自动装卸搬运机器人的制造单元建模分析_卢灿.pdf

自动装卸搬运机器人的制造单元建模分析卢灿（厦门龙合智能科技有限公司，福建厦门361024）摘要：针对装卸搬运设备特殊的作业场所条件和性能特点，专门设计了手动对正控制系统，并在该装卸搬运设备的手动对正操作系统模煳控制策略的基础上，深入研究了该装卸搬运设备的手动对正操作系统模煳控制技术硬件选择、编程实施和测试结果检验的具体情况。关键词：自动装卸搬运机器人单元建模中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0090-021自动装卸搬运机器人的制造单元建模的意义制造业是当前社会经济发展的主要基础，自动装卸与搬运机器人已成为当前工业的核心设备，在极大程度上完成了对传统生产中人工劳动的替代，基本实现了生产机械化。随着中国当前人工智能技术体系的发展和进步，把智能技术系统运用于生产自动装卸搬运机器人中，实现了自动装卸搬运机器人的智慧生产，对中国工业制造发展具有重大意义。相比于普通生产的人工装卸搬运，自动装卸搬运机器人在智能生产中的成本投入相对较少，但随着生产容量的逐步增加，生产制造过程中的人工成本投入逐步提高，这也是当前自动装卸搬运机器人正逐步取代传统人工搬运的重要因素之一。自动拆卸搬运机器人的智能生产使用，大大降低了人工成本，并能够长期利用，在后期只需投资少量的维修成本，这对新时代的工业发展具有重要意义。2自动装卸搬运机器人的制造单元布局和流程2.1设备结构布局按照自动装卸搬运现场的工艺技术条件，制造单元管理系统要实现对某盘的机器人零部件手动拆卸和数控机械加工等全手动混流批量工业生产。其制造单元管理系统主要由手动机器人、总控单位、数控机械、工具仓、刀具库、分拣设备和移动导轨等构成。根据机器人生产单元各部分间协作关系的紧密度，进行布局规划和设置。把各组成单位科学合理地安排在有限的厂房空间中，既能增加空间使用率，减少运输路径，也能提高商品利用效率，减少成本。2.2自动装卸工艺流程机器人在加工单元中自动装卸工作时，由机器人和计算机数字控制加工通过编程逻辑控制器实现整个装卸流程的信号交流，并协同实现防护门打开、安装工件、夹紧工件、防护门关闭、计算机数字控制加工、防护门打开、松开工件、卸料等按规定顺序动作的逻辑控制系统1。3自动装卸控制系统设计要点3.1控制方案手动装卸控制器的信号转换系统以编程逻辑控制器为中枢，并在机器人、编程逻辑控制器和计算机数字控制中间通过信息。而编程逻辑控制器则是控制器的主工作站，并利用工业以太网总线通道与从站的机器人和计算机数字控制相互之间提供数据通信。机器人侧流程控制要求信息经由工业以太网发送到总流控制单元，由编程逻辑控制器经过逻辑处理过程后，再传递流程控制命令至计算机数字控制侧；由计算机数字控制运行并完成任务后，反馈信息给编程逻辑控制器，经编程逻辑控制器处理过后的结果，再传送给机器人，从而开始业务流程的下一步。各工作单元间利用数据互动，循环实现自动装卸流程。中央监控室内连接在以太网的计算机终端，通过视窗控制中心软件平台实时动态地显示网络设备的工作状况、技术参数和故障数据，远程监控生产线的启停并调整需求类型。西门子 S7-100 编程逻辑控制器的中央处理器还整合了网口，提供了 10100 Mbit/s 的 RJ 四十五接口和电缆交叉自适应，并提供了基于传输控制协议或网际协议的通信标准。ABBIRB10 工业机器人使用的标准输入或输出板 DSQC65，支持现场总线标准总线通信，可以直接与使用扩展的现场总线标准输入或输出模块和外围器材通信。将工业以太网远程输入或输出模块和现场总线标准模块的输入或输出端口之间通过点对点方法相连，有效克服了与这两种工业连接平台完全不同的设备之间正常通信的问题，从而实现这种工业连接平台的自由切换。3.2硬件选型加工单元的主要设备分为计算机数字控制和机器人。并按照实际生产工艺需要，选择了配备西门子88D 型数控机床的工艺中心，并支持工业以太网接入平台；选用 ABB 机器人 IRB10 为自动化机器人，支持现场总线标准接入平台，并按照控制器方案，经综合收稿日期：2022-06-02作者简介：卢灿（1988），男，福建长汀人，硕士，主要研究方向为机械制造及其自动化。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.034专题综述2023 年第 2 期分析系统模块设置、输入输出点数和内存容量，最后决定采用紧凑型西门子 S7-100 为控制器，中央处理器型号为 11C，输入或输出端口为 DI8/DO6，支持工业以太网接入平台，并符合分布式智能自动控制器的规定。3.3机电联调测试时，要仔细检查机械设备并确定机械设备制造单元设备配置准确无误，电路、气路和通信电缆的接线准确无误，控制器进度已加载至编程逻辑控制器，并仔细确认机械设备处在初始化状况：机械设备处在作业原点，无报警信号，手爪已松开；所需的设备和工作元件齐全，计算机数字控制准备就绪。测试时，工人首先在手工模式下单步操作，然后再在机器人自动模式下连续操作。在测试现场，系统顺利实现了机器人和计算机数字控制协同进行的装卸工件和数控工艺，装置工作平稳，基本满足了生产工艺需要。3.4仿真模型在仿真建模中，由于工件到达的间隔时间、机械加工持续时间以及机器人的移动位置和安装时间都服从指数分布，是可以通过随机数事件发生器来实现仿真建模的。系统的一般生产率是工件的总生产量乘以模拟执行时间，而系统的一般制造周期则是一个工件从进入系统到脱离系统的平均时间，机器设备的一般使用率是机器设备的一般加工时间乘以模拟执行时间，而自动化机器人的一般使用率则是自动化机器人的总移动和搬运工作时间乘以模拟执行时间。在模拟试验中，为避免随机性因素所产生的影响，每组算例分别在 95%置信水平下，完成了 5 次重复的模拟试验。为避免系统在初始状态时对系统稳态数值所产生的影响，最好在每次试验中仿真 1 000 d 后再进行计算2。3.5排队网模型的有效性验证对这些算例，采用排队网模式进行数值运算和仿真计算求解。在数据比较中可以发现，关于为具有自动装载搬运机器人能力的制造单元所建立的排队连网模式和主要系统特性的估计程序多数情况下都是可行的，而且这种方法计算结果相对误差极小，所有的主要系统性能指标的相对误差均在 25%以内。4自动装卸搬运机器人的制造单元建模的影响4.1到达时间对系统性能的影响由于工件到达的时间逐渐加快，因此系统的平均生产效率、平均产量周期、机器设备的平均使用率以及机器人平均使用率等都会逐步下降。当工件的到达时间缩短到一定程度时，则系统的平均产量效率增加的趋势越来越小。这是因为，此时系统的资源几乎已达到了最高的使用程度，所以通过设备平均使用率、机器人的平均使用率变化趋势，就可以解释这些。而在缓冲区容量的限制方面，当缓冲区容量超过最大值时，由于系统将会拒绝接受大量新来的工件，所以平均生产周期增加的趋势也将越来越小。当工件的接触时限增加到规定水平之后，由于控制系统中空闲的时刻将远大于控制系统设计的时刻，所以控制系统中各技术指标减少的趋向也将越来越小。4.2加工时间对系统性能的影响由于系统的平均生产时间增长，因此系统的平均生产成本逐渐变小，在平均生产时间、机器的平均效率前增加，在机器人平均利用范围率先增加后减少。当平均生产时间缩短到一定水平后，系统的平均生产效率增加的趋势越来越小，这是因为此时系统的其他资源基本上都达到了最大的使用范围。因为平均生产时间主要是根据平均生产效率确定的，所以当平均生产时间增加后，平均生产时间基本上是线性上升。当平均生产时间较小，由于总生产时间增大，机器人效率也发生了小幅上升进而逐渐下降。这就意味着在加工时间很少时设备空余的时间就很多，之后随着加工系统空余的时间逐步减少而机器人效率也逐步提高，之后又因为加工总时间的增大，而机器人由于也要进行大量机械生产而效率逐渐下降。随着加工时间扩大，机器人效率提高的可能性就越来越小，约 61%，这是由于加工时间服从指数分布所导致的。4.3机器人速率对系统性能的影响由于机器人速度提高，整个系统的平均生产率、装置平均使用率、机器人平均使用率等都会逐步提高，且平均制造周期也逐步缩短。当机器人速度提高到了一定程度时，整个系统的平均生产率、设备平均使用率、机器人平均使用率提高的趋势均越来越小，而平均生产周期缩短的趋势则越来越小3。4.4缓冲区容量对系统性能的影响由于缓冲区的容量逐渐增加，整个系统的平均生产率、平均制造周期、机器设备的平均使用率以及机器人平均使用率等都会逐步提高。由于缓冲区的总容积增加，当缓冲区的总容积为 3 m3时，系统的平均生产率上升的趋势更加小了，这是因为此时系统的资源几乎已达到了最高的使用程度，通过设备平均使用率、机器人的平均使用率变化趋势就可以解释。而由于缓冲区的总容积增加，系统平均产品周期也几乎呈现线性上升，更多的工件可以进入系统中等待，所以每个产品周期在系统中可以等候的时间就越来越久了。5结语针对越来越复杂的生产单元，以及针对更大型的生产体系，必须提供全新的模型思想与方式，将研究范围扩展至具备一般分布的输入输出的有限缓冲区（下转第 94 页）卢灿：自动装卸搬运机器人的制造单元建模分析91机械管理开发第 38 卷参考文献1王培政.松软煤层孤岛采煤工作面回采巷道超前支护技术的研究J.机械管理开发，2021，36（8）：171-172.2臧德梁.注浆锚索在采煤工作面超前支护中的应用J.山东煤炭科技，2020（9）：10-12；15.3姚强岭，王烜辉，夏泽，等.煤矿长壁采煤主动式超前支护关键技术及应用J.采矿与安全工程学报，2020，37（2）：289-297.4周中平，王东亮.关于采煤工作面标准作业循环的探讨J.内蒙古煤炭经济，2019（16）：102-103；106.5华乐，刘峰，强伟，等.采煤工作面应力叠加区的顶板管理探索J.煤矿现代化，2019（4）：75-77；80.6张亚珠.采煤工作面回采巷道超前垛式支架设计研究D.青岛：山东科技大学，2019.7刘新华.采煤工作面沿空巷道无反复支撑超前支护技术J.煤炭工程，2017，49（11）：38-40；44.8张鹏程.综采工作面端头及超前支护关键技术和装备研究D.北京：中国矿业大学（北京），2013.9宋文德，王文波，曲志军.海域巷道围岩岩性结构特征及回采巷道支护实践J.煤炭科学技术，2013，41（1）：52-55.（编辑：李俊慧）Research on Over-supporting Technology for Coal Mining Working Face RetracementRoadwayWang Jiang（Fenxi Mining Yixing Coal Industry,Xiaoyi Shanxi 032300）Abstract:The over-advance support technology selected for the over-advance support section of the coal mining working face retracementroadway has a significant impact on the control effect of the surrounding rock.The over-advance support technologies used in theover-advance support section of the back mining roadway are summarised in chronological order of application,and the advantages of eachtechnology and the problems in the application process are pointed out.The