基于5G 技術(shù)Flexsim 系統(tǒng)仿真的機(jī)器人智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)

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(xué)珠海學(xué)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(wǎng)”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(zhuǎn)型升級(jí)過程中面臨諸多問題，例如自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用和升級(jí)。其中，各類制造企業(yè)普遍開始采用機(jī)器人上崗，以期提升生產(chǎn)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(jī)器人會(huì)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(jī)協(xié)作較差，不安全等等。因此，新型機(jī)器人的應(yīng)用需求應(yīng)運(yùn)而生并且火爆市場——協(xié)作型機(jī)器人。

新型協(xié)作機(jī)器人普遍具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，在保證整體提高企業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)企業(yè)小批量、定制化生產(chǎn)。在可預(yù)見的將來，協(xié)作機(jī)器人的開發(fā)、應(yīng)用必將在制造業(yè)中占據(jù)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(yīng)商之一，于1998 年在珠海建立分公司，主要生產(chǎn)和銷售自產(chǎn)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(chǎn)品的研發(fā)和售后服務(wù)。

連接器是H 公司的主營產(chǎn)品，主要采用鋁合金和鋅合金兩種材料進(jìn)行加工，鋁合金和鋅合金是工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料。該產(chǎn)品具有優(yōu)化的防水、防塵和防冰設(shè)計(jì)，使用壽命長的特點(diǎn)。在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。該產(chǎn)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(chǎn)工序

首先激光打標(biāo)模塊是通過操作員1 將產(chǎn)品連接器放入機(jī)器進(jìn)行激光打標(biāo)，接著將打標(biāo)完的產(chǎn)品擺放在固定區(qū)域，然后由機(jī)械裝配模塊由操作員2 進(jìn)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(jī)械裝配所需時(shí)間較長，為瓶頸工序，因此激光打標(biāo)的操作員1 還需負(fù)責(zé)最后的打包操作。

1.4 改善后的生產(chǎn)工序設(shè)計(jì)

操作員1 一人要負(fù)責(zé)兩個(gè)工位，需要經(jīng)常來回跑動(dòng)，疲憊不堪，而操作員2 負(fù)責(zé)的工序?yàn)槠款i工序，耗時(shí)長且過程重復(fù)易疲勞，因此根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)和生產(chǎn)的工藝流程，本文設(shè)計(jì)了一條基于5G 技術(shù)的機(jī)器人智能生產(chǎn)線，如圖1 為其工藝程流程圖，其中操作員1 負(fù)責(zé)激光打標(biāo)過程，將打標(biāo)好的連接器放入暫存區(qū)，另外在等待激光打標(biāo)的過程中負(fù)責(zé)將鉚釘插入套筒中并放入設(shè)計(jì)好的固定盤中，裝滿盤子后將其放入設(shè)計(jì)好的中轉(zhuǎn)臺(tái)中，然后原來機(jī)械加工的操作員2 用達(dá)明機(jī)械臂代替，機(jī)械臂通過識(shí)別拾取連接器放入中轉(zhuǎn)臺(tái)，并拾取盤中裝好的鉚釘套筒進(jìn)行安裝，安裝好之后放入夾具進(jìn)行機(jī)械加工，另一邊也如此。最后打包過程由原來機(jī)械加工的操作員2 負(fù)責(zé)。

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(gè)基于Windows 的，面向?qū)ο蟮姆抡姝h(huán)境，用來建立各種經(jīng)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(jìn)行激光打標(biāo)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(jìn)行機(jī)械裝配，裝配完之后放在暫存區(qū)3，當(dāng)暫存區(qū)3 堆積到10個(gè)時(shí)，操作員1 停止激光打標(biāo)過程，去進(jìn)行處理器3 的打包過程，最后進(jìn)入吸收器1。運(yùn)行時(shí)間為8h，其中處理器1激光打標(biāo)的加工時(shí)間為9s，處理器2 機(jī)械裝配的加工時(shí)間為12s，處理器3 打包的時(shí)間為3s，為運(yùn)行8h 后吸收器的吸收量，即日總生產(chǎn)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(jìn)行激光打標(biāo)后放到暫存區(qū)2，然后有機(jī)器人將連接器由暫存區(qū)2 再拿到處理器2 進(jìn)行機(jī)械裝配，裝配完之后放在暫存區(qū)3，最后由操作員2 去進(jìn)行處理器3 的打包過程，最后進(jìn)入吸收器1。運(yùn)行時(shí)間為8h，其中處理器1 激光打標(biāo)的加工時(shí)間為9s，處理器2 機(jī)械裝配的加工時(shí)間降為3.5s，處理器3 打包的時(shí)間為3s，為運(yùn)行8h 后吸收器的吸收量，即日總生產(chǎn)量為2150（圖5）。

圖5 改善后仿真數(shù)據(jù)

在改善前操作員1 一人要負(fù)責(zé)兩個(gè)工位，需要經(jīng)常來回跑動(dòng)，疲憊不堪，而操作員2 而負(fù)責(zé)的工序?yàn)槠款i工序，耗時(shí)長且過程重復(fù)易疲勞，因此根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)和生產(chǎn)的工藝流程，本文設(shè)計(jì)了一條基于5G 技術(shù)的機(jī)器人智能生產(chǎn)線，通過該數(shù)據(jù)可知，改善后日產(chǎn)量增加了580 個(gè)，比原生產(chǎn)方式提高了36.9%的生產(chǎn)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(shù)。它以產(chǎn)品或零件的制造全過程為研究對(duì)象，把加工工藝劃分為加工、檢查、搬運(yùn)、等待和儲(chǔ)存等五種狀態(tài)加以記錄。流程分析是對(duì)產(chǎn)品和零件整個(gè)制造過程的詳細(xì)分析，尤其適用于對(duì)搬運(yùn)、儲(chǔ)存、等待等隱藏成本浪費(fèi)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(jī)械臂代替人力。從整體流程上分析，通過改善，生產(chǎn)時(shí)間從原來的32 秒減少為18.5 秒，縮短了13.5 秒。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

通過產(chǎn)品的成本、利潤之間關(guān)系的分析，研究在不同經(jīng)營條件下經(jīng)濟(jì)的質(zhì)量，以求得企業(yè)和社會(huì)最佳經(jīng)濟(jì)效益的方法。常常被簡化稱之為“經(jīng)濟(jì)分析”。

H 公司的該零件為主力產(chǎn)品，產(chǎn)量占整個(gè)公司產(chǎn)品的49.8%，提高該產(chǎn)品的效率有很高的經(jīng)濟(jì)效益，通過調(diào)查分析得出，該產(chǎn)品最后的組裝工藝是該產(chǎn)線的瓶頸，通過設(shè)計(jì)一條人機(jī)協(xié)作的智能產(chǎn)線來提升效率。

H 公司的年固定成本為20000 元，該產(chǎn)品單位變動(dòng)成本為20 元/件，銷售價(jià)格為22 元每件，通過Flexsim 仿真輸出的結(jié)果，改善前的日產(chǎn)量為1500 件/天，改善后的日產(chǎn)量為2150 件/天，TM5-70000 的成本為100000 元，考慮新設(shè)備的上手時(shí)間，初始一星期速度為正常速度的80%，一個(gè)星期后可以達(dá)到100%。

效率增長率l：l=（2150-1570）/1570=36.9%

學(xué)習(xí)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(gè)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(jīng)濟(jì)效益的分析得出，在考慮當(dāng)前利潤的同時(shí)，該新設(shè)備的回收期為3.4 月，符合經(jīng)濟(jì)效益最大化，建議加入新設(shè)備。

2.4 安全性分析

本設(shè)計(jì)采用了TM Robot 系列產(chǎn)品，型號(hào)為TM5-700。該系列的機(jī)器人為工業(yè)自動(dòng)化需求而打造，具備內(nèi)建視覺，能解決人與機(jī)械或機(jī)械與機(jī)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(chǎn)過程中，人與機(jī)械可以安全協(xié)同作業(yè)，突破傳統(tǒng)生產(chǎn)上遇到的瓶頸與障礙，結(jié)合人和機(jī)器工作上不同的特點(diǎn)，形成智能化產(chǎn)線。

在運(yùn)用達(dá)明機(jī)器人的同時(shí)，為了進(jìn)一步提高安全性，增加了緊急制動(dòng)系統(tǒng)（ABES），這個(gè)系統(tǒng)可以需要時(shí)快速切斷電源，這個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)按鈕，分別為“紅”和“綠”色，紅色按鈕為“緊急制動(dòng)”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(shí)才會(huì)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(shè)計(jì)。容差技術(shù)能夠?qū)收先萑蹋⒎菬o視故障的存在，它首先要自動(dòng)地實(shí)時(shí)監(jiān)測并診斷出系統(tǒng)的故障，然后采用對(duì)故障的控制，事后處理的策略，根據(jù)故障的不同情況，一個(gè)容差系統(tǒng)的容差所包含的內(nèi)容為故障限制、故障檢驗(yàn)、故障屏蔽、重試診斷、重組、恢復(fù)、重啟動(dòng)、修復(fù)及構(gòu)成。

3 方案評(píng)估

3.1 方案評(píng)估

本方案基于人因工程學(xué)以達(dá)明智慧型協(xié)作機(jī)器人代替人進(jìn)行重復(fù)繁瑣的操作，從而減輕人的負(fù)擔(dān)、提高生產(chǎn)效率與自動(dòng)化水平。通過Flexsim 仿真分析法分別對(duì)改善前的和改善后的流程進(jìn)行仿真，得到改善前的日生產(chǎn)量為1570，改善后的日生產(chǎn)量為2150，改善后日產(chǎn)量增加了580，比原生產(chǎn)方式提高了36.9%的生產(chǎn)效率。然后經(jīng)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(jī)械臂代替人力。生產(chǎn)時(shí)間從原來的32 秒減少為18.5 秒，縮短了13.5 秒。通過經(jīng)濟(jì)效益的分析得出，在考慮當(dāng)前利潤的同時(shí)，該新設(shè)備的回收期為3.4 月，符合經(jīng)濟(jì)效益最大化。通過對(duì)可靠性的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，使得機(jī)器人具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)異常、質(zhì)量異常的情況，提高生產(chǎn)線的稼動(dòng)率。

3.2 方案推廣

通過上文對(duì)達(dá)明協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用若能在實(shí)際操作中取得成功，便可以推廣到多種同類型的裝配生產(chǎn)線。此外協(xié)作機(jī)器人的主要特點(diǎn)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(xiǎn)、重復(fù)、力量大的工作。協(xié)作機(jī)器人可以擔(dān)任許多角色，通常可以應(yīng)用在服務(wù)行業(yè)和工業(yè)行業(yè)。比如，自動(dòng)擰緊，在實(shí)際生產(chǎn)中擰緊是一項(xiàng)非常單調(diào)枯燥的工作，使用協(xié)作機(jī)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(jī)器人裝上“眼睛”，使其能夠準(zhǔn)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(shè)定的規(guī)則進(jìn)行分揀。將協(xié)作機(jī)器人引入服務(wù)行業(yè)是一件很吸引眼球的事情，協(xié)作機(jī)器人可以協(xié)作開啤酒、抓取酒杯或啤酒的工作。

4 總結(jié)

本章以H 公司連接器裝配線為背景，通過對(duì)裝配線的各個(gè)工序進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)工序一中存在操作員等待時(shí)間長，工序二中操作時(shí)間長，成為生產(chǎn)的瓶頸。因此本文進(jìn)行了生產(chǎn)工序設(shè)計(jì)、整體設(shè)計(jì)和人因工程設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Flexsim 軟件對(duì)改善前后進(jìn)行仿真對(duì)比，發(fā)現(xiàn)改善前的日總生產(chǎn)量為1570，改善后的產(chǎn)量為2150，改善后日產(chǎn)量增加80，生產(chǎn)率提高36.9%。為確保方案的可行性，本文進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)學(xué)分析、安全分析、可靠性分析和仿真分析，得到購買協(xié)作機(jī)器人作為新設(shè)備的回收期為3.4 個(gè)月，符合經(jīng)濟(jì)效益最大化；使用達(dá)明機(jī)器人保障性大大提高，產(chǎn)線更加安全；并聯(lián)模型和容差設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)效益問題，建議引進(jìn)協(xié)作機(jī)器人，對(duì)產(chǎn)線將起到很好的效率提升、成本降低和保障作用。