基于协作机器人的包装生产线设计方案

摘要我国政府提出实施“中国制造2025”第一个十年行动纲领的制造强国战略，坚持实施以创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本的基本方针，我国要建设成制造业强国。其中智能制造将作为未来主攻方向和新的经济增长点，而据此以协作机器人为代表的一系列工业机器人领域将得到广泛应用。本文为了解决当前包装行业小批量、多订单的生产模式下传统人工包装成本高、效率低的问题，结合协作机器人控制系统的开放性和实时性等方面需求，设计了一种基于协作机器人的包装生产线。本文设计的生产线，主要包括了产品包装、品质检测与塑封和码垛装箱等三道工序，共由6台TM5-900机器人，1名工作人员完成生产以及检验工作。通过对生产线工序的设计，并与传统人工包装进行对比，本生产线效率提高到传统人工水平的4.23倍，节约生产成本约32.35%。充分利用防错法，本着系统稳定性优先的原则，利用防错效果最优的自动预防型防错法，最易出错的包装过程直接避免人工参与，从源头上防止了错误发生，同时高周波焊机具有自矫正功能，一旦人为上料发生错误，即可立即自行矫正，有效避免了系统出错。同时充分考虑安全性问题，由于与人处于同一空间内工作，设计上有效的考虑了安全因素和安全系数以及礼仪性等问题，使生产平稳有效的进行。经三维模型和预测分析，本生产线不仅拥有友好的人机交互功能，可以保证工作人员在与机器人协调配合以及工艺交接过程中可以同时高效的工作，还拥有很高的兼容性，具有小型电子产品包装快速换型的优势，顺应了当前包装行业的发展趋势。关键词：人机协作生产线机器视觉防错法人机交互目录第1章绪论 51.1研究背景及意义 51.2自动包装生产线优势分析 51.2.1自动包装优势分析 51.2.2协作机器人优势分析 61.3自动包装生产线发展趋势 7第2章传统包装方案 82.1传统物品包装方法 82.2充电宝传统包装方法 82.3其他小型电子产品传统包装方法 9第3章基于协作机器人的包装生产线设计方案 93.1生产线设备选型 93.2生产线工作布置 103.2.1生产线工作任务 103.2.2设备任务分配 113.2.3员工安排 113.3基于防错法的生产线设计 113.3.1防错法方案设计 113.3.2生产线布置 123.4生产线技术方案及详细工序 123.4.1技术方案 123.4.2第一道工序 133.4.3第二道工序 133.4.4第三道工序 13第4章生产效率与经济效益分析 144.1生产线节拍计算 144.1.1第一道工序所需时间计算 144.1.2第二道工序所需时间计算 164.1.3第三道工序所需时间计算 164.1.4节拍计算 174.2人工生产的节拍计算 174.3经济效益计算 184.3.1生产线包装经济效益计算 184.3.2传统包装经济效益计算 184.4生产效率与经济效益对比 19第5章安全功能设计 205.1存在的安全问题或隐患 205.2安全功能设计 205.3安全性分析 21第6章拓展方案设计及其应用前景 226.1基于协作机器人的包装生产线拓展方案设计 226.2应用前景 23第1章绪论1.1研究背景及意义自动包装行业目前正在迅速发展，具有巨大的市场潜力。在推动包装业发展方面，我国明确和规划了发展重点。虽然制造自动化是大趋势，但有些制造商对机器人进行生产工作仍然保持观望态度。一方面，一些核心环节仍然需要人力完成；另一方面，并不是所有企业都可以承担部署机器人的成本，同时包装通常被视为低附加值的工作，多层装箱、挑选打包、分拣、装袋，如此反复。随着协作机器人的出现和逐步应用，实现了人类员工和机器人并肩工作，提供了一种实惠、可靠的自动化解决方案。协作机器人可以执行包装等重复性的任务，人类员工则处理更高附加值的工作，推动了整个生产流程的智能化、自动化。协作机器人的优势在于价格实惠，使得包装自动化更具经济效益，尤其在产品类型多、小批量的代工包装服务中。协作机器人培训简易，制造商不需要为了配合协作机器人而重新部署整个基础设施，也不需要聘请专门的技术人员来运作机器人，协作机器人深受代工包装服务商的青睐。因此，研究一种基于协作机器人的高兼容性的小型产品包装生产线对节约包装成本和提高产品包装效率上具有现实意义。1.2自动包装生产线优势分析1.2.1自动包装优势分析在互联网与物联网飞速发展的今天，国内电商也如火如荼地增长，国货新品牌日益崛起，消费市场对于小批量包装定制的需求逐渐上升，为包装行业制造新商机的同时也给包装厂带来了难题。众多初创公司和刚起步的品牌对包装制作的需求量较少，通常在10000个以下，对于传统的包装厂来说，这样的小批量定制化订单十分棘手。产品包装的印前处理繁琐，小批量定制需要经过多次改稿，打样流程被迫延长，客户等待时间长，制作成本也更高，最终反而导致工厂生产效率低、利润低。包装行业小批量化生产已成趋势，求生存谋发展已是众多包装企业面临的难题。传统包装行业长期存在技术人员少、创新力不足、产品差异小、品牌竞争不明显等问题，限制了包装企业的发展。传统的包装定制过程中，工厂员工缺乏包装制作的相关专业知识,欠缺包装结构、包装材料等包装知识，导致反复改稿，增加了包装成本，甚至有包装方案无法落地的情况出现。如今小型电子产品多订单、小批量的商业模式逐渐成为主流，传统的包装厂已难以满足客户的需求，包装行业急需智能化的创新发展。相比之下，自动化包装能够提高物流的处理效率，减少物流费用；有效地控制内容物和包装的质量，减少损坏；能够有效的保障商品质量安全性；能够提高包装效率和利润，有着不可替代的优势，如图1.1图1.1自动化包装的优势综上所述，传统人工包装在效率、准确率、厂家利润等方面，已经无法满足目前商业模式下多订单、小批量的需求，智能化包装不仅可以解决上述问题并解放人力，还可以给客户提供智能化的包装定制服务。因此，智能化包装生产线的设计迫在眉睫。1.2.2协作机器人优势分析随着工业化进程的推进和信息时代的到来，制造业朝着自动化、智能化的方向发展。工业机器人可以用来组装产品、搬运货物等，但是工业机器人属于重型装配，使用时要远离人，避免机器人伤害操作人员。而协作机器人能够和人进行零距离接触，通过将人的创意与机器人的稳定性相结合，人机协同完成一些复杂任务，在小批量包装方面相对于工业机器人的优势如表1.1所示。表1.1协作机器人与工业机器人性能比较协作机器人工业机器人功耗低，平均功耗220W同样负载一般超过1000W终端用户无须承担费用终端用户承担耗电费用创新性结构，无须额外维护保养机械磨损和发热，定期维护无需配置护栏，占地少占地面积大，必须加装护栏终端用户没有安全费用终端用户承担安全费用可重新编程和部署快，节省费用无法重新编程操作程序用户没有长周期的改造费用用户承担改造和编程的费用无须专门编程人员维护必须配有专门的编程人员维护在工业机器人技术中，协作机器人代表了增长最快的部分，协作机器人是机器人研究中的新趋势。协作机器人在机械结构设计、控制方案和功能运用等方面都与传统工业机器人有着显著的区别。它的集成度高，整体结构趋于小型化、精密化，这种模块化程度很高的新型机器人为机器人领域开启了新篇章。1.3自动包装生产线发展趋势近年来，国内包装行业规模不断扩大，生产率大幅提升的需求催生了各类自动化、智能化程度高的专业生产线的快速发展，尤其是原本属于劳动密集型的包装领域。作为顺应包装领域自动化、智能化趋势的产业，全自动包装线可以大大提升包装机械满足自动化生产的需求，提升包装领域的安全性、准确性，进一步解放包装劳动力。国内的包装行业目前仍然保持着高速发展的状态，但产业结构的不合理已经阻滞了行业的发展脚步。经过长期的市场扩张，行业已经进入了调整和整合的稳定期，这也加大了改变的难度。同时，成套大型生产包装线依赖进口的状况也需尽快改观，因为对引进技术的过度依赖一直是阻碍国内包装机器走向国际化市场的绊脚石。与国外相比，国内包装机械仍然存在很大差距，我们还需要不断地提升设备技术。国产设备如果要做强，仍需配套技术的支撑，让单机化的局面得到彻底的改善，整条包装及灌装生产线的研发已经成为整个包装行业发展的趋势。在自动化包装生产领域，综合化、智能化、绿色环保化将是未来自动化技术的发展趋势，包装生产流水线企业在生产过程中，必须兼顾这些因素才能在未来的生产过程中走得更加平稳。同时，在人们日常生活中对于包装绿色环保的要求也是越来越高，生产企业只有考虑到这些因素才能在自动化包装线发展的浪潮中立于不败之地。而且，这同样也是现如今自动化科学技术发展趋势对于自动化包装生产技术的要求。随着科学技术的不断发展进步，生产领域推陈出新对包装技术和包装设备提出的新要求，包装机械竞争日趋激烈，自动化的包装生产线优势将逐渐突出，从而促进包装机械行业整体发展。第2章传统包装方案2.1传统物品包装方法在大多数传统包装生产线中包装步骤大体分为以下几个部分：首先进行工作准备包括包装工作台清洁，工作人员穿专用工作服，被包装物品的准备:包装材料、包装器械、包装的辅助物品等。器械的清洁度、器械功能完好的检查包装材料质量的检查:棉布必须经清洗去污后使用;纸塑根据包装物品的大小选择不同规格的包装袋，尖锐物品应用胶套套住，封口严密并预留2cm的位置；缸包装器皿的穿透性能及密闭性能并根据包装物的大小选择不同规格与大小的包装材料检查包内化学指示物和化学指示胶带的有效期。对照器械清单进行组装包内器械按使用先后顺序摆放关节位及咬齿部位打开，器械的尖锐部分加保护套穿刺针类、精细或细小器械要用纸袋或其他容器放置再包装化学指示卡不与金属器械直接接触整齐排放，便于核对工作人员复核;按照上一步骤的质量要求逐—复核，全部合格后，签名确认方可进行最后包装。包装完成后检查包装的质量与数量无误后进行产品的打包，如图2.1所示。图2.1传统包装步骤2.2充电宝传统包装方法针对充电宝的产品包装首先需要工人将充电宝，塑封外壳，说明书等部件准备好，提前对部件进行质量检查，然后人工流水线进行各部分零件的组装最后组装的需要进行产品的初验，进行塑封完成后接着由专门的质检人员进行随机抽查看是否能达到目标要求，达到要求后进行整体的包装入盒。包装完成后进行产品数量的核对最后统一打包进行运输。此类传统的包装方法存在这很大的质量隐患。2.3其他小型电子产品传统包装方法由于电子产品属于精密产品，在产品包装上也会与传统的包装生产线有所差别。电子产品的包装的过程中需要尽量的避免杂质的带入。电子产品往往不具有较高的耐磨性与结构强度需要轻拿轻放尽量避免摩擦。电子产品的包装要避免潮湿环境，工人的装配难免会有汗液的排出不能完全避免电路的受潮腐蚀。这样一来对工人的身体素质以及工作能力有极大的要求，并非电子产品包装的最优解。第3章基于协作机器人的包装生产线设计方案3.1生产线设备选型本生产线所需的设备清单如表3.1所示。表3.1生产线设备清单设备名称数量达明机器人TM5-9006台真空吸盘5个高工业摄像头5个夹爪1个旋转编码器1个人工工作台1个传送带1条本方案全部选用达明TM5-900协作机器人，如图3.1所示。达明协作机器人简易操作的特性，内建视觉系统的应用更是从原本的辨识物品取放、坐标调教、位置定位等延伸至瑕疵检测、条码扫描及产品功能测试。此外TMRobot高机动性移动系列版本机器人，可使用直流电供电，整合机械手臂与自动搬运车，自动搬运车到站时可用内建视觉TMLandmark轻松完成空间定位。TM5将传统工业机器人的手、眼、脑三个独立的系统整合在一起；内建的视觉系统让机器人能辨识方位、自我调校坐标执行视觉任务，搭配直观的图像式编程界面，以及手拉式引导教学，TM5的使用非常简单。TM智慧型协作机器人可在生产线上达到人机协同，大幅提升生产效率，在工业4.0少量多样的生产趋势下，灵活部署、快速换线，同时可将后续维护及应用成本降到更低，大幅降低总成本，成为智能工厂自动化导入的更佳利器。图3.1达明机器人TM5-9003.2生产线工作布置3.2.1生产线工作任务本生产线主要针对于充电宝包装、塑封和码垛装箱等过程，通过协作机器人与工作人员相互配合，共同完成对充电宝的包装、塑封和码垛装箱，是充电宝包装总生产线的重要部分。其中主要包括包装整合、扣紧吸塑壳、产品塑封、成品码垛等步骤。本生产线将以人机协作为中心思想，完成充电宝的包装和塑封工作。具体工作任务如表3.2所示。表3.2生产线工作任务主要工作任务流程说明=1\*ROMANI．产品组装1.协作机器人对配件进行夹取/吸取2.摄像头识别传送带上的包装盒，矫正协作机器人的位置3.松开/放下配件到包装盒内4.人工扣紧外壳=2\*ROMANII.产品塑封1.人工将产品放入塑封机2.塑封机自动校准位置=3\*ROMANIII.产品装箱1.设定码垛规格2.协作机器人装箱码垛3.2.2设备任务分配本生产线设备任务分配清单如表3.3所示。表3.3设备任务分配表设备名称工作任务数量达明机器人TM5-900将充电宝、数据线、卡片、说明书放入吸塑盒下壳内5台达明机器人TM5-900去下塑封好的产品并码垛1台真空吸盘5个夹爪夹取/松开数据线1个高清工业摄像头矫正协作机器人位置，避免物件在传送带上滑动导致的错误5个旋转编码器确定传送带移动的距离1个人工工作台辅助工作人员扣上吸塑壳1个传送带在包装过程中运输部件1条3.2.3员工安排为了提高生产效率、降低包装成本，本生产线中设置1个人工工作岗位，仅需工作人员1名。工作人员仅需在传送带一端及时取下物件，合上吸塑壳并压合扣位，再将装好充电宝的吸塑盒放入高周波焊机中，即可完成工作。3.3基于防错法的生产线设计3.3.1防错法方案设计防错法又称愚巧法、防呆法，在过程失误发生之前即加以防止，是一种在作业过程中采用自动作用、报警、标识、分类等手段，使作业人员不特别注意也不会失误的方法。在充电宝的包装和塑封过程中，如果由一个员工完成吸塑盒的取放扣壳，放置数据线、说明书、卡片、充电宝等工作，员工在组装中极易出现少放或者多放配件的错误，而后续检测这些错误不仅技术实现困难而且费时费力，不利于企业长远发展。本文设计的基于协作机器人的包装生产线设计方案，本着系统稳定性优先的原则，利用防错效果最好的自动预防型防错法，达到最好的防错效果，使员工仅负责吸塑盒扣壳和高周波焊机上料。最容易出错的包装过程直接避免人工参与，同时高周波焊机具有自矫正功能，一旦人为上料发生错误，即可立即自行矫正，有效避免了系统出错，从源头上防止了错误发生。3.3.2生产线布置方案为更好地表达设备方案，我们对方案进行了三维建模，如图3.2图3.3所示为生产线的3D模型图，如图3.4所示为设备布局俯视图。图3.2生产线的3D模型图图3.3生产线的3D模型图图3.4设备布局俯视图3.4生产线技术方案及详细工序3.4.1总体技术方案本生产线为充电宝包装总生产线的重要部分，主要完成充电宝生产后包装和塑封的工作，以确保包装出厂的产品质量保持最优，包装工序主要包括包装整合、扣紧吸塑壳、产品塑封、成品码垛等过程。生产线详细的工作过程如下：第一道工序：通过5台达明机器人、1条传送带和1个旋转编码器相互配合完成除扣紧外壳以外的组装；第二道工序：带有配件的吸塑盒经过透光率计检验是否存在多放/少放配件的情况。如果存在异常现象，检验装置蜂鸣器发出报警信号，员工将配件放至次品区。如果不存在异常现象，员工取下配件并扣上外壳，再将装好的产品送至高周波焊机进行塑封；第三道工序：通过专门用于码垛的协作机器人，将塑封好的成品由焊机内取出并整齐地码放至产品外包装箱内。生产线工作流程图如图3.5所示。图3.5生产线工作流程图3.4.2第一道工序第一道工序是完成组装过程中最关键的一步。通过TM5-900的定点移动功能，首先设置协作机器人自动到供料点取料，然后将协作机器人移动至传送带上方，再通高工业摄像头进行图像采样和计算机图像识别，对传送带上正在加工的包装盒定位，最后协作机器人竖直运动并将配件放入盒中。如图3.6所示为第一道工序3D图。图3.6第一道工序3D图基于协作机器人的包装生产线设计方案第一道工序中的5台协作机器人具有交叉工作的特点，即上一台协作机器人刚抵达取料点，就通过机器人间的通讯功能向下一台机器人发送工作信号，机器人收到工作信号后开始工作一个周期，这样就形成了5台机器人交叉循环工作达到协作机器人的最大利用效率的工作方式。每台机械臂的运动过程均为A→B→C→D→A，各点位的含义表3.4所示，每台机器人取放料过程如表3.5所示，第一道工序的实现过程如图3.7所示。表3.4第一道工序各点位含义点位含义A配件放置点BA点正上方20cm的定位点C配件供应处正上方20cm的定位点D配件供应处所在位置(a)1号机器人(b)2号机器人(c)3号机器人(d)4号机器人(e)5号机器人图3.7第一道工序的实现过程3.4.3第二道工序第二道工序包含了员工取下配件并扣上外壳、塑封机上料、放置到次品区等过程。第一道工序包装的产品，若通过透光率仪的产品合格，员工取下配件并扣上外壳，再将装好的产品送至高周波焊机进行塑封；若通过透光率仪的产品不合格，员工取下配件并放置到次品区。图3.8第二道工序的实现过程3.4.4第三道工序第三道工序中，包含了协作机器人给高周波焊机取料、成品码垛装箱等过程。高周波焊机出料口位置是固定的，因此协作机器人可以采用定点的方式直接运动至成品上方，使用吸盘吸起成品并码垛装箱。如图3.9所示为第三道工序实现过程。图3.9第三道工序实现过程第4章生产效率与经济效益分析4.1生产线节拍计算要衡量生产线总平衡状态的好坏，我们必须设定一个定量值来表示，即“节拍”（Cycletime）。节拍是指连续完成相同的两个产品之间的间隔时间，即指完成一个产品所需的平均时间。首先，虽然各工序的工序时间长短不同，但决定生产线的作业周期的工序时间只有一个，即节拍（cycletime）。采用以下计算方法可以得到cycletime，根据本文设计的生产线特点，节拍由每道工序消耗时间的最大者决定。(4.1)式4.1中，表示第一道工序所需要的时间，表示第二道工序所需要的时间，表示第三道工序所需要的时间。4.1.1第一道工序所需时间计算第一道工序中，包含了5台协作机器人定点移动、取放料、视觉识别定位等过程。假设前置供料设施可以保障生产线需求，每台协作机器人取料到放料都需要经过如图4.1所示的过程，各个点位代表的含义如表4.1所示，一台协作机器人一个取放料周期所有动作时间如表4.2所示。图4.1每台机器人取料到放料的过程表4.1每台机器人取放料过程及所需时间运动位置运动内容所需时间1.A→B协作机器人以xxcm/s的速度运动XXcm1s2.B→C协作机器人以xxcm/s的速度旋转90°0.5s3.C→D协作机器人以xxcm/s的速度运动XXcm1s4.D点与下一台机器人通讯0.5s5.D点执行夹取/吸取动作0.5s6.D点进行夹取质量/吸取真空检测0.5s7.D→C协作机器人以xxcm/s的速度运动XXcm1s8.C→B协作机器人以xxcm/s的速度旋转90°0.5s9.B点执行视觉识别功能2s10.B→A协作机器人以xxcm/s的速度运动XXcm1s11.A点执行松开/放下动作0.5s由于这种高效率的生产线配置方式，每一台协作机器人的取放料工作周期即为第一道工序包装一个充电宝的时间：s(4.2)因此，第一道工序包装一个充电宝消耗的总时间为8.5s。4.1.2第二道工序所需时间计算第二道工序中，包含了员工取下配件并扣上外壳、塑封机上料、放置到次品区等过程。第一道工序包装的产品，若通过透光率仪的产品合格，员工取下配件并扣上外壳，再将装好的产品送至高周波焊机进行塑封；若通过透光率仪的产品不合格，员工取下配件并放置到次品区。第二道工序所有动作时间如表4.3所示。表4.3第二道工序所需时间工作内容所需时间员工合上吸塑壳并压合扣位3s员工给高周波焊接上料5s员工取下配件并放置到次品区5s“员工取下配件并放置到次品区”所需要的时间一定小于“员工合上吸塑壳并压合扣位”和“员工给高周波焊接上料”的时间之和，所以即使出现不合格产品，只会对效率有所影响，不会影响生产线的生产节奏。我们假设员工取下配件并放置到次品区所需的时间为5s。产品经传送带穿过透光率仪的时间可以和第一道工序中传送带运动时间和机械臂之间相互配合的时间差别达到了可以忽略不计的条件。第二道工序包装一个合格产品所需要的时间为：s(4.3)因此，第二道工序包装一个合格充电宝消耗的总时间为8s。4.1.3第三道工序所需时间计算第三道工序中，包含了协作机器人给高周波焊机取料、成品码垛装箱等过程。高周波焊机出料口位置是固定的，因此协作机器人可以采用定点的方式直接运动至成品上方，使用吸盘吸起成品并码垛装箱。协作机器人取下产品到码垛的过程如图4.1所示，各个点位代表的含义如表4.1所示，协作机器人一个工作周期动作时间如表4.2所示。图4.1表4.1第三道工序各点位含义点位含义E塑封机出料点FE点正上方20cm的定位点G位于码垛中心点正上方的定位点，与F点处于同一平面HI代表每层4个成品中心点，分别为I1、I2、I3、I4表4.4协作机器人取下产品到码垛所需时间运动位置运动内容所需时间1.E→F协作机器人以xxcm/s的速度竖直运动XXcm1s2.F→G协作机器人以xxcm/s的速度旋转90°0.5s3.G→H协作机器人做2次水平运动XXcm2s4.H→I协作机器人以xxcm/s的速度竖直运动XXcm1s5.I点执行放下动作0.5s6.I→G协作机器人以xxcm/s的速度运动XXcm1s7.G→F协作机器人以xxcm/s的速度旋转90°0.5s8.F→E协作机器人以xxcm/s的速度竖直运动XXcm1s9.E点执行吸取动作0.5s10.E点进行吸取真空检测0.5s每一台协作机器人取下成品并且码垛的工作周期即为第三道工序所需要的时间：s(4.4)4.1.4节拍计算根据以上分析计算可知，第一道工序时间s，第二道工序时间s，第三道工序时间s。允许了第二道工序中员工操作存在时间波4.2人工生产的节拍计算纯人工操作时，仅一名员工进行人工作业，人工生产的过程及每一步所需要的时间如表4.1所示。表4.1人工生产的过程各部分需要的时间工作内容所需时间吸塑壳取料3s单个零件取料并完成装配*412s合上吸塑壳并压合扣位3s给高周波焊机上料5s给高周波焊机下料并放入外箱5s高周波焊接封口8s根据员工执行各个部分工作所需要的时间，人工生产的节拍(cycletime)用CT2表示。如果要求员工焊机焊接封口时去组装下一个产品，员工难免手忙脚乱生产事故更易于出现，因此，该情况不予考虑。由表4.1中列出的数据，人工操作从取料到装箱的过程共需要36s，即CT2=36s。可见，人工生产的节拍要远远大于人机协作生产线节拍。4.3经济效益分析4.3.1生产线包装经济效益计算人机协作生产线包装的主要成本包括：6台达明协作机器人费用、高周波焊机费用和1名操作员的费用。综合计算这些成本，平均每台达明协作机器人费用为12元/小时，高周波焊机费用为5元/小时，员工费用为25元/小时。用y1表示人工生产每小时的费用，用CT1表示人工生产的节拍，y1=12*6+5+25=102(元/小时)，CT1=8.5s，人机协作生产线的生产效率为：(元/个)4.3.2传统包装经济效益计算传统人工充电宝包装的成本主要为人力成本和高周波焊机成本。综合计算这些成本，平均员工费用为25元/小时，高周波焊机费用为5元/小时。用y1表示人工生产每小时的费用，用CT2表示人工生产的节拍，y2=25+5=30(元/小时)，CT2=36s。中国包装联合会2020年的统计数据显示，纯人工生产造成的质量损失率大约为8.27%，则人工生产效率为：(元/个)4.4生产效率与经济效益对比在生产效率方面：传统人工生产与人机协作生产的效率可以用节拍来计算。由可知，人机协作生产的效率是传统人工生产效率的4.23倍。按每位员工每年工作330天，每天工作10个小时来计算。人工每天可生产900件成品，每年生产约297,000件成品。基于协作机器人的生产线每天可生产4240件成品，每年生产约1399200件成品。传统人工生产与人机协作的效率对比结果如表4.1所示。表4.3生产效率对比效率(秒/个)效率(年/千个)传统人工生产3629.7人机协作生产8.533.66在经济效益方面：人机协作生产的成本比传统人工生产的成本低32.35%即0.11元/个，按每位员工每年工作330天，每天工作10个小时来计算。人工每年生产约297,000件成品，基于协作机器人的生产线每年生产约1399200件成品。每件成品的生产成本按上述计算，假设每年生产1399200件成品，传统人工生产与人机协作的经济效益对比结果如表4.3所示。表4.3经济效益对比成本(元/个)成本(千元/年)传统人工生产0.3446.629人机协作生产0.2133.66以上对比结果显示，在生产效率上，人机协作生产线是传统人工生产方式的4.23倍，不考虑其他因素，每年人机协作生产比传统人工生产多生产3.96千个。在经济效益上，人机协作生产线的生产成本比传统人工生产成本低32.35%，假设每年生产1399200件成品，人机协作生产比传统人工生产节约12.969千元。第5章安全功能设计5.1存在的安全问题或隐患安全问题一在工作流程中，各机器人之间的作业应保持一定间隔，并留有一定的安全裕量，当包装完成上一步工序后随皮带传送到当前协作机器人指定区域时，可能会存在误触包装盒的情况使协作机器人误动作，对当前生产线的工作节奏造成一定的干扰。安全问题二在生产过程中由于该系列机器人TM5-900具有记忆学习功能，当该动作重复次数较多后可能会存在记忆丢失或者空转某一角度等，使定位和检测工作不准确，给生产过程带来误差。安全问题三当长时间运行该机械时，尽管该机器人不会存在视觉疲劳等问题，但长期过电，可能引起误动作或者长期过热而对协作机器人造成损坏。安全问题四在不同工况条件下，不同的车间生产线对该协作机器人的磨损情况是不同的，而作为协作机器人的眼睛——摄像头无疑至关重要，当某一时刻摄像头被不明污渍覆盖后可能引起误识别和误动作，对包装质量和效率产生影响。5.2安全功能设计我们拟决定从两个方面解决问题。首先从内部着手，我们加大对机器人软件的升级，使其更加智能，避免发生机器人与人发生碰撞的事故。而后则是从外部出发，优化机器人的基础结构。并采用基于多Kinect传感器的机器人实时避让系统。首先是系统中Kinect体感传感器，它是2010年由微软对XBOX360体感周边外设正式发布的名字，具有动态捕捉，影像辨识，语音识别等功能。基于该技术，可以利用手势在游戏中开车、与其他玩家互动、通过互联网与其他Xbox玩家分享图片和信息等，这也显示了它具有非常强大的图像采集与处理功能。这也是我们看重他的原因之一。另外，Kinect不同于普通摄像头的是，它有感知世界的CMOS红外传感器。该传感器通过黑白光谱的方式来感知环境，纯黑代表无穷远，纯白代表无穷近，黑白间的灰色地带对应物体到传感器的距离。它收集视野范围内的每一点，并形成一幅代表周围环境的景深图像。传感器以每秒30帧的速度生成深度图像流，实时3D地再现周围环境。这样可以更好地识别周边的环境，避免人际碰撞的情况的发生。经MATLAB软件仿真验证，该方法能够切实有效地解决上述四项安全问题，并且为后续相关安全功能设计提供了参考。图5.2人机安全性避让5.3安全性分析机器人电机驱动模块为BTS7970B直流电机驱动，这是一款H桥有刷直流电机驱动模块，适用3-24V的大功率直流电机，DC10-29V输入直流电压。在25V电压下，额定持续输出10A电流，适用于锂电池直接供电。供电为25V10A时测得芯片工作频率高达1MHz，驱动能力有了明显的提高，响应速度快。语音模块的最大输出功率为25W，具有30M存储容量，可以通过8个按键触发8段语音，也可以通过RS485/232给模块指令触发220段语音。电源部分采用的是3S锂电池，容量为1500mAh，额定电压11.1V，35C超大放电能力。本机器人为人机合作类型，就机器人自身所带属性决定，并不会对人造成大的伤害，对于工件来说更是如此。第6章拓展方案设计及其应用前景6.1基于协作机器人的包装生产线拓展方案设计随着人们生活水平提高，消费品展示销售包装环保性能及小型化提升，随着近几年电商行业渗透率的加深，储存运输对于包装量进一步增加，促使着包装行业的发展，包装行业已经是目前市场发展前景较好的行业之一，电子行业是包装行业需求较大的市场。近几年国内包装行业发展迅速，基本满足国内消费与出口的需求，为商品及物流也促进销售及服务消费发挥重要作用。近几年随着电商平台的崛起，包装行业市场发展吸引众多跨国企业及民营企业进入包装业，包装业小批量、多订单、绿色、环保是目前发展主趋势。本文设计的基于协作机器人的包装生产线设计方案顺应了当前包装行业的发展趋势，产线设置的人工岗位完成的工作仅有吸塑壳的扣合，该过程简单易学习，有效避免了因换型导致的员工培训成本增加，具有向其他小型电子产品包装快速换型的优势。例如，蓝牙耳机、游戏机、充电器、小型音箱、固态硬盘等等。以下采用蓝牙耳机的包装作为换型举例。首先，在原有生产线的基础上，成品蓝牙耳机包装盒内配件包括蓝牙耳机、说明书、充电器、数据线、卡片等。原生产线第一道工序中5台协作机器人包含1个夹爪和