第4章 智能生产单元设计与开发

第4章——智能生产单元设计与开发学习目标能够清晰概括单元生产的概念原理及单元生产系统布局形式

能够清晰概括智能生产单元/智能制造单元的定义及主要功能构成

能够清晰描述柔性制造单元/人机协作智能生产单元的设计方案能够简要概括多臂协作机器人技术及其应用现状案例导入——中联重科打造单元生产模式

中联重科采用“人动物不动”的组织原则，运用多单元平行作业，具备“柔性强、效率高、场地占用小”的优势，将会更适应目前多品种、小批量、变动多的需求状况。案例导入——中联重科打造单元生产模式

目前可实现超过200多种的搅拌车混线生产，自制和外购零部件库存量显著下降，装配自动化率提升至73.3%，物流自动化率提升至90%，工艺参数和关键零部件已实现100%可追溯,平均每12分钟下线一台产品。案例导入——中联重科打造单元生产模式案例导入——中联重科打造单元生产模式讨论：中联重科打造的单元生产模式给企业自身发展带来哪些帮助？对推进智能制造有哪些借鉴意义？请结合该案例分析如何提高生产线的柔性？请与同伴讨论并总结企业实施单元生产模式的必要性及实施步骤。第4章：智能生产单元设计与开发4.1

单元生产系统及其布局设计4.2智能生产单元定义及功能设计4.3柔性制造单元构成及功能设计4.4人机协作智能生产单元设计4.5智能生产单元设计与开发实例4.1单元生产系统及其布局设计单元生产概念定义：单元生产是一种以生产单元为基本载体的先进制造模式，强调小规模、多品种、快速转换的生产能力。特点：灵活性高、适应性强、对市场需求变化响应迅速等。优势：在满足个性化需求、缩短产品交付周期方面具有明显优势。提高生产效率，减少浪费，提升整体绩效。4.1单元生产系统及其布局设计单元生产系统布局设计制造系统设计原理目标刚性制造系统专门针对某一种零件而不是基于变化的生命周期，一般采用自动流水线实现特定产品的高效率、高质量和低成本生产柔性制造系统针对某一产品族柔性生产，硬件主要包括多轴CNC机床，软件主要为可编程的控制程序，可根据订单实现柔性生产实现某一产品内要求的高效率、高质量和低成本生产单元制造系统由可变的机床、零件和人员组成，支持系统动态构建，通过快速改变自身组织结构响应市场变化，可实现具有相似加工工艺的零件族的柔性生产根据生产需求的不同，快速改变自身生产功能和生产能力4.1单元生产系统及其布局设计单元生产系统布局设计单人作业布局：一个作业员完成全部作业，效率高，适用于技能要求高的行业。巡回作业布局：多名作业员共用设备，轮流作业，减少设备投入，提高平衡率。分割作业布局：作业员分工合作，降低对个人技能要求，适用于技能培训周期长的行业。第4章：智能生产单元设计与开发4.1

单元生产系统及其布局设计4.2智能生产单元定义及功能设计4.3柔性制造单元构成及功能设计4.4人机协作智能生产单元设计4.5智能生产单元设计与开发实例机械加工工厂CNC工厂伺服电机工厂钣金工厂铸造工厂机器人工厂4.2智能生产单元定义及功能设计智能生产单元定义4.2智能生产单元定义及功能设计智能生产单元定义智能生产单元是将操作人员、机器人和辅助设备等进行模块化、集成化、一体化的聚合，通过人与机器人的协调合作，充分发挥机器人的效率及人类的智能，使其具备多品种少批量产品的柔性生产输出能力。4.2智能生产单元定义及功能设计智能生产单元的功能设计1.加工单元零件切削加工的智能生产单元系以零件切削加工为例，基于数控加工中心和工业机器人实现零件切削加工的智能生产单元，由数控车床、数控加工中心、带地轨的六轴工业机器人、立体料仓、射频识别系统等设备组成，还包括切削单元的智能监控系统。4.2智能生产单元定义及功能设计智能生产单元的功能设计切削加工单元智能管控系统架构4.2智能生产单元定义及功能设计数字孪生体物理实体监控系统智能加工单元实例4.2智能生产单元定义及功能设计2.智能物流单元设计当前，智能物流单元在智能工厂中得到较多应用。如图所示，由多种工业机器人、Delta机器人、协作机器人和AGV、以及物料储运设备和多种视觉设备组成的智能物流单元，同时实现了对物料的在线检测、拣选、码垛和运输的功能。4.2智能生产单元定义及功能设计3.智能装配单元设计拖拉机变速箱装配线拖拉机变速箱4.2智能生产单元定义及功能设计装配单元实例——重型拖拉机智能制造装配线重型拖拉机智能制造装配线主要承担100马力及以上马力段动力换档等新产品的生产制造工作，设计年产能3000台。工厂通过推进高效的精益制造管理，集成先进制造技术，具备高端动力换挡拖拉机制造能力，满足海外市场及动力换档等新产品的制造需求。4.2智能生产单元定义及功能设计装配单元实例——重型拖拉机智能制造装配线重型拖拉机智能制造装配线分为四条分装线：铁十字（变速箱和后桥）装配线、底盘装配线、驾驶室装配线和整机装配线。目前装配线配备多台先进生产设备，具备污染物颗粒度在线检测、动力换档功能检测等先进技术。在清洁度控制、装调在线质量控制、自动化、智能化生产等各方面均采用领先技术，制造技术水平国内行业领先。4.2智能生产单元定义及功能设计装配单元实例——重型拖拉机智能制造装配线铁十字磨合试验台可以同时满足动力梭式换档、动力高低档、多速动力换档等动力换档机型的磨合需求，可实现动力换挡变速箱524个数据的测试对传动系的压力、流量、输入扭矩、转速等参数，以及换挡、4驱、差速、制动等功能进行检测，保证传动系制造质量，达到国内领先水平。磨合油通过油管与设备的过滤器连接，设备配有粗滤和精滤，保证传动系总成的清洁度水平。配备目视板以及手动操作面板，可自行切换测试档位，实时监控磨合质量。MES系统与磨合台连接，对制造过程进行实时监控，磨合完成后自动生成磨合报告并储存上传至系统。铁十字磨合测试4.2智能生产单元定义及功能设计装配单元实例——重型拖拉机智能制造装配线最终传动拧紧用于P平台生产线各机型最终传动总成装配螺栓的拧紧，该设备具备高效率、高精度、高可靠性等特点。整体结构为悬挂式单轴拧紧具备多套拧紧程序，扭矩测量精度≤标定值的±3%，转角精度≤±2°。具有自动拧松、自动卸荷功能，便于拧紧机平滑退出螺栓。当拧紧扭矩变化超出预定范围时，能及时报警，工作时噪音小，噪音≤65Dd与MES系统相连，可以将数据实时上传到系统，可以根据系统中的订单自动识别机型，自动调取拧紧程序进行加扭，更加高效可靠。最终传动拧紧机4.2智能生产单元定义及功能设计装配单元实例——重型拖拉机智能制造装配线通过翻转小车，变速箱的装配方式由普遍的水平装配升级为立式装配。提高生产效率，提升装配质量，更加符合人机工程。壳体通过夹持工装固定在翻转小车上，通过翻转小车实现壳体的旋转和上升下降，满足装配时各个工作角度和高度的需求。4.2智能生产单元定义及功能设计装配单元实例——重型拖拉机智能制造装配线

最终安全RPN风险值得到很大的降低。生产效率提高了33.3%，产品性能也从本质传动装配线整个装配过程由MES和设备进行控制，锁片漏装、螺栓漏紧的质量问题发生率为零，上得到改善。第4章：智能生产单元设计与开发4.1

单元生产系统及其布局设计4.2智能生产单元定义及功能设计4.3柔性制造单元构成及功能设计4.4人机协作智能生产单元设计4.5智能生产单元设计与开发实例4.3柔性制造单元构成及功能设计柔性制造单元的基本构成某企业柔性制造单元的局部图以实现机械加工为主要功能的柔性制造单元为例，一般包括以下三大组成部分：加工单元：主要实现零件的自动化加工功能，即根据加工指令自动进行铣削、钻孔等机械加工；物料储存单元：完成物料的存储、运输和装卸；管理与控制单元：在线实时监控生产过程，并对生产数据和生产设备进行管理。4.3柔性制造单元构成及功能设计管理和控制单元设计柔性制造单元的分布式控制架构单元控制层工作站层设备层工业以太网工业以太网FMC主计算机群控计算机CNC、PLC控制设备1.控制单元模块设计包括执行模块、控制模块、数据采集模块、通信模块，这些模块都在车间的工业以太网下或者现场总线下进行2.控制方式设计为了使柔性制造单元更为有效、更具柔性，大多采用递阶分布式控制体系结构，包含三个层级：单元控制层、工作站层和设备层，如右图所示。第4章：智能生产单元设计与开发4.1

单元生产系统及其布局设计4.2智能生产单元定义及功能设计4.3柔性制造单元构成及功能设计4.4人机协作智能生产单元设计4.5智能生产单元设计与开发实例4.4人机协作智能生产单元设计人机协作是指人类与机器人、计算机或其他智能系统之间的协同工作和互动，旨在将机器的智能与人类的创造力和决策能力相结合，以实现更高效、更精确和更具创新性的工作。4.4人机协作智能生产单元设计协作机器人与人机协同场景在工业4.0背景下，人机协作通过利用移动机器人和协作机器人突破空间和工艺限制，实现灵活高效的生产布局，提升生产质量与效率，解决传统工业机器人在柔性、高度变化场景下的局限性，推动智能制造系统的全面发展。4.4人机协作智能生产单元设计人机协同场景层级为了在真实的工业环境中实现操作员和机器人之间流畅的通信和工作流，需要为不同的工作场景设计反应方法来响应不确定性和意想不到的行为。针对实际工业生产过程需求，研究者设计了4个层级的人机协同场景，如右图所示。4.4人机协作智能生产单元设计人机协作智能装配单元在混合装配单元中，工人与自动化机器间的协作方式主要有两种：（1）工人与自动化机器循序加工循序加工中工人与自动化机器各自分别独立完成装配任务，没有直接的互动。（2）工人与自动化机器同步加工工人与自动化机器共享作业时空，且装配过程中两者可以直接互动，整个装配过程均能体现人机协作循序加工和同步加工4.4人机协作智能生产单元设计人机协作装配特点降低工人劳动强度，人机协作中自动化机器稳定的位置、速度、力的调控能力使工人可以更好地脱离强度高、重复性高的手工作业可减少为获得高技术所带来的额外支出，还可减少防护系统的成本，综合起来可获得更好的经济效益缩短距离，破除地域限制随着工人和自动化机器间的配合，可大幅提升产品的装配效率及质量4.4人机协作智能生产单元设计移动式协作机器人人机物理协同操作与双臂协作场景移动式协作机器人通常是在轮式、履带式或足式移动平台上加装一个或多个操作手臂，组成复合作业机器人，具有较强的主动作业能力与较大的操作空间。4.4人机协作智能生产单元设计智能机器人+人机协作无需安装安全围栏，人与机器人共享空间进行作业即使有人接近，机器人不停止，继续工作人与机器人各自独立完成组装作业

A人与机器人协同作业手持示教进行协同作业人与机器人协同搬运重工件人与机器人协同组装B传统机器人协作机器人4.4人机协作智能生产单元设计协作机器人——安全功能停止J2轴J1轴回退1.触碰停止2.推按退避3.触碰回退4.4人机协作智能生产单元设计协作机器人——机床上下料4.4人机协作智能生产单元设计协作机器人——搬运纸箱第4章：智能生产单元设计与开发4.1

单元生产系统及其布局设计4.2智能生产单元定义及功能设计4.3柔性制造单元构成及功能设计4.4人机协作智能生产单元设计4.5智能生产单元设计与开发实例4.5智能生产单元设计与开发实例人机协作智能化单元生产线设计实例在第三届中国国际进口博览会上，欧姆龙公司推出了“人机协作智能化单元生产线”。4.5智能生产单元设计与开发实例物料搬运自动化（a）移动至物料架（b）抓取料盒（c）搬送至后道工序（d）放置料盒4.5智能生产单元设计与开发实例人机协作完成组装与检测（a）由人工负责第一道拧螺丝工序（b）机器人将物料搬运至第二道工序（c）机器人进行第二道拧螺丝工序（d）完成后搬送至打标工序4.5智能生产单元设计与开发实例智能生产单元监控系统设计实例北理工良乡校区智能生产单元生产线实际场景局部图4.5智能生产单元设计与开发实例智能生产单元中AGV数据统计信息管理页面示例4.5智能生产单元设计与开发实例智能生产单元的三维实时监控界面示例4.5智能生产单元设计与开发实例智能生产单元的关键设备状态监测全局界面示例4.5智能生产单元设计与开发实例智能生产单元的AGV设备状态监测效果示例习题4-1什么是单元生产？单元生产具有哪些特点和优势？4-2请简述单元生产系统的主要布局方式。4-3请简要概括智能生产单元的定义及其主要功能构成。4-4请举例说明智能物流单元设计涉及到的具体单元设备有哪些。4-5请以机械加工为例，简要概括柔性制造单元的主要组成及各部分的基本功能。4-6请结合本章内容，设计一个人机协作装配智能生产单元，给出具体设计方案。项目制学习要求结合本章对智