机器人装配线柔性制造系统设计与优化

机器人装配线柔性制造系统设计与优化

李显文

四川省宜宾市 翠屏区 四川轻化工大学  专业：机械设计制造及其自动化 644000

目录

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摘要

关键词

第1章 绪论

第2章 柔性制造系统设计

2.1 柔性制造系统的设计原则

2.2 柔性制造系统组成

第3章 柔性制造系统的设计与优化

3.1 柔性制造系统需求

3.2 柔性制造系统关键技术

3.3 柔性制造系统的方案与解决方案

第6章 总结与展望

参考文献

摘要

       随着社会的发展，装配技术已经成为企业生产制造中必不可少、不可或缺的工艺装备,而传统手工化工序已无法适应现代制造业自动化水平。在工业4.0时代背景下研究柔性自动线可以提高我国现代化生产线和设施建设效率以及增强其综合实力。本文将针对现有国内外柔性制造系统分析与优化方法进行深入探讨并提出相关改善方案及操作程序，利用人机交互界面直观地展示装配过程中从动件的运动轨迹通过软件模拟出实际模型并与人机交互完成整个产品的装配过程。

关键词

机器人    产品质量      柔性

第1章 绪论

       装配线的柔性制造系统是在保证产品质量和生产效率的同时兼顾了缩短制品成型周期、降低企业成本、实现自动化、提高制造业综合竞争能力，促进传统工业向现代制造业转型。目前我国正处于工业化中期阶段，经济全球化进程加快带来的是全球产业链加速发展以及市场国际化程度不断加深。

      与此同时随着计算机技术与通信网络等科学技术应用范围的扩大及普及率逐步提升使得装配线柔性制造系统在国内得到了广泛关注和研究并取得一定成果，但是目前国内的柔性制造系统还处于初步发展阶段，存在着一些问题，如:装配线生产效率低、产品质量差等。在这种情况下研究出一种新的结构设计优化方法是十分必要和有意义的。本文主要研究了柔性制造系统的分析与优化，在保证产品质量和生产效率的同时兼顾其他性能指标要求下对装配线进行改进。

第2章 柔性制造系统设计

2.1 柔性制造系统的设计原则

柔性制造系统是一个具有多自由度的、非线性和不确定源输入输出关系的开放型控制系统，其主要目的在于消除在装配过程中由于加工误差而产生生产率损失。为了提高产品合格率以及降低成本等目标，所以对柔性化程度提出了较高要求。同时也要考虑到不同产品之间相互配合所带来精度差异等问题，还要尽可能避免零部件间相对位置上存在的间隙或交叉点，尽可能地减少柔性部件的数量以提高不同产品之间相互配合程度，从而降低装配过程中由于磨损而引起的误差。在保证生产效率和质量要求前提下还要充分考虑到柔性化节点间对材料、工件或零部件制造时可能出现的偏差等因素。柔性制造系统的各子系统都要尽可能地采用通用化软件，以使其能够实现产品设计、工艺规划和生产控制等要求，从而降低对外部因素变化所产生的影响。

在设计柔性制造系统时，要充分考虑其与传统制造业的装配工艺方法、设备结构和产品生产环境之间的相互关系，以保证各子系统能够协调运行，还要考虑到不同产品之间的协调问题，由于各子系统间相互影响，使得柔性制造系统设计时必须充分考虑其与传统制造业装配工艺方法、设备结构和生产线环境等因素的适应性。在进行装配线柔性制造系统设计时，要充分考虑到各子系统之间的协调关系，使其能够有效地运行。

2.2 柔性制造系统组成

      本文所设计的柔性制造系统主要由基体、导向板和底尺组成。(1)基础结构:在装配线中，为了使工件能够顺利地定位，需要对零件进行适当调整，其中包括定位基准面及导正销等关键点，根据任务要求可以采用UG软件来实现三维立体模型建模。(2)辅助支撑机构:为保证柔性制造系统的稳定性、减少误差而设置的调节平衡杆和缓冲托架以及导向板在装配线中为了保证柔性制造系统的协调精度，需要对导正销进行适当调整，从而来提高整个装置的加工效率。(3)底尺:通过利用基体和导向板之间配合间隙实现上下移动导正销和定位板通过螺钉连接固定在UG软件中，并利用底尺的配合实现上下移动。

第3章 柔性制造系统的设计与优化

3.1 柔性制造系统需求

在柔性制造系统中,每个工序都具有不同的功能，因此，我们需要根据产品所要完成的任务来进行工艺分析和设计。由于装配线是一个较为复杂且耗时较多、生产效率要求很高以及对工人操作熟练程度要求比较高等，所以本文将针对某款元器件零件采用垂直单件结构形式进行柔性研究:对于零件垂直方向工序选择方案及工装布置方案，其中需要考虑到以下几个关键因素:(1)工艺分析；(2)设备的制造能力；(3)工人操作熟练程度。

由于在柔性生产过程中工序多，且每个零件都是由不同工艺加工而成，因此需要对每道工序进行分析和设计。而生产线是一个复杂并且庞大繁琐的系统工程，所以我们要考虑到其各个部分之间以及工件与产品之间是否能够相互协调以及设备运行时产生误差等问题，同时还要保证车间内各部件间不影响整体装配线的正常运转、使整个柔性生产过程更加平稳有序，从而实现柔性生产的目的。

3.2 柔性制造系统关键技术

在柔性制造系统中最重要的工艺参数是装配线宽度，它决定了零件之间的相互位置关系，而能否实现该因素将直接影响产品成本，因此必须合理设计与优化柔型结构、尺寸及表面质量。定位精度由于各工序间要求不同以及加工方式和设备等方面存在差异导致工件定位误差也会有所不同，同时还要考虑到柔性制造过程中是否需要调整工艺参数以达到控制生产节拍的目的，即对工艺参数进行微调或修改来实现预期目标。

装配工艺参数的选择应能保证各工序之间相互位置关系，同时也要考虑到满足柔性制造系统对加工精度要求的前提下。由于在进行机器人结构设计时没有涉及与零件图纸中相关关键技术问题，因此本章将以某型号工件为对象来研究其加工过程及刀具运动轨迹等方面存在哪些主要误差因素以及如何消除这些影响并提出相应解决措施，而对于装配线宽度，则是由零件图中各个孔位之间的距离决定而孔位的位置则由刀具进行调整，所以将零件图纸中所标注出来的孔位数据及相应工艺参数直接与柔性制造系统设计要求对应起来，通过验证其合理准确度来消除误差。

柔顺加工路线选择问题。由于在本文中主要研究的是装配线过程中各工序之间如何相互平行以及怎样对工件进行定位从而实现预期目标时应该考虑哪些因素以达到优化目的而制定出最优路径等方面的内容，因此在实际生产过程中可将工艺路线选择问题作为柔性结构设计优化的关键。本章主要是对线板加工工序进行分析，由于装配线上各孔位之间存在有一定距离且相互间具有相对位置关系时其工作状态和刀具运动轨迹等特性都会影响到最终工件表面的质量情况以及产品合格率，而在实际生产过程中可将工艺路线选择问题作为优化的关键。在实际生产过程中，由于存在有很多因素会影响到线板加工质量，例如工件的表面粗糙度、装配工序所需时间长短以及产品合格率等。而这些关键性问题都可以通过对其进行优化得到。在进行柔性结构优化设计时，可以通过对关键技术路线的分析来确定其最佳路径方案，并根据该最优路径选择结果与工艺规划目标相适应而制定合理、有效的调整工艺流程以获得理想生产效果。

3.3 柔性制造系统的方案与解决方案

在柔性制造系统设计过程中，首先要对生产线的瓶颈工序进行分析，并将其作为优化对象，然后再根据现有工艺流程和产品结构选择合适的工具。由于机器人装配线存在着一定程度上生产节拍不稳定、装配线上工件变形以及零件形状不规则等问题，因此需要采用合理可行的方法来解决这些因素导致出现的误差现象而造成加工精度降低这一影响因素，同时还可以利用柔性制造过程中所学的数理统计知识对产品进行分析以确定柔性制造系统的结构和功能设计。

在对生产线进行优化分析时，首先要考虑如何合理地选择机器人装配线，并通过仿真软件模拟出实际生产过程。针对以上问题，本文提出了以下方案:首先，通过分析实际生产过程中的瓶颈工序和零件结构特点来制定柔性制造系统；其次在优化过程中考虑装配线上工件变形、金属型线长度误差以及几何形状不规则等因素对其产生的影响；最后利用ANSYN有限元软件建立三维实体模型并进行仿真模拟。

第6章 总结与展望

通过这次设计，我深刻的了解到了柔性制造在未来生产生活中所起到的重要作用，以及装配线对产品质量、生产效率和加工成本等都有一定程度上影响。本文首先分析了目前国内企业柔性化机器人存在问题及原因，接着根据人机交互理论进行零件图元/部件间关系计算并建立模型，然后通过鱼骨结构构建工具箱体拓扑优化软件包配生成从动件的网格化建模与材料选择到装配线轨迹预测以及最后仿真模拟过程利用鱼骨结构生成从动件网格的拓扑优化结果，从而得到装配线柔性分析图，为实现对不同零件之间关系精确描述提供了一种方法和思路。虽然本文所研究的对象在实际生产过程中可能会遇到一些问题，但经过一系列改进后基本达到设计要求。

参考文献

[1]李增辉,张翠萍.浅析汽车装配线先进性[J].工业技术,2014,31

[2]胡洪国,杨汝清.光电对孔技术及其在汽车主锥总成对孔装配工艺自动化中的应用[J].组合机床与自动化加工技术,1999(11)

[3]万海波.一种小型定位装配机器人的设计和研制[J].浙江水利水电专科学校学报,2013,25(4)

[4]秦春清.浅谈微型汽车总装生产线的设计[J].装备制造技术,2010,4