【《某锻造机器人的生产线布局建模及仿真探析》17000字】

PAGEVIII某锻造机器人的生产线布局建模及仿真研究目录第一章绪论 11.1选题背景 11.2课题研究目的与意义 21.3连杆锻造机器人生产线国内外研究现状 31.4本文研究内容 4第二章连杆锻造工艺分析及生产线建模 52.1工艺分析 52.2设备选型 72.3物理建模 9第三章连杆锻造机器人生产线布局优化模型建立 113.1前言 113.2机器人生产线布局设计方法概述 123.3机器人生产线布局设计方法与流程 133.4机器人生产线整体布局设计方法 153.4.1系统布置设计理论分析 153.4.2布局设计方法与流程 17第四章基于遗传算法的生产线布局优化 234.1基本遗传算法 234.1.1遗传算法的介绍 234.1.2遗传算法应用的关键问题 234.2基于遗传算法的优化分析 24第5章连杆锻造生产线的仿真 285.1ROBOGUIDE软件的简介 285.2工作站创建 285.3离线程序编程 31结论 33参考文献 35第一章绪论1.1选题背景随着世界产业结构的新一轮调整，劳动力的价格不断上涨，产品也开始转向高质量方向发展，特别是一些高精密的机械加工更不适合由人去操作。同时，中国已经发展成为世界制造大国，但是在效率上以及产品精细程度上来看，中国与其他发达国家之间的差距较大。再者，随着中国的发展，人们生活水平日益提高，愿意从事传统生产线的人们越来越少。通过下图1-1和1-2可知传统生产线噪音大，存在危险并且工作辛苦，并且需要长时间在高温条件下操作，以及有大量粉尘，对人体呼吸道伤害极大。劳动力低廉的传统生产线显然已经不适合中国现阶段的国情，再加上原材料的价格上涨，国民的教育水平也显著提高，以及中国呈现出人口老龄化现象，在未来劳动力缺失以及劳动力严重不足这是一个必然会发生问题。图1-1传统手工锻造图1-2锻造车间而自动化生产线可以良好解决这个问题，缩短了劳动力的投入，减少了劳动力这一方面的开支，提高了生产效率和产品质量。同时避免了一些较危险的操作，大大提高工人的人身安全，保障了工人的健康，促进了中国生产方式的转型。中国正在由原来的传统粗放式转变为自动化、高质量、高效率的生产方向发展。图1-3所示。图1-3机器人自动化生产线连杆是链接活塞和曲轴，将活塞所受作用力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动的工具[1]。连杆主要应用于拖拉机，汽车和摩托车发动机上，对发动机的传动起着重要的作用。图1-4所示。图1-4连杆模型但是，目前工业机器人的研发制造水平，以及工业机器人的操作精度水平，中国与德国，美国等一些发达国家之间的差距还有很大。中国受到核心技术的限制，使得工业机器人的价格昂贵，因此大企业对工业机器人是又爱又恨，而小型企业对其价格则是望而生却，从而导致大企业越来越强而小型企业慢慢的失去竞争力，最后消失在竞争的舞台。但随着最近几年以来，中国对机器人方面的研发，针对核心技术有了较大的突破，尽管和外国的高精度机器人相比还存在较大的差距，但已经足够满足工业生产中的大多数作业。现在中国的一些小型企业也可以用的上机器人，因为他的价格得到了显著的下降。相比较于现在个的工人成本，机器人的优势一览无遗。随着机器人技术以后越来越成熟，世界对产品质量要求的越来越高，机器人和生产线结合起来必然是在未来发展的趋势。此外，由于劳动力成本的越来越高，世界竞争的越来越严酷，想要获得更好的发展，那么发展机器人，实现机器人代替人以及国家的创新道路的背景下，中国制造业对机器人的需求必将与日俱增。1.2课题研究目的与意义机器人生产线的设计与实现，绝非简单的把工业机器人放到生产线中就可以了，需要大量有经验的工程师去调试，从而得到最优方案。工程师需要对机器人进行轨迹优化，进行大量的调试，最后得到优化方案，使生产线按照规定的节拍来运行。如果有一天这些设备需要搬迁，那么则需要重新调试，所有的工作需要重新来一遍。那么这必然存在一个致命的问题，有经验的工程师缺失该如何去解决。这些问题存在于每一条依托工业机器人的生产线上。中国想要通过机器人来实现中国工业的高速发展和创新，这些问题必须要得到解决。如今，工业机器人依然是机器人行业占比最大的类型。中国的机器人市场在全球总市场占比很大，但纯粹的机器人销售占比很低，而对生产线的设计和优化占比却很大，可以大大提高生产效率，因此研究如何实现机器人生产的布局和优化必然成为未来研究的主要方向。生产线布局的合理性必然成为影响企业竞争力的表现，好的生产线布局必然可以降低企业的成本，进而降低单个产品的成本，从而使企业的竞争力大大加强。一个布局合理生产线可以在物料搬运上提高效率，降低成本，至少可以为企业减少10%到30%的原料运输费用和物流时间。所以生产线布局合理的重要性毋庸置疑，可以降低企业的成本、缩短周期时间、提高企业的竞争力、加快企业资金回笼。1.3连杆锻造机器人生产线国内外研究现状在工业布局优化上，中国起步较晚，在1982年Muther来中国演讲时，中国第一次接触SLP。我国的研究员才开始认识设备布局这一理论，并开始研究。所以在工业布局优化上我们与那些发达国家相比，落后了他们很久。同样在工业机器人的设计与研发上也与其他发达国家有很大的差距。目前研究连杆锻造机器人生产线的优化方法有很多。比如周文贤[2]利用仿真环境下的干涉检测技术，最优初始位资选择方法，奇异点规避方法，最优路径设定计算方法，从而对机器人的路径进行优化提高了生产效率实现生产线优化，但是设计方法较为复杂且优化效果不够明显。宫百香[3]利用正交实验法确定最优参数，从而节省了生产线上16%的耗电量，为企业降低了成本，且该方法方便快捷，但适用范围较小，仅适用于工业生产领域里焊接机器人的能量优化。唐雨蒙[4]利用传统工业工程方法与改进遗传算法相结合，提高了生产性的平衡率，最大程度的消除了浪费，但是同样具有一定的局限性。李丽清[5]通过遗传算法配合机器人离线仿真，实现了生产线的整体布局，为企业提供了物美价廉的机器人系统，但生产过程需要大量设备，操作较为繁琐并且当变量较多时，不容易求取目标函数，计算较为困难。项彬彬[6]通过对遗传算法的改进及优化从而获得一种更加适合设备的布局方法，具有较高的使用价值，但需要工程师有足够的经验。1.4本文研究内容本文主要是在面对劳动力匮乏的今天，以及中国工业迫切需要改革，进而对连杆锻造机器人生产线进行优化。通过对连杆锻造的工艺分析，确定所需设备，进而再对该条生产线进行物理建模。再通过建立连杆锻造机器人生产线布局优化模型，最后使用遗传算法对布局模型进行优化，从而得到理想方案。本文研究内容主要有以下几个方面：第一章绪论。主要介绍了为什么要对连杆锻造机器人生产线的布局进行优化，国内外对机器人自动化生产线研究的现状，简述本文如何实现优化连杆锻造机器人生产线的布局。第二章连杆锻造工艺分析及生产线建模。首先对连杆锻造的工艺进行了解和分析，确定连杆锻造所需要的工序及设备名称，然后再对机器人以及设备进行选型，定好尺寸。最后通过SolidWorks对设备进行建模，在SolidWorks的装配图中初步对连杆锻造生产线布局。第三章连杆锻造机器人生产线布局优化模型的建立。首先通过工作单元之间的最大距离，最小距离以及布局空间的长和宽，对连杆锻造机器人生产线布局优化数学模型进行建立。再对物流搬运总量，非物流相互关系，空间利用率使用权重因子进行补偿从而获得本设计的目标函数。第四章基于遗传算法的生产线布局优化。首先对遗传算法的运行参数进行合理设置，设备的尺寸和物流关系放入表格。然后对目标函数通过Matlab进行编程，对表格中的数据进行调用，通过遗传算法的选择、交叉、变异，循环最终获得连杆锻造生产线布局优化位置图，种群进化曲线图。第五章连杆锻造生产线的仿真。使用Roboguide将设备的模型结构图以添加机器的方式导入。对于摩擦压力机需要将其分成动的部分和不动的部分，不动的部分以添加机器的方式导入，动的部分以链接的方式导入。把设备按照布局优化位置图进行放置，确定连杆锻造机器人的抓取位置和放置位置，实现生产线仿真，保留视频动画。

第二章连杆锻造工艺分析及生产线建模2.1工艺分析从连杆的基本锻造工艺出发，分析每一个设备的节拍，与其它设备的运行关系，考虑制胚、成型和正火工序的产能平衡及生产成本问题，确定基于制胚、预锻、终锻、切边冲孔、精整工序、串并联选择的自动化锻造生产线规划和设计。针对连杆应用的需求确定上料、加热、预锻、成型、切边冲孔以及整形设备的选型。做到为企业节省资金，提高效率，为使用者提供高质量的产品。针对以上要求，将传统生产线与机器人相联系起来，实现连杆锻造机器人自动化生产线，做到高效率，高质量，高精度。同时需要人工最少，极大保护了工人的生命健康，减少了浮沉对工人呼吸道的危害。当然通过自动化生产线工人不需要再像以前那样待在高温环境，通过工程师对生产线的设计和优化可以实现全天24h的运转，降低原材料的浪费，减少劳动力这方面的开支，极大的促进了企业的竞争力。连杆锻造生产线可以通过图2-1的单线版进行锻造，但是效率较低，所以在实际生产中可以在楔横轧机加工后采用并联的方式如图2-2来提高生产效率。下面对连杆的锻造工艺进行分析。棒料毛坯上料棒料毛坯上料中频炉加热楔横轧成型定位及温度合格？楔横轧冲孔切边整形正火废料框废料框YNN图2-1连杆锻造工艺图（单线版）棒料毛坯上料棒料毛坯上料中频炉加热楔横轧定位及温度合格？成型成型楔横轧楔横轧冲孔切边冲孔切边整形整形正火正火废料框废料框废料框图2-2连杆锻造工艺图（双线版）1．棒料毛坯上料。通过传送带的方式实现对连杆锻造生产线的棒料毛坯自动上料，同时可以通过控制传送带的速度来实现控制生产线的生产速率。2.中频炉加热。首先中频炉具有加热速度快，不会产生环境污染，同时对加热的材料可以做到氧化脱碳少从而减少材料的损失。坯料在锻造前的加热在整个锻造过程中是必不可少的一步，对毛坯进行加热可以提高金属的塑形，降低金属的变形抗力从而让锻件更加容易成型，减少次品的数量。一般我们对毛坯加热到1180℃此时可以锻造，当温度低于780℃时停止对其锻造。3.楔轧机辊锻。毛坯通过中频炉加热，已经达到锻造的要求，通过楔轧机对其进行辊锻。楔轧机的两个楔形模具以同方向进行旋转，实现对棒料的径向压缩和轴向延伸，从而使得轧制的零件形状与模具型槽的形状一致。辊锻具有生产效率高，噪音小，产品的精度高同时可以减少材料的浪费。4.成型。毛坯通过辊锻之后已经基本成型，此时再通过摩擦压力机对其进行锻造。对原来的柱状材料进行平压使其基本成型，同时在模锻的过程中可以实现对材料表面进行氧化脱皮的作用，大大的提高了零件的质量。5.切边冲孔。通过冲压机对基本的成型的连杆进行冲压从而使连杆完全成型，此时经过前期的加工零件的温度已经下降，此时切边应力小便于切边和冲孔。为了防止切边而产生零件变形，一般把模具制造成波浪形，从而可以提高零件的生成率。6.整形。由于冲压机的切边冲孔会使得连杆留下毛边这一现象，于是就有了整形这一工序。对连杆进行去除毛边处理，同时提高零件的精度。2.2设备的选型完整的连杆锻造生产线基本组成如下：棒仓上料机、中频炉、楔横轧机、成型压机、切边冲孔压机、整形压机。下面对设备进行选型:1.锻造设备的选型；锻造设备我们选择J53-300系列摩擦压力机如下图2-3所示，这种锻压机的功能多，应用范围广泛并且可以充分的满足连杆锻造中的要求。同时在锻造过程中可能会引起大量的浮尘，因此在投入使用时可以对其进行密封处理，降低对工人呼吸道的伤害。图2-3J53-300T摩擦压力机2.毛坯加热设备的选型。毛坯加热设备选择GWT-1T/600KW串联中频炉如下图2-4所示，串联的中频炉可以很好的达到该条生产线的要求。串联中频炉相对于并联中频炉的最大优点就是串联中频炉的启动成功率可以达到百分之一百。通过提高成功率的因素，可以确保在任意功率下都有较高的成功率。同时串联的中频炉是恒定的功率输出，可以确保毛坯受热均匀，提高连杆的成品率，减少因受热不均匀而引起的质量不合格，以及无法成型等问题的发生。同时由于串联中频炉的功率较高大大缩短了炉子预热的时间从而加快生产线的正常运转。图2-4GWT-1T/600KW串联中频炉3.毛坯棒料辊锻设备的选型。毛坯棒料辊锻设备选择COOJYA-270自动辊轧机如下图2-5所示，主要用于汽车连杆锻造机器人自动化生产线棒料的辊锻，辊锻模型公称直径270mm,辊锻有效宽度300mm,最大辊锻件长度450mm。这种辊轧机结构简单，效率高，可同时生成两个连杆的粗胚。这种轧机设备价格较为低廉，操作简单，适用范围广泛；虽然它的尺寸精度不是很高，但已经可以实现对连杆粗锻的要求。图2-5COOJYA-270自动辊轧机4.机器人的选型。连杆锻造机器人选择FANAC-R-2000IC/165型关节机器人如下图2-6和2-7所示，这种机器人可以实现六个自由度的工作范围。通过连杆锻造机器人可以极大的提高生产效率，减少搬运费用，同时彻底实现连杆锻造生产线的自动化，实现机器人代替人，适应劳动力缺乏以及中国生产模式的转型。图2-6FANAC-R-2000IC/165型关节机器人图2-7FANAC-R-2000IC/165型关节机器人的工作范围2.3物理建模根据上文对设备和机器人进行选型，接下来开始对生产线的布局进行物理建模。图2-8并联生产线模型图上图2-8为并联生产线模型图，初步将生产线的模型图定为并联模式，通过FANAC-R-2000IC/165型关节机器人对原料进行上下搬运，从而实现生产线的自动化。该种模型与单线式相比，大大提高了机器的工作效率以及最大可能的发挥机器的使用价值，同时可以达到原来工作效率的两倍，用的机器人以及设备也可以减少一半，为企业减少资金投入，加快企业的资金回笼，提高企业的竞争力同时可以提高场地的利用效率。最重要的是通过工程师的优化该条生长线，可以充分发挥自动化生产线的高效率、高质量的优势，更加直观的体现优化布局的重要性。同时由于连杆广泛应用于摩托车，汽车，拖拉机的发动机上，它的尺寸会发生变化，而并联的方式不仅可以提高生产效率而且还提高了加工柔性，便于根据市场需要作出调整，甚至可以实现一条生产线生产出不同尺寸的连杆，从而提高生产线的使用效率，企业的竞争能力。同时这种生产线更加人性化，考虑到工人工作的舒适性，在设备与设备之间设有通道方便工人的操作。由于一些加工过程会产生大量的浮沉，在投入现实使用时同样对其相关设备进行密封处理从而保障工人的身体健康。第三章连杆锻造生产线布局优化数学模型建立3.1前言随着劳动力的缺失以及劳动力的价格上涨，国民教育水平的普遍提高，再加上如今中国已经全面进入小康社会，愿意从事这种有苦又累工作的人越来越少。并且人们更加注重养生，而这种工作注定对身体有害。由此对中国的工业生产方式冲击较大，而自动化生产线显然是解决这一问题的关键。近些年来，中国由传统手工业转变到自动化生产线再到智能制造业。同时，中国的生产效率也在大幅度的提高，中国正在向高质量、高效率的工业大国转变。但随着未来技术的提高，对设备要求的增加，必然会对原有生产线加入其它设备，那么就要重新对生产线的布局进行优化。在这种情况下只有少数大的企业可以做到生产线优化，从而不影响其在市场上的地位。而对于那些较小的企业，原有的生产线显然已经不能满足未来市场的要求，从而可能会导致这些企业失去竞争力，最终消失在市场的舞台。所以说，企业要重视生产线的设计以及布局优化，对其进行科学的，有创新的学习和研究。将工业机器人加入生产线中，不是简单地把它放进生产线就可以了，更不是简单地让机器人充当搬运物料的作用。要把机器人和生产线联系起来，对设备进行选型，对生产线进行设计，最后再对生产线进行优化，从而达到本设计最初的目的，实现智能化生产线，做到高效率，高质量。做到机器人代替人，从而解决中国由人口老龄化现象而引起的劳动力不足这一问题。进而推动中国的生产方式的转型，稳定中国世界生产打过的地位。但是大多数的设计者对于设备的尺寸，技术参数，以及机器人的选型这两方面很少有能够做到两者都重视，两者都去思考的。为了解决这类问题，设计了一种理想的方案，它主要包括以下内容：1.设计生产线布局方法的简单表达。本节，首先对如何设计生产线的布局做了简要的说明，然后通过对生产线的工艺分析从而确定生产线中设备之间的关系；最后在对设计生产线布局所运用的理论进行阐述。2.设计生产线布局的方法以及它的流程。首先本设计要确定对生产线设计影响因素最大的三个适应度函数，分别是一个生产周期内物料搬运的总量以及非物流相互关系值还有设备布局相对于空间的利用率，从而来对连杆锻造机器人生产线的布局实现优化[7]。由此，获得三个备选优化方案，最后通过比较方案的生产效率，价格因素以及结合实际生产过程中的布局决定最终的优化方案，实现连杆锻造机器人生产线的优化。3.2机器人生产线布局设计方法概述机器人生产线的优化布局总的来说就是按照生产要求，从原材料的接收，零部件和成品的制造、装配、搬运、储存的生产全过程。通过合理的布局方案来实现布局设备的优化，从而做到生产线高效率，产品高质量。以合理的设备布局，人员的合理分配来获得最大的经济效益。通过对设备节拍的分析来保障物料可以和机器人同步，最大限度的让物料刚到达指定位置，机械手也到达抓取位置，确保生产线流畅进而提高生产效率，减少不必要的停留。生产线的设计需要满足以下的原则和要求：1.生产线的布局必须符合产品加工设备之间的逻辑关系，促进生产线生产效率的提高，确保物料停留时间较短，保障机器运行较为流畅。2.生产线的布局空间利用率最高，合理利用空间，使生产线上的设备占据空间合理，从而达到空间利用率最大。3.产品生产周期内的物料搬运费用最小，方便原材料的输入、产品的输出以及废料和不合格产品的输出。保障生产线的运行较为流畅，避免机器人交叉发生碰撞。使得运输线高效快捷。4.生产线布局要考虑生产布局的柔韧性，方便后期市场对产品的要求改变从而做出调整，方便添加设备或者更新设备以及扩大生产能力。5.生产线的要合理化，把一个设备以及与它相关的机器人可以规划为一个工作单元，从而合并到一个建筑以内，方便后期的管理与设备的维修。6.生产线在布局过程中要预留安全通道，保障工人工作安全，做到干净舒适整洁，同时生产线的布局要人性化方便工人操作，从而提高工人对企业的认同感，促进成产线的生产效率，增强工人积的极性。3.3机器人生产线布局设计方法与流程机器人生产线布局设计方法具体流程如下图3-1所示，在下图中，第一步到第四步是要在机器人生产线布局设计之完成的前处理，主要是为接下来的单元布局优化和机器人生产线布局优化确定设备的尺寸，设备的节拍，以及对工作单元进行分组。工作单元优化则是指对每一个工作单元中的工业机器人和设备之间的布局进行优化，从而达到理想的效果。逐步对每一个工作单元进行优化后，进而在对机器人生产线进行整体布局，从而获得最满意的设计方案。1.确定生产线的组织形1.确定生产线的组织形式2.确定生产节拍3.确定工作单元的负荷系数4.平衡生产线工序5.工作单元布局优化6.机器人生产线布局设计图3-1机器人生产线布局设计流程图确定生产线的生产组织形式。生产组织方式指的是为了后期工件的生产，需要结合企业自身的需要，去选择适合企业所生产工件的设备和工业机器人。在这里，企业要根据市场的需求以及自己的优势来确定自己生产线的生产组织形式。生产组织形式包括：1.功能布局。功能布局最浅显的来说就是这条生产线的产品品种较多，这也就导致它的生产流程是跳跃式的。与传统的生产流程有很大的区别，同时由于产品的种类较多显然它的设备布局占地面积就会很大，这也同样会限制它的生产效率。2.产品式布局。产品式布局显然是根据目标产品来进行布局，产品单一，但是它的效率高，批量大。3.成组式布局。成组式布局更像是功能布局和产品式布局的综合，它的产品种类多很多但是这也导致它的批量会很低。下面的表3-1对三种生产组织形式进行了比较，通过表3-1和图3-2可以更加清晰的分辨出它们的长处和不足，方便企业和工程师对生产组织形式的选择，大大缩短了生产线布局所需要的时间。表3-1三种生产组织形式的比较生产组织形式工艺式布局产品式布局单元组成式布局产品特性生产类型成批式生产大量生产多品种、小批量生产流程跳跃式连续式混合式产品品种较多较少较多产品产量中等批量大批量小批量生产线特性生产柔性中等低高生存周期长很短短成本投资中等高低设备利用率高低中等平衡率低高中等生产目标员工技能要求较高较低很高在制品库存很多中等很少按时交货率中等低高管理复杂性中等简单复杂产品产量产品式布局产品产量产品式布局单员组成布局工艺式布局产品类型图3-2产品产量分析图（3.1）（3.2）式3.1和3.2中，CT—生产线节拍（min/件）；N—计划期产品产量（件）[8],包括计划产量、预期废品量以及预留量；F0—计划期内有效工作时间（min）;--时间有效利用系数，一般取0.90-0.96；Q—产品的年产量（台/year）；n—每台整机包含产品零件的数量（件/台）；p1备品率；p2—废品率。如果计算得到的节拍CT比较小，并且加工的产品它的体积小，质量小，那么此时的产品不适合按件运输传递，则可以选择批量运输。通过计算节奏来确定第一批产品生产完成到第二批产品生产结束所需要的时间[9]。节奏的计算公式为式3.3。（3.3）式中，CTg—生产线节奏（min/批）；CT—生产线节拍（min/件）；n—产品批量（件/批）。3.4机器人生产线整体布局设计方法3.4.1系统布置设计理论分析通过长时间对布局设计理论的研究以及在生产实践中经验的积累，无论是学术界还是工业届对生产线的布局设计都十分的重视。经过了这些年的研究，已经开发出了很多种的布局理论方法，这些方法大致可以分为两类：构造型和改进型。构造型是指从设计的源头进行改造从而形成一种新的布局方案。而改进型则是在现有的布局方案进行改进和修正，从而得到效率更高的生产线布局方式。现如今理论上的文献是致力于构造型的研究，然而在现实中大多数企业还是选择改进型的方式，通过现有的生产线对其部分改进从而达到提高生产率，优化生产线布局。在现实生活中，物料的搬运过程远比理论中的复杂，本设计通过图表去制定物料的搬运矩阵。通过把量的概念引入设计中，从而构建工作单元之间的物流相互关系以及非物流相互关系。再通过这些表格制定搬运矩阵以及非物流关系相互值，这些对求取目标函数至关重要。并且也只有通过制作表格才能促进后期的生产线优化布局，促进生产线布局的合理化，科学化，系统化。1.生产数据。在对生产线设计之前，需要对一些相关数据进行整合，确定设备之间的逻辑关系以便于后期对生产线布局进行优化。系统上将研究生产线设计的切入点划分为5个部分：（1）产品产品指的是生产线上最终生产的物品。该数据由企业提供，包括产品的类型，产品的原材料以及产品特征。通过对产品相关数据的研究，从而确定产品的生产工艺，所需要用到的设备以及机械手的选型。（2）产量产量是指设计的生产线对产品的生产数量[10]。该数据可以使用体积，质量来表示。影响产量的因素主要为生产线的大小和设备的先进程度。（3）生产工艺生产工艺是指生产产品所用到的设备以及如何对原材料进行加工和处理的过程。所以生产工艺在生产线的设计中至关重要，决定着设备的选型以及设备之间的逻辑关系，对物料的搬运也起到一定的决定作用。（4）辅助工艺辅助工艺是指保障生产线正常工作的部门，定期对设备进行检查以及当设备出现问题时，对其进行维修。（5）生产节拍生产节拍是指在生产线当中，一个产品从原材料经过一系列的加工最终成型所需要的时间。在生产过程中，需要去平衡生产节拍，去促使设备的停滞时间最短，不能让机器人发生碰撞。平衡生产节拍也就是平衡各个工序的生产时间来提高产品的生产效率。2.物流分析与作业单位相互关系分析。对于生产线当中的工作单元来说，需要对其进行分析。工作单元之间的物流关系也就是指设备与设备之间的物流关系。通过对设备与设备之间物料关系的分析进而确定生产线的搬运矩阵。3.绘制工作单元位置相互图。通过对机器人抓手最大到达工作距离以及最小到达工作距离，同时确保设备与设备之间的安全距离最终确定工作单元位置相互图。4.设计工作单元相互图。通过对工作单元的面积计算，对安全距离，设备与设备之间的距离，以及每行设备之间通道的距离的设置，从而计算出生产线上工作单元所占的面积。5.方案修正。此时生产线的设计方案已经初步定型，但还要考虑很多因素。比如，工作车间的舒适性，是否方便工人去操作，企业的认可性，实际场地的面积，物料的搬运方式，操作方式等。在考虑这些因素之后，再对方案进行修改，对单位面积相关图再进行调整，从而得到科学的，可行的，符合实际的几个可行方案[11]。6.方案评价与择优。对生产线设计的方案所需要的资金以及设计后生产线的效率，占地面积等多方面因素进行考量，选出最优的设计方案，和最佳的布局方案图纸[12]。3.4.2布局设计方法与流程对于工业机器人生产线布局的设计方法与流程如下图3-3所示：机器人生产线布局设计方法机器人生产线布局设计方法1.分析产品产量分析工艺分析物料搬运分析非物流关系分析2.组合优化数学模型求解算法3.选择—层分析法构建生产线评价系统求解子准则层权重系数求解方案层结果图3-3机器人生产线布局设计方法流程图一．物料搬运关系分析。生产线加工过程除了加工以外的主要过程就是搬运，那么物料搬运分析就成为了此时设计的核心。物料搬运分析包括对原材料的搬运，上下材料、以及对废料，零件成品的搬运和存储。具体的物料搬运关系主要包括以下几点：1.计算物料的搬运强度。物料的搬运强度可以通过在一定周期内搬运的质量，体积来表现。2.计算物流的搬运矩阵。通过对每个设备接收到的物料质量制作表格，在一个周期时间内，通过对相邻两个设备之间的物料交换质量的统计，即可求出搬运矩阵。二．非物流相互关系分析。影响自动化生产线的生产效率和生产质量的因素除了物料的搬运关系就是非物流相互关系，主要包括以下几个方面：1.生产线上的浮尘较多时，对人体呼吸道的危害极大，此时根据国家相关法律规定，要对这些设备进行密封处理，以减少空气中浮尘的数量，使其达到国家的标准。2.生产线上的零件质量较轻时，应做打包批次处理。3.相邻两个设备在搬运物料质量较大时，应减少搬运频率，以保障机器的寿命。4.应考虑后期市场的要求，所以生产线的设计要做柔性处理，便于后期增加设备。5.生产线中的上料仓以及存储仓要设置合理位置。在生产线设计过程中，应该考虑的因素不超过6个，下面是针对现实生活中，选取的非物流相互关系原因。如表3-2所示。表3-2非物流相互关系原因表序号非物流因素序号非物流因素1工艺流程的连续性5搬运方式限制2生产柔性考虑6公用设备3方便物料上下搬运7粉尘噪音污染4管理维修方便8人员联系经过多年的研究，我们把各个工作单元的物流相互关系分为六个等级，如表3-3所示：表3-3非物流关系等级表关系强度对应数值A超高4E特高3I较大2O一般1U可忽略0X有害-1XX危险-2三．工作单元布局优化。本章节的布局优化是在二维模型中的数学模型优化，由于将实物模型转化为数学模型需要进行大量的简化，因此在构建完数学模型后，我们得到的目标函数需要使用权重因子对其进行补偿，使其不失真。1.布局优化数学模型。生产线的布局优化数学模型如下式3.4所示。（3.4）式中，LS表示使用的面积大小，用来放置工作单元；表示所有的设备的尺寸；表示布局中的工作单元的约束；表示适应度函数集合；表示自变量的集合，确定工作单元在布局空间中的中心点坐标。2.布局变量。工作单元的位置可如下式3.5所示。（3.5）布局优化数学模型如下图3-4所示，其中字符的定义通过下表3-4进行解释。表3-4布局优化数学模型中字符定义字符定义i=1,2,3…n第i个工作单元，n为工作单元的数量Oi=（xi，yi）工作单元中心点坐标Oi（Li，Wi）第i个工作单元包围盒的长宽Dij第i个工作单元与第j个工作单元之间的物料搬运距离Mij第i个工作单元与第j个工作单元之间的物料搬运关系矩阵Rij第i个工作单元与第j个工作单元之间的非物流关系相互值(W1,W2,W3)物料搬运、相互关系值和空间利用率的权重因子（maxx,minx,maxy,miny）生产线布局方案所形成的包落矩形四边(S0,S)第i个工作单元与第j个工作单元之间的y上间隔(hij,hi0,i)第i个工作单元与第j个工作单元之间的x上间隔(Ls,Ws)生产线总的布局空间尺寸xxjhjkxyS0sxi图3-4工作单元布局数学模型示意图3.目标函数。布局优化数学模型的目标函数无外乎有两类，一种是物料搬运矩阵Mij另一种是非物流关系矩阵Rij。然后再通过权重因子对其进行补偿，从而得到最终的目标函数。在本设计当中考虑的因素有三点，它们分别是物料搬运总量最小，非物流相互关系值最大，空间利用率最大。然后本设计在对其使用权重因子进行补偿最终确定它的目标函数。（1）物料搬运总量最小，公式如3.6所示。（3.6）式中，物流搬运距离我们采用曼式距离，Dij=|xoj-xoi|+|yoj-yoi|，如3.7所示：（3.7）MM1M2M3曼式距离图3-5曼式物流搬运距离Dij表达示意图（2）非物流相互关系值最大，其公式3.8所。（3.8）（3）空间利用率最大，其公式3.9所示。（3.9）式中：Si——第i个布局工作单元的包落面积[13]。Si=Li*Wi；St——由最终布局完成后，设备占地的包络面积决定如下式3.10所示，空间利用示意图如3-6所示。（3.10）minxminx想maxxminymaxy图3-6空间利用示意图权重因子的确定需要根据实际生产过程中，通过生产过程对物料搬运、非物流相互关系、以及空间利用率三个方面选择的比重来决定。W1+W2+W3=1。综上，将上面求取的适应度函数加上权重因子从而可以获得我们需要的目标函数。如下式3.11所示。（3.11）4.约束条件（1）不重叠约束。布局过程中应保证各个工作单元之间不会发生重合或交叉，同时要保持一定的安全距离。如下式3.12所示。（3.12）四．布局方案的选择。根据上面的流程最终可以获得三种方案，这三种方案比较能够实现预期目标。但是在实际使用过程中，这三种方案可以会存在比较大的差异，进而在实际生产中无法达到通过优化机器人生产线的布局从而提高生产效率和产品质量的目标。所以，在得到这个优化方案后，需要通过一系列的手段去选择，从而避免在实际运用中无法提高效率这一现象，给企业带来不必要的损失。同样的，三种方案的适应场合也不一样，因为每种方案的侧重点不同，所以这也需要企业根据自己的实际情况进行选择。一般情况下对方案进行评价是通过专家打分法，费用效益分析法，层分析法，数据包落分析法进行择优。（1）专家打分法；专家打分法在最初时期使用最广，通过各个领域的专家进行打分，最后得出该方案的可行性。专家打分的方法较为简单，执行起来也较为容易，但是缺乏系统的依据。且最终的结果受到客观的因素影响较大，因此在凡事都讲究科学的今天，并且想要获得一套系统理论的今天显然是行不通的。（2）费用效益分析法；费用效益分析法是通过计算该套生产线需要的投入，前期设备的资金消耗，后期生产运行中废料的损失，搬运物料的费用以及最后这条生产线可以带来的效益。多久可以实现资金的回笼，这条生产线的效率、产品质量如何，以及在市场上企业通过这条生产线可以提高多少竞争力。第四章基于遗传算法的生产线布局优化4.1基本遗传算法4.1.1遗传算法的介绍。遗传算法是根据达尔文的进化论演化出来的[14]，它的中心思想是根据“物竞天择，适者生存，优胜劣汰”这一法则而提出的[15]，模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化的概率搜索算法。遗传算法的流程图如下图4-1所示：产生初始种群产生初始种群开始计算适应度是否满足优化准则？最佳个体Yes结果NO选择交叉变异图4-1遗传算法的流程图4.1.2遗传算法应用的关键问题遗传算法在应用中的关键问题：（1）确定初始种群大小[16]种群的大小会直接影响进化的多样性，当种群数设置较大的时候，可以增加物种进化的多样性。但是由于种群数较大，进化的速度就会很慢。当种群数设置较小的时候，进化的速度就会很快，但同样的物种进化的多样性则会大大减少，同时容易产生早熟现象。（2）染色体的编码方式[17]编码问题决定了解决问题的优劣。在对遗传算法的染色体编码时，大多使用二进制编码。但是二进制编码如果位数选择较高那么就会导致问题复杂化，同样的如果位数选择较低则会导致与实际结果偏差较大。所以说如果二进制的位数选择不当则会直接影响算法的收敛性。（3）参数设定[18]首先是种群的数量N，如上面所述，如果种群的数量选择较大，搜索时间则会很长。反之如果种群数量设置较小则会导致物种进化多样性降低从而致使无法寻到最优解。然后是交叉率Pc,交叉率选择较低的时候，那么遗传算法就会停滞不前。反之当交叉率选择较大时则会对适应度的值造成破坏。最后是变异率Pm，当变异率选择较大时，此时算法较为复杂不容易寻优，而当变异率设置较小时，种群不容易形成新个体。4.2基于遗传算法的优化分析根据第三章节确定的数学模型，本章节将基于遗传算法对连杆锻造机器人生产线的工作单元进行组合优化。1．初始种群通过手动输入，种群中个体的每一位按照等概率在0和1之中进行选择[19]。种群的初始化要考虑到种群的多样化问题，所以说种群的数量N要进行合理选择。对种群中的个体进行循环随机搜索，一直到种群的数目达到设置的种群数量为止。假设有m个元素，那么它的优先级矩阵同样是m维。（1）令x=1。（2）当x>m时循环结束；当x<m时，执行循环命令。（3）在[1,m]之间随机产生一个整数i，令j=1,然后判断矩阵中的第i-1列是否全部为0。如果是的话就可以把随机产生的整数放到此时x为1的这一列，反之则重复第三步。（4）矩阵的第i列清零则表示可以把随机产生的数转移到矩阵中，放在与之相对应的位置。（5）令x=x+1，把它放到第二步中进行循环。通过上述步奏后，由于存在惩罚项以及根据生产线的设计可以知道设备与设备之间存在着先后的关系，所以会产生一些无效的解，需要把这些无效的解删除掉。否则这些无效的解就会影响算法的运行速度以及运行精度。2．惩罚项：在布局空间的X方向，如果超过布局空间的长度Ls则直接换行。所以我们需要判断最后一行的工作设备在Y轴上是否超过给定的区域。Pk为不合理惩罚项，T为大数惩罚值。如下式4.1所示。（4.1）3．选择：采用轮盘赌的方式在这里有一点值得注意，因为概率越大，用轮盘赌来选择就越容易被选到，但是如果最初得到的目标函数是最小值，这里需要对其求取倒数，从而获得概率最大。采用轮盘赌的方式来选择是因为，轮盘选择可以避免早熟的问题。选择操作是根据个体的适应度来决定的，当个体的适应度大的时候，选择的概率就会很大从而更容易被下一代所继承。反之，当个体的适应度较低的时候则不容易被下一代所继承。但是也会出现个体适应度低却被选择到，那么此时就需要和上一代进行比较，比较两者的适应度值的高低，如果上一代较高，则保留上一代反之选择此代。通过上述方法从而实现挑出适应度高的个体并且去淘汰适应度较低的个体，最终实现优化。4．交叉：多点交叉。交叉的作用主要是尝试保留染色体当中较好的一部分然后去遗传下去，同样的交叉也促进了种群进化的多样性，从而确保结果较为准确。本设计采用的交叉方法更适合生产线的布局优化可以良好的解决生产线的平衡问题。从种群当中随机选择染色体进行交叉。令交配概率为Pc，那么就随机选择Pc*N(p)条染色体，然后再随机在这里面选择两条进行交叉。对于多点交叉，交叉位置可以无重复的随机进行选择[20]。位于交叉点之间的染色体进行相互交换，但是第一位的变量与第一个交叉点之间的染色体他不做交换，保持不变[21]。下面对两个10位的变量染色体进行演示：父个体1：0111001101父个体2：1010110010交叉位置：269如图4-2所示，交叉后的新个体为：子个体1：0110111101子个体2：10110010010父个体父个体子个体图4-2多点交叉多点交叉的破坏性可以促进空间解的搜索，同时还可以增加物种进化的多样性从而避免算法的过早收敛。5．变异：变异就是将原来的0变成1,1变成0。这里面的每一位都要根据变异率来决定是否需要变异。重组之后就是子代的变异，子个体以很小的概率发生转变。首先开始的时候增加变异率，结束的时候降低变异率可以提高最优解的搜索速度。变异本身就是一种局部搜索，变异的存在有利于提高物种进化的多样性，同时可以更好的避免过早收敛保障结果的准确性。但是有一点需要注意，变异的概率不能超过0.5，否则就不再是遗传算法的搜索，此时转变为随机搜索。对于二进制而言，变异就是0变为1，1变为0，如下面所示：变异前：1000100110变异后：1001100110很显然此时第四位发生了变异即第四位发生了翻转。6．对运行参数设置，将种群数量设置为50，终止代数设置为800，交叉概率设置为0.6，变异概率设置为0.1，惩罚项T为200。将算法的代码代入到Matlab中，输入相关数据即可求得连杆锻造机器人生产线的优化布局位置图以及种群进化曲线图，但是此时本文得到的只是连杆锻造机器人生产线的一部分，如下图4-2和4-3所示。对于另外一部分的布局，本设计可以通过镜像的方式获得。图4-3布局优化位置图图4-4种群进化曲线图通过Matlab对程序进行运行后还可以得到最优染色体是1,3,4,2,6,5,7。以及图4-5的最优染色体的中心位置即工作单元的中心位置。图4-5工作单元中心位置图第五章连杆锻造生产线的仿真5.1Roboguide软件的简介Roboguide软件是FANUC公司对旗下生产的机器人开发的一款机器人离线编程的工具[22]。Roboguide通过建设一个三维的空间来模拟设备和机器人的布局，并且通过示教器从而实现对机器人动作的仿真。通过模拟和仿真从而确定生产线布局的可行性，工艺方案是否可行，同时获得较准确的节拍[23]。Roboguide可以调用FANUC旗下的所有机器人，除此之外Roboguide自带的模型库还有很多比如机器人的抓手，围栏，控制台等。这些自带的模块方便了仿真，提高了Roboguide仿真的还原度。5.2工作站的创建1.搬运机器人的添加首先是对机器人的选取，本设计需要用到的搬运机器人选择FANAC-R-2000ic/165F型关节机器人[24]，如下图5-1所示。图5-1机器人功能选择2.机器人工具的添加首先需要点击GP在其下面的ut对夹具进行添加，夹具在Roboguide中的表示是grippers[25]。此时本设计直接通过在EOATs模型库中进行添加，注意添加夹具的时候要有两个动作一个开一个关从而实现后期对物料和工件的抓取。可以通过移动机器人的坐标轴来实现机器人的布局位置，同时对抓手选型后可以通过比例来控制抓手的大小，使其变得合理从而实现对工件的抓取。同时也可以通过对抓手进行旋转来设置抓手的初始方向如下图5-2所示。图5-2机器人坐标系3.工件的添加对于工件的添加，在Roboguide中本设计需要考虑的是工件的尺寸大小以及工件的位置和方向，对其质量的合理设置有利于机器人的抓取和仿真的运行。本设计通过点击part对其进行选择如下图5-3所示。运动仿真的时候，机器人的抓手需要执行开和关即抓取和释放这两个动作。而这里有一点需要注意，放置台上的工件方向应与机械手抓上的工件方向一致，否则机器人将无法识别从而无法抓取。图5-3工件的添加4.设备及其链接的添加对于设备的添加首先要做的是模型结构图的建立，在这里可以通过SolidWorks对其进行建模然后将其另存为IGES的格式从而方便Roboguide对其添加。在这里面有一点需要注意，设备的添加时必须在设备一栏进行添加否则将无法执行后面的仿真。本设计在设计过程中，选择传送带作为自动上料装置，所以说再添加完传送带后需要对其添加一个link起到一个托盘的作用，用来实现对物料的搬运。这里也有一点需要注意，由于是9.1版本的Roboguide它与新版本的不太一样，无法直接实现电机基于x轴进行旋转。所以在这里需要对电机的初始位置进行调试，使电机的z轴指向传送带运行的方向。对于托盘需要对其输入动作信号，点击动作后选择I/O控制，轴的类型选择直动。当六轴机器人的输出信号DO[1]为OFF时，传送链向负轴移动0mm，此时在传送带最右边。当六轴机器人的输入信号DO[1]为ON时，传送链正向移动3500mm，传送带以500mm/s进行移动。如下图5-4所示。图5-4传送带工作站5.3离线程序的编写1.仿真程序的生成搬运机器人的仿真动作主要是对工件实现抓取和放置。在Roboguide最新版本当中，插入Pickup和Drop，然后再分别点击相应的工件即可实现由Roboguide自动生成的抓取和放置程序，可以被直接调用。2.动作程序的编写根据生产线的要求，在TP示教器上对六轴机器人的程序进行编写，以六轴机器人为例，它的控制流程图如图5-5所示，动作程序的编程则是六轴机器人的输出信号DO[1]和另一个六轴机器人的输入信号DI[1]之间正确的传递。返回返回HOME点接近工位3的位置等待DI[1]位ON的信号抓取工位3的工件至工位4放置工件结束图5-5机器人控制流程图3.机器人运动仿真通过正确的机器人运动学可以实现机器的位置以及动作无误的仿真，通过机器人的轨迹规划可以实现期望的机器人轨迹，同时获得详细的机器人目标点的位置。通过Roboguide对生产线进行仿真可以清晰的看见机器人在工作工作过程中是否会发生碰撞以及动作是否正确。下图5-6是对连杆锻造机器人生产线的运行仿真，通过观察可以发现整个过程并没有发生碰撞，机器人的动作也都正确。通过机器人的离线仿真大大提高了生产线在实际布局中的效率，缩短了设计的周期。图5-6生产线的运行仿真Roboguide软件通过一个离线的三维空间实现对设备，机器人的布局，再通过TP离线编程实现对布局的仿真来模拟机器人的轨迹。Roboguide的离线仿真可以清晰确定机器人的轨迹，明确是否会发生碰撞。因此，Roboguide离线编程软件大大提高程序的准确性为现场的调试节省了大量的时间[25]。

结论本文通过对连杆锻造工艺的分析进而确定生产线所需要的设备，通过SolidWorks对设备进行建模，然后再通过遗传算法在Matlab中对工作单元的布局进行优化得到优化后的布局位置图。最后通过Roboguide对连杆锻造机器人生产线进行搭建和仿真。本文得出的结论如下：1.一条高质量，高效率的生产线绝非是简单的把机器人放入生产线，它需要经过后期工程师大量的调试与测试。同时，如果后期企业需要搬迁，那么该条生产线需要重新布局。2.连杆广泛应用于摩托车，汽车，拖拉机等，所以这也就造成了连杆尺寸的不一。对生产线进行研究后发现，我们可以采用并联的方式做到一条生产线可以生产出不同尺寸的连杆进而可以应对市场的需求。不仅可以提高企业的竞争力，生产线的生产效率同时还可以在原有设备的基础上做到物尽其用。3.与传统生产线相比，优化后的连杆锻造生产线显然了考虑工人舒适性，同时在会产生大量浮尘的设备进行了密封处理，确保了工人的身体健康。优化后的生产线使用机器人进行搬运，避免了工人与高温的材料接触