CN106383453B - 一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法，包括下列步骤：利用数字化工厂仿真软件Visual Components设计混合空气开关装配生产线，并对其进行三维建模、模拟仿真和改进优化。对混合空气开关生产线的工作任务的次序进行优化，减少设备等待时间，提高装配生产线的平衡率和生产效率。在降低成本上，通过增加一个机器人装配平台来提高生产线的生产效率，以及通过让上螺丝机器人自动换取螺丝枪，将每个装配平台的螺丝机器人的数量减到1个。该方法基于数字工厂，可在生产线真正投入运营之前设计好空气开关装配生产线、车间布局、生产过程优化、以及验证可行性和发现错误，可有效减少研发周期和企业成本。
Description
技术领域
本发明涉及自动化生产线装配设计的技术领域，具体涉及一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法。
背景技术
2013年由德国“工业4.0小组”在汉诺威工业博览会上率先出的第四次工业革命概念——“工业4.0”，是德国未来重要的高科技战略计划之一。数字化工厂作为智能制造工程发展的一个方向，其内涵丰富，涵盖了产品设计、生产工艺、三维仿真、信息管理等多方面技术，能够全方位地推动制造业智能化的发展进程，帮助我国制造业迅速向“中国制造2025”第一步目标迈进。
目前，国内很多制造厂商已经普遍使用计算机技术实现了产品设计数字化。然而，生产过程的数字化仿真的研究与应用仍然得不到推广，使数字化工厂技术的发展缺少了关键的一环。只有结合数字化工厂仿真技术，生产过程才能真正实现数字化。在生产过程中应用数字化仿真技术，可以在关键工位采用机器人工作，组建生产过程的信息采集系统，建立起智能化生产过程；可以在数字化环境中实现与生产线三维模型自由交互，实现设计模型的动态仿真，不仅可以前掌握生产线的生产情况，还可以大大减少修改成本；可以进一步简化生产过程的设计，降低工业机器人应用系统开发的难度，推广智能化和网络化生产在实际生产过程中的应用。
数字化工厂仿真技术是数字化工厂技术中的一个关键组成部分，它的使用与推广将有利于国内制造业的数字化实现，从根本上解决生产线系统开发的难题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法，所述仿真方法包括：
S1、利用数字化工厂仿真软件Visual Components对空气开关装配生产线进行三维建模，通过模拟仿真构建出生产不同类型的空气开关装配生产线，其中，所述空气开关装配生产线包括仓库存取区、机器人装配区和传送与存储区；
S2、获取所述空气开关装配生产线上各个任务和工序的时间；
S3、根据车间调度SPT法则，优化工序加工顺序；
S4、通过调整所述空气开关装配生产线上机器人装配平台的数量以及增加机器人的具体功能降低所述空气开关装配生产线的成本以及提高所述空气开关装配生产线的生产效率。
进一步地，所述空气开关装配生产线上的任务包括：任务A、任务B和任务C，其中所述任务A为仓库存取，所述任务B为机器人装配，所述任务C为传送与存储；
所述任务A包括：工序A1、工序A2，其中，所述工序A1为零部件存储，所述工序A2为零部件排序并传送；
所述任务B包括：工序B1、工序B2、工序B3、工序B4、工序B5、工序B6、工序B7、工序B8、工序B9、工序B10、工序B11，其中，所述工序B1为抓取并安放外壳底座，所述工序B2为抓取并安放电路板，所述工序B3为固定电路板，所述工序B4为抓取外壳盖板，所述工序B5为固定外壳盖板，所述工序B6为加装接线螺丝，所述工序B7为转移空气开关，所述工序B8为安放外壳盖板，所述工序B9为固定小型电路板，所述工序B10为固定小型外壳盖板，所述工序B11为加装小型接线螺丝。
进一步地，所述步骤S1具体包括：
S11、机器人设备的选型，分别选取抓取机器人和上螺丝机器人；
S12、所述机器人装配区搭建，所述机器人装配区包括：1个抓取机器人、1个上螺丝机器人、1个加工平台、1条零部件传送带和1条成品传送带；
S13、所述传送与存储区搭建，所述传送与存储区包括：1个XY向传送带、1个货架、2个码垛机和3个出入货工作站；
S14、装配扫码装置，通过固定在传送带上的红外扫码装置，在零部件或产品经过的时候进行记录，确定零件或产品出现在某个工位的时间，从而实现零部件或产品的实时跟踪；
S15、装配视觉识别装置，采用机器人视觉技术进行辅助生产，使得机器人能够自动跟踪并捕捉零件。
进一步地，所述步骤S2具体包括：
S21、获取工序A1的时间，该工序使用了货架、码垛机、入库站和出库站设备，测试方法是通过大量零部件的输入让码垛机满负荷工作，持续进行若干分钟的仿真，通过统计三个零部件的输出数量，计算出工序A1的时间；
S22、获取工序A2的时间，该工序使用了三合一传送带，该传送带可以对不同通道的零部件进行排序，按照顺序将零部件配送到机器人装配工位，通过统计传送带通过的零部件数量可以统计在若干分钟内该传送带完成工序A2的次数；
S23、获取任务A的时间，将工序A1零部件存储和A2零部件排序并传送所使用到的设备相连接的时间，组成完成任务A的工位，通过让码垛机满负荷工作，统计传送带上的输出零配件的数量来计算任务A的工时；
S24、获取工序B1、工序B2、工序B4和工序B8的时间，上述工序需要用到抓取机器人、装配平台和传送带，测试方法是让传送带快速配送某种零部件，对抓取机器人编程，让其自动识别并抓取零部件到装配平台，并不断重复该过程；
S25、获取工序B3、工序B5和工序B6的时间，上述工序需要用到3个上螺丝机器人、3种不同的螺丝枪和装配平台，按照同样的方法不断让上螺丝机器人重复进行装配螺丝动作，每完成一次动作让机器人输出累计的次数，以此来统计若干分钟测试内总共完成动作次数；
S26、获取工序B7的时间，该工序需要使用到抓取机器人和成品传送带，对抓取机器人进行动作编程，让其不断把空气开关成品从工作台转移到成品传送带上，统计成品传送带上物品的数量；
S27、获取工序B9、工序B10和工序B11的时间，上述工序需要用到3个上螺丝机器人、3种不同的螺丝枪和装配平台，按照同样的方法不断让上螺丝机器人重复进行装配螺丝动作，每完成一次动作让机器人输出累计的次数，以此来统计若干分钟测试内总共完成动作次数；
S28、获取任务B的时间，将工序B1至工序B11按装配任务要求进行组合连接的时间，组成完成任务B的工位B，其中，装配任务包括：小型空气开关机器人装配任务和大型空气开关机器人装配任务，所述工位B包括抓取机器人、上螺丝机器人、装配平台、零部件传送带和成品传送带；
S29、获取任务C的时间，组成完成任务C的工位C，所述工位C包括成品传送带、次品传送带、货架、码垛机、出入库站。
进一步地，所述步骤S3、根据车间调度SPT法则，优化工序加工顺序之后，还包括：
SX、验证所述装配生产线的平衡率的可行性，所述步骤SX具体如下：
SX1、计算低成本混合空气开关装配生产线的任务时间总和；
SX2、计算理论最少工位数N；
SX3、计算生产线的平衡率E；
SX4、验证所述生产线的平衡率E是否达平衡率E的判断阀值。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)实现基于Visual Components对空气开关低成本装配生产线的设计。
2)工作任务的次序优化，减少成本，提高装配生产线的平衡率和生产效率。
3)实现在生产线上的机器人装配工位减少螺丝机器人的数量，以提高每个机器人的工作负荷率。
4)在降低成本上，通过让上螺丝机器人自动换取螺丝枪，将每个装配平台的螺丝机器人的数量减少到了1个。
附图说明
图1(a)是小型空气开关机器人装配任务工序连接图；
图1(b)是大型空气开关机器人装配任务工序连接图；
图2是装配生产线上的视觉识别模块图；
图3是上螺丝机器人的装配效果图；
图4是低成本混合柔性装配生产线三维效果图；
图5是低成本装配生产线上螺丝机器人的程序流程图；
图6是低成本装配生产线抓取机器人程序流程图；
图7是本发明公开的基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例公开了一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法，如附图7所示，该仿真方法包括下列步骤：
S1、利用数字化工厂仿真软件Visual Components对空气开关装配生产线进行三维建模、模拟仿真和改进设计；构建出一套可以生产不同类型的空气开关的装配生产线。总的设计方案图如图4所示。
空气开关装配生产线包括，如图4所示：I区为仓库存取区，II区为机器人装配区、III区为传送与存储区。
S11、机器人设备的选型：选用ABB公司的六轴机器人，型号是IRB2400L和IRB120。其中，IRB2400L的功能为抓取机器人，IRB120为上螺丝机器人。抓取机器人主要负责从传送带抓取零部件到工作平台，然后组合零部件并通知其它机器人进行固定，最后转移成品；而上螺丝机器人负责固定零部件和接线端子。
S12、机器人装配区搭建：机器人装配区由1个抓取机器人、1个上螺丝机器人、1个加工平台、1条零部件传送带和1条成品传送带组成，该部分主要负责空气开关的所有装配工作，是整个装配生产线中的重点。
S13、传送与存储区搭建：传送与存储区主要包含1个XY向传送带、1个货架、2个码垛机和3个出入货工作站。一部分用于检测空气开关是否有装配缺陷，对有缺陷的空气开关进行回收；另一部分要将完好的空气开关进行分类存储，为下一步处理做好准备。
S14、装配扫码装置：为了实现对产品信息追踪、用料成本控制、任务时间控制、产品类型区分等功能。通过固定在传送带上的红外扫码装置，在零部件或产品经过的时候进行记录，可以确定零件或产品出现在某个工位的时间，从而实现零部件或产品的实时跟踪。
S15、装配视觉识别装置：采用机器人视觉技术进行辅助生产，使得机器人能够自动跟踪并捕捉零件，甚至能够根据不同的零件进行不同的装配动作，无需人工干预。装配生产线上的视觉识别装置如图2所示
S2、获取任务和工序时间：工序图如图1所示。任务时间表如表1所示。
表1.低成本混合空气开关的装配任务时间表
分别获取该装配生产线各个任务和工序的工作时间。要获取每个任务和工序时间，需要对每个任务和工序对应的设备进行单独的工序时间测试。具体任务实施方式如下：
S21、获取工序A1零部件存储的时间，仓库存取工序使用了货架、码垛机、入库站和出库站设备，测试方法是通过大量零部件的输入让码垛机满负荷工作，持续进行5分钟的仿真，通过统计三个零部件的输出数量，计算出该部分工序的时间。
S22、获取工序A2零部件排序并传送的时间，工序A2中使用了三合一传送带，该传送带可以对不同通道的零部件进行排序，按照顺序将零部件配送到机器人装配工位。通过统计传送带通过的零部件数量可以统计在一定时间内该传送带完成工序A2的次数。
S23、获取任务A仓库存取的时间，将工序A1零部件存储和A2零部件排序并传送所使用到的设备相连接的时间，组成完成任务A的工位，通过让码垛机满负荷工作，统计传送带上的输出零配件的数量来计算任务A的工时。
S24、获取工序B1抓取并安放外壳底座、工序B2抓取并安放电路板、工序B4抓取外壳盖板和工序B8安放外壳盖板的时间，工序B1、工序B2、工序B4和工序B8这四个工序需要用到抓取机器人、装配平台和传送带等设备，测试方法是让传送带快速配送某种零部件，对抓取机器人编程，让它自动识别并抓取零部件到装配平台，并不断重复该过程。
S25、获取工序B3固定电路板、工序B5固定外壳盖板和工序B6加装接线螺丝的时间，工序B3、工序B5和工序B6这三个工序主要涉及到3个上螺丝机器人、3种不同的螺丝枪和装配平台。由于空气开关的装配需要三种不同的螺丝，所以此处采用三个装配不同螺丝枪的机器人进行螺丝装配。按照同样的方法不断让上螺丝机器人重复进行装配螺丝动作，每完成一次动作让机器人输出累计的次数，以此来统计5分钟测试内总共完成动作次数。
S26、获取工序B7转移空气开关的时间，该工序需要使用到抓取机器人和成品传送带。对抓取机器人进行动作编程，让它不断把空气开关成品从工作台转移到成品传送带上，统计成品传送带上物品的数量。
S27、获取工序B9固定小型电路板、工序B10固定小型外壳盖板和工序B11加装小型接线螺丝的时间。工序B9、工序B10和工序B11和S25的计算方法一致，只是在同一生产线上生产不同型号的空气开关以减小成本。
S28、获取任务B机器人装配的时间，将工序B1到B11按装配任务要求进行组合连接的时间，组成完成任务B的工位B，其中，装配任务包括：小型空气开关机器人装配任务和大型空气开关机器人装配任务。工位B主要包括抓取机器人、上螺丝机器人、装配平台、零部件传送带和成品传送带。为了让工位B能够满负荷工作，先使零部件传送带满负荷工作。
S29、获取任务C传送与存储的时间，组成工位C的主要设备包括成品传送带、次品传送带、货架、码垛机、出入库站。与前面的任务工时测试方法相似，让工位C满负荷工作并进行仿真测试。
S3、根据车间调度SPT(最短加工时间)法则，优化工序加工顺序，减少不必要的等待时间，提高生产效率。
其中，小型空气开关装配工序顺序图如图1(a)所示。
其中，大型空气开关装配工序顺序图如图1(b)所示。
其中，低成本装配生产线上螺丝机器人的程序流程图5所示。
其中，抓取机器人程序流程图如图6所示。
SX、验证该装配生产线的平衡率的可行性。
根据表1，低成本混合空气开关装配生产线的任务时间总和：
T＝10.71+10.71+4.54＝25.96(s)
通过仿真测试获取5分钟内该装配生产线完成的空气开关数量为22个。相应的生产效率为13.64秒完成一个空气开关。
计算理论最少工位数N如下：
计算生产线的平衡率E为：
由计算结果可知，该装配生产线的生产平衡率达到95％以上，可以满足大部分工厂的生产需求。
S4、通过调整装配生产线上机器人装配平台的数量以及增加机器人的具体功能降低装配生产线的成本以及提高装配生产线的生产效率。
在本实施例中，在降低成本上：通过增加一个机器人装配平台来提高生产线的生产效率，以及通过让上螺丝机器人自动换取螺丝枪，将每个装配平台的螺丝机器人的数量减少到了1个。
提高生产线的生产效率：在原来的空气开关装配生产线基础上再添加了一个机器人装配平台。两个机器人装配平台不仅可以明显提高零部件的利用率，还可以提高生产效率。抓取机器人在完成工序B2(抓取并安放电路板)等待工序B3(固定电路板)的过程中总是待机，直到工序B3完成才进行工序B4(抓取并安放外壳盖板)，任务B在这其中浪费了不少时间。如果将工序B4分解为两部分：其一为抓取外壳盖板，二为安放外壳盖板。那么，抓取机器人就可以在工序B3进行的过程中抓取外壳盖板，减少等待时间，实现时间的复用，在一定程度上可以增加抓取机器人的负荷率，提高生产效率。如图4所示的平台2为增加的装配生产线。
通过让上螺丝机器人自动换取螺丝枪，将每个装配平台的螺丝机器人的数量减少到了1个。原本生产空气开关需要三个上螺丝机器人，每个上螺丝机器人只负责一类螺丝的装配，导致每个机器人的负荷率不高。本发明通过让上螺丝机器人根据机器指令自动换取螺丝枪，将每个装配平台上的螺丝机器人的数量减少到了1个。如图3所示，上螺丝机器人右侧放置工具架，工具架上放置着三个不同的螺丝枪。当接到上螺丝指令的时候，上螺丝机器人会先从工具架上装配螺丝枪，再进行上螺丝动作。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括：
S1、利用数字化工厂仿真软件Visual Components对空气开关装配生产线进行三维建模，通过模拟仿真构建出生产不同类型的空气开关装配生产线，其中，所述空气开关装配生产线包括仓库存取区、机器人装配区和传送与存储区；
其中，所述步骤S1具体包括：
S11、机器人设备的选型，分别选取抓取机器人和上螺丝机器人；
S12、所述机器人装配区搭建，所述机器人装配区包括：1个抓取机器人、1个上螺丝机器人、1个加工平台、1条零部件传送带和1条成品传送带；
S13、所述传送与存储区搭建，所述传送与存储区包括：1个XY向传送带、1个货架、2个码垛机和3个出入货工作站；
S14、装配扫码装置，通过固定在传送带上的红外扫码装置，在零部件或产品经过的时候进行记录，确定零件或产品出现在某个工位的时间，从而实现零部件或产品的实时跟踪；
S15、装配视觉识别装置，采用机器人视觉技术进行辅助生产，使得机器人能够自动跟踪并捕捉零件；
S2、获取所述空气开关装配生产线上各个任务和工序的时间；
S3、根据车间调度SPT法则，优化工序加工顺序；
S4、通过调整所述空气开关装配生产线上机器人装配平台的数量以及增加机器人的具体功能降低所述空气开关装配生产线的成本以及提高所述空气开关装配生产线的生产效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法，其特征在于，
所述空气开关装配生产线上的任务包括：任务A、任务B和任务C，其中所述任务A为仓库存取，所述任务B为机器人装配，所述任务C为传送与存储；
所述任务A包括：工序A1、工序A2，其中，所述工序A1为零部件存储，所述工序A2为零部件排序并传送；
所述任务B包括：工序B1、工序B2、工序B3、工序B4、工序B5、工序B6、工序B7、工序B8、工序B9、工序B10、工序B11，其中，所述工序B1为抓取并安放外壳底座，所述工序B2为抓取并安放电路板，所述工序B3为固定电路板，所述工序B4为抓取外壳盖板，所述工序B5为固定外壳盖板，所述工序B6为加装接线螺丝，所述工序B7为转移空气开关，所述工序B8为安放外壳盖板，所述工序B9为固定小型电路板，所述工序B10为固定小型外壳盖板，所述工序B11为加装小型接线螺丝。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法，其特征在于，
所述步骤S2具体包括：
S21、获取工序A1的时间，该工序使用了货架、码垛机、入库站和出库站设备，测试方法是通过大量零部件的输入让码垛机满负荷工作，持续进行若干分钟的仿真，通过统计三个零部件的输出数量，计算出工序A1的时间；
S22、获取工序A2的时间，该工序使用了三合一传送带，该传送带可以对不同通道的零部件进行排序，按照顺序将零部件配送到机器人装配工位，通过统计传送带通过的零部件数量可以统计在若干分钟内该传送带完成工序A2的次数；
S23、获取任务A的时间，将工序A1零部件存储和A2零部件排序并传送所使用到的设备相连接的时间，组成完成任务A的工位，通过让码垛机满负荷工作，统计传送带上的输出零配件的数量来计算任务A的工时；
S24、获取工序B1、工序B2、工序B4和工序B8的时间，上述工序需要用到抓取机器人、装配平台和传送带，测试方法是让传送带快速配送某种零部件，对抓取机器人编程，让其自动识别并抓取零部件到装配平台，并不断重复该过程；
S25、获取工序B3、工序B5和工序B6的时间，上述工序需要用到3个上螺丝机器人、3种不同的螺丝枪和装配平台，按照同样的方法不断让上螺丝机器人重复进行装配螺丝动作，每完成一次动作让机器人输出累计的次数，以此来统计若干分钟测试内总共完成动作次数；
S26、获取工序B7的时间，该工序需要使用到抓取机器人和成品传送带，对抓取机器人进行动作编程，让其不断把空气开关成品从工作台转移到成品传送带上，统计成品传送带上物品的数量；
S27、获取工序B9、工序B10和工序B11的时间，上述工序需要用到3个上螺丝机器人、3种不同的螺丝枪和装配平台，按照同样的方法不断让上螺丝机器人重复进行装配螺丝动作，每完成一次动作让机器人输出累计的次数，以此来统计若干分钟测试内总共完成动作次数；
S28、获取任务B的时间，将工序B1至工序B11按装配任务要求进行组合连接的时间，组成完成任务B的工位B，其中，装配任务包括：小型空气开关机器人装配任务和大型空气开关机器人装配任务，所述工位B包括抓取机器人、上螺丝机器人、装配平台、零部件传送带和成品传送带；
S29、获取任务C的时间，组成完成任务C的工位C，所述工位C包括成品传送带、次品传送带、货架、码垛机、出入库站。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法，其特征在于，所述步骤S3、根据车间调度SPT法则，优化工序加工顺序之后，还包括：
SX、验证所述装配生产线的平衡率的可行性，所述步骤SX具体如下：
SX1、计算低成本混合空气开关装配生产线的任务时间总和；
SX2、计算理论最少工位数N；
SX3、计算生产线的平衡率E；
SX4、验证所述生产线的平衡率E是否达平衡率E的判断阀值。
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