和單位制品的占有空間較小;

（3）產(chǎn)品牛產(chǎn)周期內(nèi)物料搬運費用最少，便于物料的輸入和產(chǎn)品、廢料等物料運輸路線便捷，盡量避免運輸?shù)耐岛徒徊?

（4）生產(chǎn)線布局需要考慮生產(chǎn)計劃上的柔性，使之適應市場對于產(chǎn)品需求的變化、工藝和設備的更新及擴大生產(chǎn)能力的需要，及柔性生產(chǎn)制造的目標;

（5）生產(chǎn)線布局需要適應組織結(jié)構(gòu)的合理化和管理的方便，使有密切關(guān)系或性質(zhì)相近的作業(yè)單位布局在一個區(qū)域并就近布局，甚至合并在同一個建筑物內(nèi);

（6）生產(chǎn)線布局需要為職工提供方便、安全、舒適的作業(yè)環(huán)境，使之合乎生理、心理的要求，為提高生產(chǎn)效率和保證職工身心健康創(chuàng)造條件。

3、機器人生產(chǎn)線布局設計方法與流程

機器人生產(chǎn)線布局設計方法具體流程內(nèi)容如下圖1所示。其中，前四個步驟為機器人生產(chǎn)線布局設計的前處理，主要為下面工作單元布局優(yōu)化和機器人生產(chǎn)線布局設計確定生產(chǎn)線相關(guān)數(shù)據(jù)如生產(chǎn)線組織形式、生產(chǎn)節(jié)拍、工作單元分組。而工作單元布局優(yōu)化主要是對已分組的各個工作單元內(nèi)的工業(yè)機器人與設備之間布局進行優(yōu)化，逐個完成對工作單元的布局優(yōu)化后，則對機器人生產(chǎn)線整體進行布局設計，獲得滿意的機器人生產(chǎn)線布局方案。

（1）確定生產(chǎn)線的生產(chǎn)組織形式。生產(chǎn)組織方式是指為能順利進行生產(chǎn)過程，將工業(yè)機器人、數(shù)控設備和生產(chǎn)對象進行合理地配備與組織。每個企業(yè)的生產(chǎn)組織方式都需要根據(jù)企業(yè)自身的生產(chǎn)特點來組織設計。生產(chǎn)組織形式可以劃分為工藝式布局（也稱為功能布局）、產(chǎn)品式布局和單元成組式布局。如表3—1所示，對3種生產(chǎn)組織形式的特點和優(yōu)缺點進行一個匯總介紹，從不同的方面對這三種形式進行比較。通過分析和總結(jié)可以看出，這三種生產(chǎn)組織形式各有各的優(yōu)點和缺點，不能一概的說哪一種布局比另外一種布局好，需要根據(jù)不同的生產(chǎn)情況來選擇不同的生產(chǎn)組織形式。

對于如何確定生產(chǎn)線布局的組織形式，可以從以下三個方面出發(fā)：

（1） 由企業(yè)的產(chǎn)品種類和相應產(chǎn)量。根據(jù)生產(chǎn)線的具體設計要求來確定該生產(chǎn)線的生產(chǎn)范圍（產(chǎn)品型號、產(chǎn)品產(chǎn)量），由此對生產(chǎn)線的生產(chǎn)組織形式與物流模式進行分析、選擇。作為生產(chǎn)線布局設計的開端，產(chǎn)品產(chǎn)量分析描述了生產(chǎn)方式與布局方式之間的關(guān)系，如下圖3.2所示。產(chǎn)品產(chǎn)量分析的結(jié)果不僅是確定生產(chǎn)組織形式和物流模式的基礎(chǔ)，也是劃分工作單位的基礎(chǔ)。

（2）由企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和車間的生產(chǎn)類型。企業(yè)規(guī)模大，車間任務多，可以選擇產(chǎn)品式布局;若企業(yè)規(guī)模小，設備少，可以選擇工藝式布局。

（3）由企業(yè)的訂單和專業(yè)化生產(chǎn)的穩(wěn)定性。如果企業(yè)的訂單和生產(chǎn)在一定程度上是穩(wěn)定的，可以選擇產(chǎn)品式布局;若相反，可以選擇工藝式布局。

（2）平衡生產(chǎn)線工序。工序平衡化是指通過采取技術(shù)組織措施來調(diào)整生產(chǎn)線各工序的作業(yè)內(nèi)容，使各工序單件作業(yè)時間等于或接近節(jié)拍或節(jié)拍的整數(shù)倍。工序平衡化是連續(xù)生產(chǎn)線的必要條件，工序平衡化程度越高，生產(chǎn)線工作單元負荷系數(shù)也越高，有利于提高勞動生產(chǎn)率和縮短生存周期。對于自動化生產(chǎn)線的工序平衡化，豐要是靠技術(shù)措施來實現(xiàn)。如采用高效率的工藝裝備，提高切削用量，改進工作單元的布局和操作方法，以減少輔助時問和切削時間：對機床進行改裝，增加附件等，實行多件加工，以減少單件加工時問等。在實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)線上各工序，由于有許多因素限制著作業(yè)元素的分配，比如其自身工藝技術(shù)、數(shù)控設備的數(shù)量和加工精度等諸多客觀限制，導致各工序的工時之間必然存在著差異，從而使得工作單元不能達到滿負荷。具體的約束有以下幾種：

（1）工藝的順序約束，即作業(yè)元素的分解、合并必須遵循加工、裝配過程的要求，不能隨意插補或顛倒。例如，在鉸錐孔之前必須鉆孔。

（2）加工生產(chǎn)技術(shù)上的約束，即保證技術(shù)要求，必須防止工序之間的干擾，如精加工不能安排在有敲擊的操作之前。

（3）工作單元布局優(yōu)化。在對機器人生產(chǎn)線中各個工作單元的工序平衡化后，便需要分別對各個工作單元內(nèi)的設備與機器人進行布局優(yōu)化，獲得工作單元的布局方案，如下圖3—4所示。

（4）機器人生產(chǎn)線布局設計。在完成對機器人生產(chǎn)線中每個工作單元內(nèi)的設備與機器人之間相對位姿的布局優(yōu)化后，便以此為待布局單位，對機器人生產(chǎn)線進行整體布局設計，獲得滿意的生產(chǎn)線整體布局方案，如下圖4所示。

4、結(jié)語

機器人加工自動化的應用，既改善了勞動條件，減輕了工人勞動強度，又可確保生產(chǎn)安全，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，還能降低能源及原材料消耗，節(jié)省輔助加工時間，降低產(chǎn)品成本。隨著生產(chǎn)線的制作、調(diào)試周期逐步縮短，機器人自動化生產(chǎn)線越來越為汽車主機廠所接受，成為自動化生產(chǎn)線的主流。

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