PAGEVIII某鍛造機(jī)器人的生產(chǎn)線布局建模及仿真研究目錄第一章緒論 11.1選題背景 11.2課題研究目的與意義 21.3連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 31.4本文研究內(nèi)容 4第二章連桿鍛造工藝分析及生產(chǎn)線建模 52.1工藝分析 52.2設(shè)備選型 72.3物理建模 9第三章連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線布局優(yōu)化模型建立 113.1前言 113.2機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計方法概述 123.3機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計方法與流程 133.4機(jī)器人生產(chǎn)線整體布局設(shè)計方法 153.4.1系統(tǒng)布置設(shè)計理論分析 153.4.2布局設(shè)計方法與流程 17第四章基于遺傳算法的生產(chǎn)線布局優(yōu)化 234.1基本遺傳算法 234.1.1遺傳算法的介紹 234.1.2遺傳算法應(yīng)用的關(guān)鍵問題 234.2基于遺傳算法的優(yōu)化分析 24第5章連桿鍛造生產(chǎn)線的仿真 285.1ROBOGUIDE軟件的簡介 285.2工作站創(chuàng)建 285.3離線程序編程 31結(jié)論 33參考文獻(xiàn) 35第一章緒論1.1選題背景隨著世界產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的新一輪調(diào)整，勞動力的價格不斷上漲，產(chǎn)品也開始轉(zhuǎn)向高質(zhì)量方向發(fā)展，特別是一些高精密的機(jī)械加工更不適合由人去操作。同時，中國已經(jīng)發(fā)展成為世界制造大國，但是在效率上以及產(chǎn)品精細(xì)程度上來看，中國與其他發(fā)達(dá)國家之間的差距較大。再者，隨著中國的發(fā)展，人們生活水平日益提高，愿意從事傳統(tǒng)生產(chǎn)線的人們越來越少。通過下圖1-1和1-2可知傳統(tǒng)生產(chǎn)線噪音大，存在危險并且工作辛苦，并且需要長時間在高溫條件下操作，以及有大量粉塵，對人體呼吸道傷害極大。勞動力低廉的傳統(tǒng)生產(chǎn)線顯然已經(jīng)不適合中國現(xiàn)階段的國情，再加上原材料的價格上漲，國民的教育水平也顯著提高，以及中國呈現(xiàn)出人口老齡化現(xiàn)象，在未來勞動力缺失以及勞動力嚴(yán)重不足這是一個必然會發(fā)生問題。圖1-1傳統(tǒng)手工鍛造圖1-2鍛造車間而自動化生產(chǎn)線可以良好解決這個問題，縮短了勞動力的投入，減少了勞動力這一方面的開支，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時避免了一些較危險的操作，大大提高工人的人身安全，保障了工人的健康，促進(jìn)了中國生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型。中國正在由原來的傳統(tǒng)粗放式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊⒏哔|(zhì)量、高效率的生產(chǎn)方向發(fā)展。圖1-3所示。圖1-3機(jī)器人自動化生產(chǎn)線連桿是鏈接活塞和曲軸，將活塞所受作用力傳給曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的工具[1]。連桿主要應(yīng)用于拖拉機(jī)，汽車和摩托車發(fā)動機(jī)上，對發(fā)動機(jī)的傳動起著重要的作用。圖1-4所示。圖1-4連桿模型但是，目前工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)制造水平，以及工業(yè)機(jī)器人的操作精度水平，中國與德國，美國等一些發(fā)達(dá)國家之間的差距還有很大。中國受到核心技術(shù)的限制，使得工業(yè)機(jī)器人的價格昂貴，因此大企業(yè)對工業(yè)機(jī)器人是又愛又恨，而小型企業(yè)對其價格則是望而生卻，從而導(dǎo)致大企業(yè)越來越強(qiáng)而小型企業(yè)慢慢的失去競爭力，最后消失在競爭的舞臺。但隨著最近幾年以來，中國對機(jī)器人方面的研發(fā)，針對核心技術(shù)有了較大的突破，盡管和外國的高精度機(jī)器人相比還存在較大的差距，但已經(jīng)足夠滿足工業(yè)生產(chǎn)中的大多數(shù)作業(yè)。現(xiàn)在中國的一些小型企業(yè)也可以用的上機(jī)器人，因為他的價格得到了顯著的下降。相比較于現(xiàn)在個的工人成本，機(jī)器人的優(yōu)勢一覽無遺。隨著機(jī)器人技術(shù)以后越來越成熟，世界對產(chǎn)品質(zhì)量要求的越來越高，機(jī)器人和生產(chǎn)線結(jié)合起來必然是在未來發(fā)展的趨勢。此外，由于勞動力成本的越來越高，世界競爭的越來越嚴(yán)酷，想要獲得更好的發(fā)展，那么發(fā)展機(jī)器人，實現(xiàn)機(jī)器人代替人以及國家的創(chuàng)新道路的背景下，中國制造業(yè)對機(jī)器人的需求必將與日俱增。1.2課題研究目的與意義機(jī)器人生產(chǎn)線的設(shè)計與實現(xiàn)，絕非簡單的把工業(yè)機(jī)器人放到生產(chǎn)線中就可以了，需要大量有經(jīng)驗的工程師去調(diào)試，從而得到最優(yōu)方案。工程師需要對機(jī)器人進(jìn)行軌跡優(yōu)化，進(jìn)行大量的調(diào)試，最后得到優(yōu)化方案，使生產(chǎn)線按照規(guī)定的節(jié)拍來運(yùn)行。如果有一天這些設(shè)備需要搬遷，那么則需要重新調(diào)試，所有的工作需要重新來一遍。那么這必然存在一個致命的問題，有經(jīng)驗的工程師缺失該如何去解決。這些問題存在于每一條依托工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)線上。中國想要通過機(jī)器人來實現(xiàn)中國工業(yè)的高速發(fā)展和創(chuàng)新，這些問題必須要得到解決。如今，工業(yè)機(jī)器人依然是機(jī)器人行業(yè)占比最大的類型。中國的機(jī)器人市場在全球總市場占比很大，但純粹的機(jī)器人銷售占比很低，而對生產(chǎn)線的設(shè)計和優(yōu)化占比卻很大，可以大大提高生產(chǎn)效率，因此研究如何實現(xiàn)機(jī)器人生產(chǎn)的布局和優(yōu)化必然成為未來研究的主要方向。生產(chǎn)線布局的合理性必然成為影響企業(yè)競爭力的表現(xiàn)，好的生產(chǎn)線布局必然可以降低企業(yè)的成本，進(jìn)而降低單個產(chǎn)品的成本，從而使企業(yè)的競爭力大大加強(qiáng)。一個布局合理生產(chǎn)線可以在物料搬運(yùn)上提高效率，降低成本，至少可以為企業(yè)減少10%到30%的原料運(yùn)輸費用和物流時間。所以生產(chǎn)線布局合理的重要性毋庸置疑，可以降低企業(yè)的成本、縮短周期時間、提高企業(yè)的競爭力、加快企業(yè)資金回籠。1.3連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在工業(yè)布局優(yōu)化上，中國起步較晚，在1982年Muther來中國演講時，中國第一次接觸SLP。我國的研究員才開始認(rèn)識設(shè)備布局這一理論，并開始研究。所以在工業(yè)布局優(yōu)化上我們與那些發(fā)達(dá)國家相比，落后了他們很久。同樣在工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計與研發(fā)上也與其他發(fā)達(dá)國家有很大的差距。目前研究連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線的優(yōu)化方法有很多。比如周文賢[2]利用仿真環(huán)境下的干涉檢測技術(shù)，最優(yōu)初始位資選擇方法，奇異點規(guī)避方法，最優(yōu)路徑設(shè)定計算方法，從而對機(jī)器人的路徑進(jìn)行優(yōu)化提高了生產(chǎn)效率實現(xiàn)生產(chǎn)線優(yōu)化，但是設(shè)計方法較為復(fù)雜且優(yōu)化效果不夠明顯。宮百香[3]利用正交實驗法確定最優(yōu)參數(shù)，從而節(jié)省了生產(chǎn)線上16%的耗電量，為企業(yè)降低了成本，且該方法方便快捷，但適用范圍較小，僅適用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域里焊接機(jī)器人的能量優(yōu)化。唐雨蒙[4]利用傳統(tǒng)工業(yè)工程方法與改進(jìn)遺傳算法相結(jié)合，提高了生產(chǎn)性的平衡率，最大程度的消除了浪費，但是同樣具有一定的局限性。李麗清[5]通過遺傳算法配合機(jī)器人離線仿真，實現(xiàn)了生產(chǎn)線的整體布局，為企業(yè)提供了物美價廉的機(jī)器人系統(tǒng)，但生產(chǎn)過程需要大量設(shè)備，操作較為繁瑣并且當(dāng)變量較多時，不容易求取目標(biāo)函數(shù)，計算較為困難。項彬彬[6]通過對遺傳算法的改進(jìn)及優(yōu)化從而獲得一種更加適合設(shè)備的布局方法，具有較高的使用價值，但需要工程師有足夠的經(jīng)驗。1.4本文研究內(nèi)容本文主要是在面對勞動力匱乏的今天，以及中國工業(yè)迫切需要改革，進(jìn)而對連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。通過對連桿鍛造的工藝分析，確定所需設(shè)備，進(jìn)而再對該條生產(chǎn)線進(jìn)行物理建模。再通過建立連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線布局優(yōu)化模型，最后使用遺傳算法對布局模型進(jìn)行優(yōu)化，從而得到理想方案。本文研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：第一章緒論。主要介紹了為什么要對連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線的布局進(jìn)行優(yōu)化，國內(nèi)外對機(jī)器人自動化生產(chǎn)線研究的現(xiàn)狀，簡述本文如何實現(xiàn)優(yōu)化連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線的布局。第二章連桿鍛造工藝分析及生產(chǎn)線建模。首先對連桿鍛造的工藝進(jìn)行了解和分析，確定連桿鍛造所需要的工序及設(shè)備名稱，然后再對機(jī)器人以及設(shè)備進(jìn)行選型，定好尺寸。最后通過SolidWorks對設(shè)備進(jìn)行建模，在SolidWorks的裝配圖中初步對連桿鍛造生產(chǎn)線布局。第三章連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線布局優(yōu)化模型的建立。首先通過工作單元之間的最大距離，最小距離以及布局空間的長和寬，對連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建立。再對物流搬運(yùn)總量，非物流相互關(guān)系，空間利用率使用權(quán)重因子進(jìn)行補(bǔ)償從而獲得本設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)。第四章基于遺傳算法的生產(chǎn)線布局優(yōu)化。首先對遺傳算法的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，設(shè)備的尺寸和物流關(guān)系放入表格。然后對目標(biāo)函數(shù)通過Matlab進(jìn)行編程，對表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，通過遺傳算法的選擇、交叉、變異，循環(huán)最終獲得連桿鍛造生產(chǎn)線布局優(yōu)化位置圖，種群進(jìn)化曲線圖。第五章連桿鍛造生產(chǎn)線的仿真。使用Roboguide將設(shè)備的模型結(jié)構(gòu)圖以添加機(jī)器的方式導(dǎo)入。對于摩擦壓力機(jī)需要將其分成動的部分和不動的部分，不動的部分以添加機(jī)器的方式導(dǎo)入，動的部分以鏈接的方式導(dǎo)入。把設(shè)備按照布局優(yōu)化位置圖進(jìn)行放置，確定連桿鍛造機(jī)器人的抓取位置和放置位置，實現(xiàn)生產(chǎn)線仿真，保留視頻動畫。

第二章連桿鍛造工藝分析及生產(chǎn)線建模2.1工藝分析從連桿的基本鍛造工藝出發(fā)，分析每一個設(shè)備的節(jié)拍，與其它設(shè)備的運(yùn)行關(guān)系，考慮制胚、成型和正火工序的產(chǎn)能平衡及生產(chǎn)成本問題，確定基于制胚、預(yù)鍛、終鍛、切邊沖孔、精整工序、串并聯(lián)選擇的自動化鍛造生產(chǎn)線規(guī)劃和設(shè)計。針對連桿應(yīng)用的需求確定上料、加熱、預(yù)鍛、成型、切邊沖孔以及整形設(shè)備的選型。做到為企業(yè)節(jié)省資金，提高效率，為使用者提供高質(zhì)量的產(chǎn)品。針對以上要求，將傳統(tǒng)生產(chǎn)線與機(jī)器人相聯(lián)系起來，實現(xiàn)連桿鍛造機(jī)器人自動化生產(chǎn)線，做到高效率，高質(zhì)量，高精度。同時需要人工最少，極大保護(hù)了工人的生命健康，減少了浮沉對工人呼吸道的危害。當(dāng)然通過自動化生產(chǎn)線工人不需要再像以前那樣待在高溫環(huán)境，通過工程師對生產(chǎn)線的設(shè)計和優(yōu)化可以實現(xiàn)全天24h的運(yùn)轉(zhuǎn)，降低原材料的浪費，減少勞動力這方面的開支，極大的促進(jìn)了企業(yè)的競爭力。連桿鍛造生產(chǎn)線可以通過圖2-1的單線版進(jìn)行鍛造，但是效率較低，所以在實際生產(chǎn)中可以在楔橫軋機(jī)加工后采用并聯(lián)的方式如圖2-2來提高生產(chǎn)效率。下面對連桿的鍛造工藝進(jìn)行分析。棒料毛坯上料棒料毛坯上料中頻爐加熱楔橫軋成型定位及溫度合格？楔橫軋沖孔切邊整形正火廢料框廢料框YNN圖2-1連桿鍛造工藝圖（單線版）棒料毛坯上料棒料毛坯上料中頻爐加熱楔橫軋定位及溫度合格？成型成型楔橫軋楔橫軋沖孔切邊沖孔切邊整形整形正火正火廢料框廢料框廢料框圖2-2連桿鍛造工藝圖（雙線版）1．棒料毛坯上料。通過傳送帶的方式實現(xiàn)對連桿鍛造生產(chǎn)線的棒料毛坯自動上料，同時可以通過控制傳送帶的速度來實現(xiàn)控制生產(chǎn)線的生產(chǎn)速率。2.中頻爐加熱。首先中頻爐具有加熱速度快，不會產(chǎn)生環(huán)境污染，同時對加熱的材料可以做到氧化脫碳少從而減少材料的損失。坯料在鍛造前的加熱在整個鍛造過程中是必不可少的一步，對毛坯進(jìn)行加熱可以提高金屬的塑形，降低金屬的變形抗力從而讓鍛件更加容易成型，減少次品的數(shù)量。一般我們對毛坯加熱到1180℃此時可以鍛造，當(dāng)溫度低于780℃時停止對其鍛造。3.楔軋機(jī)輥鍛。毛坯通過中頻爐加熱，已經(jīng)達(dá)到鍛造的要求，通過楔軋機(jī)對其進(jìn)行輥鍛。楔軋機(jī)的兩個楔形模具以同方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對棒料的徑向壓縮和軸向延伸，從而使得軋制的零件形狀與模具型槽的形狀一致。輥鍛具有生產(chǎn)效率高，噪音小，產(chǎn)品的精度高同時可以減少材料的浪費。4.成型。毛坯通過輥鍛之后已經(jīng)基本成型，此時再通過摩擦壓力機(jī)對其進(jìn)行鍛造。對原來的柱狀材料進(jìn)行平壓使其基本成型，同時在模鍛的過程中可以實現(xiàn)對材料表面進(jìn)行氧化脫皮的作用，大大的提高了零件的質(zhì)量。5.切邊沖孔。通過沖壓機(jī)對基本的成型的連桿進(jìn)行沖壓從而使連桿完全成型，此時經(jīng)過前期的加工零件的溫度已經(jīng)下降，此時切邊應(yīng)力小便于切邊和沖孔。為了防止切邊而產(chǎn)生零件變形，一般把模具制造成波浪形，從而可以提高零件的生成率。6.整形。由于沖壓機(jī)的切邊沖孔會使得連桿留下毛邊這一現(xiàn)象，于是就有了整形這一工序。對連桿進(jìn)行去除毛邊處理，同時提高零件的精度。2.2設(shè)備的選型完整的連桿鍛造生產(chǎn)線基本組成如下：棒倉上料機(jī)、中頻爐、楔橫軋機(jī)、成型壓機(jī)、切邊沖孔壓機(jī)、整形壓機(jī)。下面對設(shè)備進(jìn)行選型:1.鍛造設(shè)備的選型；鍛造設(shè)備我們選擇J53-300系列摩擦壓力機(jī)如下圖2-3所示，這種鍛壓機(jī)的功能多，應(yīng)用范圍廣泛并且可以充分的滿足連桿鍛造中的要求。同時在鍛造過程中可能會引起大量的浮塵，因此在投入使用時可以對其進(jìn)行密封處理，降低對工人呼吸道的傷害。圖2-3J53-300T摩擦壓力機(jī)2.毛坯加熱設(shè)備的選型。毛坯加熱設(shè)備選擇GWT-1T/600KW串聯(lián)中頻爐如下圖2-4所示，串聯(lián)的中頻爐可以很好的達(dá)到該條生產(chǎn)線的要求。串聯(lián)中頻爐相對于并聯(lián)中頻爐的最大優(yōu)點就是串聯(lián)中頻爐的啟動成功率可以達(dá)到百分之一百。通過提高成功率的因素，可以確保在任意功率下都有較高的成功率。同時串聯(lián)的中頻爐是恒定的功率輸出，可以確保毛坯受熱均勻，提高連桿的成品率，減少因受熱不均勻而引起的質(zhì)量不合格，以及無法成型等問題的發(fā)生。同時由于串聯(lián)中頻爐的功率較高大大縮短了爐子預(yù)熱的時間從而加快生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。圖2-4GWT-1T/600KW串聯(lián)中頻爐3.毛坯棒料輥鍛設(shè)備的選型。毛坯棒料輥鍛設(shè)備選擇COOJYA-270自動輥軋機(jī)如下圖2-5所示，主要用于汽車連桿鍛造機(jī)器人自動化生產(chǎn)線棒料的輥鍛，輥鍛模型公稱直徑270mm,輥鍛有效寬度300mm,最大輥鍛件長度450mm。這種輥軋機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，效率高，可同時生成兩個連桿的粗胚。這種軋機(jī)設(shè)備價格較為低廉，操作簡單，適用范圍廣泛；雖然它的尺寸精度不是很高，但已經(jīng)可以實現(xiàn)對連桿粗鍛的要求。圖2-5COOJYA-270自動輥軋機(jī)4.機(jī)器人的選型。連桿鍛造機(jī)器人選擇FANAC-R-2000IC/165型關(guān)節(jié)機(jī)器人如下圖2-6和2-7所示，這種機(jī)器人可以實現(xiàn)六個自由度的工作范圍。通過連桿鍛造機(jī)器人可以極大的提高生產(chǎn)效率，減少搬運(yùn)費用，同時徹底實現(xiàn)連桿鍛造生產(chǎn)線的自動化，實現(xiàn)機(jī)器人代替人，適應(yīng)勞動力缺乏以及中國生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型。圖2-6FANAC-R-2000IC/165型關(guān)節(jié)機(jī)器人圖2-7FANAC-R-2000IC/165型關(guān)節(jié)機(jī)器人的工作范圍2.3物理建模根據(jù)上文對設(shè)備和機(jī)器人進(jìn)行選型，接下來開始對生產(chǎn)線的布局進(jìn)行物理建模。圖2-8并聯(lián)生產(chǎn)線模型圖上圖2-8為并聯(lián)生產(chǎn)線模型圖，初步將生產(chǎn)線的模型圖定為并聯(lián)模式，通過FANAC-R-2000IC/165型關(guān)節(jié)機(jī)器人對原料進(jìn)行上下搬運(yùn)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化。該種模型與單線式相比，大大提高了機(jī)器的工作效率以及最大可能的發(fā)揮機(jī)器的使用價值，同時可以達(dá)到原來工作效率的兩倍，用的機(jī)器人以及設(shè)備也可以減少一半，為企業(yè)減少資金投入，加快企業(yè)的資金回籠，提高企業(yè)的競爭力同時可以提高場地的利用效率。最重要的是通過工程師的優(yōu)化該條生長線，可以充分發(fā)揮自動化生產(chǎn)線的高效率、高質(zhì)量的優(yōu)勢，更加直觀的體現(xiàn)優(yōu)化布局的重要性。同時由于連桿廣泛應(yīng)用于摩托車，汽車，拖拉機(jī)的發(fā)動機(jī)上，它的尺寸會發(fā)生變化，而并聯(lián)的方式不僅可以提高生產(chǎn)效率而且還提高了加工柔性，便于根據(jù)市場需要作出調(diào)整，甚至可以實現(xiàn)一條生產(chǎn)線生產(chǎn)出不同尺寸的連桿，從而提高生產(chǎn)線的使用效率，企業(yè)的競爭能力。同時這種生產(chǎn)線更加人性化，考慮到工人工作的舒適性，在設(shè)備與設(shè)備之間設(shè)有通道方便工人的操作。由于一些加工過程會產(chǎn)生大量的浮沉，在投入現(xiàn)實使用時同樣對其相關(guān)設(shè)備進(jìn)行密封處理從而保障工人的身體健康。第三章連桿鍛造生產(chǎn)線布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建立3.1前言隨著勞動力的缺失以及勞動力的價格上漲，國民教育水平的普遍提高，再加上如今中國已經(jīng)全面進(jìn)入小康社會，愿意從事這種有苦又累工作的人越來越少。并且人們更加注重養(yǎng)生，而這種工作注定對身體有害。由此對中國的工業(yè)生產(chǎn)方式?jīng)_擊較大，而自動化生產(chǎn)線顯然是解決這一問題的關(guān)鍵。近些年來，中國由傳統(tǒng)手工業(yè)轉(zhuǎn)變到自動化生產(chǎn)線再到智能制造業(yè)。同時，中國的生產(chǎn)效率也在大幅度的提高，中國正在向高質(zhì)量、高效率的工業(yè)大國轉(zhuǎn)變。但隨著未來技術(shù)的提高，對設(shè)備要求的增加，必然會對原有生產(chǎn)線加入其它設(shè)備，那么就要重新對生產(chǎn)線的布局進(jìn)行優(yōu)化。在這種情況下只有少數(shù)大的企業(yè)可以做到生產(chǎn)線優(yōu)化，從而不影響其在市場上的地位。而對于那些較小的企業(yè)，原有的生產(chǎn)線顯然已經(jīng)不能滿足未來市場的要求，從而可能會導(dǎo)致這些企業(yè)失去競爭力，最終消失在市場的舞臺。所以說，企業(yè)要重視生產(chǎn)線的設(shè)計以及布局優(yōu)化，對其進(jìn)行科學(xué)的，有創(chuàng)新的學(xué)習(xí)和研究。將工業(yè)機(jī)器人加入生產(chǎn)線中，不是簡單地把它放進(jìn)生產(chǎn)線就可以了，更不是簡單地讓機(jī)器人充當(dāng)搬運(yùn)物料的作用。要把機(jī)器人和生產(chǎn)線聯(lián)系起來，對設(shè)備進(jìn)行選型，對生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計，最后再對生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到本設(shè)計最初的目的，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)線，做到高效率，高質(zhì)量。做到機(jī)器人代替人，從而解決中國由人口老齡化現(xiàn)象而引起的勞動力不足這一問題。進(jìn)而推動中國的生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型，穩(wěn)定中國世界生產(chǎn)打過的地位。但是大多數(shù)的設(shè)計者對于設(shè)備的尺寸，技術(shù)參數(shù)，以及機(jī)器人的選型這兩方面很少有能夠做到兩者都重視，兩者都去思考的。為了解決這類問題，設(shè)計了一種理想的方案，它主要包括以下內(nèi)容：1.設(shè)計生產(chǎn)線布局方法的簡單表達(dá)。本節(jié)，首先對如何設(shè)計生產(chǎn)線的布局做了簡要的說明，然后通過對生產(chǎn)線的工藝分析從而確定生產(chǎn)線中設(shè)備之間的關(guān)系；最后在對設(shè)計生產(chǎn)線布局所運(yùn)用的理論進(jìn)行闡述。2.設(shè)計生產(chǎn)線布局的方法以及它的流程。首先本設(shè)計要確定對生產(chǎn)線設(shè)計影響因素最大的三個適應(yīng)度函數(shù)，分別是一個生產(chǎn)周期內(nèi)物料搬運(yùn)的總量以及非物流相互關(guān)系值還有設(shè)備布局相對于空間的利用率，從而來對連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線的布局實現(xiàn)優(yōu)化[7]。由此，獲得三個備選優(yōu)化方案，最后通過比較方案的生產(chǎn)效率，價格因素以及結(jié)合實際生產(chǎn)過程中的布局決定最終的優(yōu)化方案，實現(xiàn)連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線的優(yōu)化。3.2機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計方法概述機(jī)器人生產(chǎn)線的優(yōu)化布局總的來說就是按照生產(chǎn)要求，從原材料的接收，零部件和成品的制造、裝配、搬運(yùn)、儲存的生產(chǎn)全過程。通過合理的布局方案來實現(xiàn)布局設(shè)備的優(yōu)化，從而做到生產(chǎn)線高效率，產(chǎn)品高質(zhì)量。以合理的設(shè)備布局，人員的合理分配來獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。通過對設(shè)備節(jié)拍的分析來保障物料可以和機(jī)器人同步，最大限度的讓物料剛到達(dá)指定位置，機(jī)械手也到達(dá)抓取位置，確保生產(chǎn)線流暢進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，減少不必要的停留。生產(chǎn)線的設(shè)計需要滿足以下的原則和要求：1.生產(chǎn)線的布局必須符合產(chǎn)品加工設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，促進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的提高，確保物料停留時間較短，保障機(jī)器運(yùn)行較為流暢。2.生產(chǎn)線的布局空間利用率最高，合理利用空間，使生產(chǎn)線上的設(shè)備占據(jù)空間合理，從而達(dá)到空間利用率最大。3.產(chǎn)品生產(chǎn)周期內(nèi)的物料搬運(yùn)費用最小，方便原材料的輸入、產(chǎn)品的輸出以及廢料和不合格產(chǎn)品的輸出。保障生產(chǎn)線的運(yùn)行較為流暢，避免機(jī)器人交叉發(fā)生碰撞。使得運(yùn)輸線高效快捷。4.生產(chǎn)線布局要考慮生產(chǎn)布局的柔韌性，方便后期市場對產(chǎn)品的要求改變從而做出調(diào)整，方便添加設(shè)備或者更新設(shè)備以及擴(kuò)大生產(chǎn)能力。5.生產(chǎn)線的要合理化，把一個設(shè)備以及與它相關(guān)的機(jī)器人可以規(guī)劃為一個工作單元，從而合并到一個建筑以內(nèi)，方便后期的管理與設(shè)備的維修。6.生產(chǎn)線在布局過程中要預(yù)留安全通道，保障工人工作安全，做到干凈舒適整潔，同時生產(chǎn)線的布局要人性化方便工人操作，從而提高工人對企業(yè)的認(rèn)同感，促進(jìn)成產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，增強(qiáng)工人積的極性。3.3機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計方法與流程機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計方法具體流程如下圖3-1所示，在下圖中，第一步到第四步是要在機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計之完成的前處理，主要是為接下來的單元布局優(yōu)化和機(jī)器人生產(chǎn)線布局優(yōu)化確定設(shè)備的尺寸，設(shè)備的節(jié)拍，以及對工作單元進(jìn)行分組。工作單元優(yōu)化則是指對每一個工作單元中的工業(yè)機(jī)器人和設(shè)備之間的布局進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到理想的效果。逐步對每一個工作單元進(jìn)行優(yōu)化后，進(jìn)而在對機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行整體布局，從而獲得最滿意的設(shè)計方案。1.確定生產(chǎn)線的組織形1.確定生產(chǎn)線的組織形式2.確定生產(chǎn)節(jié)拍3.確定工作單元的負(fù)荷系數(shù)4.平衡生產(chǎn)線工序5.工作單元布局優(yōu)化6.機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計圖3-1機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計流程圖確定生產(chǎn)線的生產(chǎn)組織形式。生產(chǎn)組織方式指的是為了后期工件的生產(chǎn)，需要結(jié)合企業(yè)自身的需要，去選擇適合企業(yè)所生產(chǎn)工件的設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人。在這里，企業(yè)要根據(jù)市場的需求以及自己的優(yōu)勢來確定自己生產(chǎn)線的生產(chǎn)組織形式。生產(chǎn)組織形式包括：1.功能布局。功能布局最淺顯的來說就是這條生產(chǎn)線的產(chǎn)品品種較多，這也就導(dǎo)致它的生產(chǎn)流程是跳躍式的。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程有很大的區(qū)別，同時由于產(chǎn)品的種類較多顯然它的設(shè)備布局占地面積就會很大，這也同樣會限制它的生產(chǎn)效率。2.產(chǎn)品式布局。產(chǎn)品式布局顯然是根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品來進(jìn)行布局，產(chǎn)品單一，但是它的效率高，批量大。3.成組式布局。成組式布局更像是功能布局和產(chǎn)品式布局的綜合，它的產(chǎn)品種類多很多但是這也導(dǎo)致它的批量會很低。下面的表3-1對三種生產(chǎn)組織形式進(jìn)行了比較，通過表3-1和圖3-2可以更加清晰的分辨出它們的長處和不足，方便企業(yè)和工程師對生產(chǎn)組織形式的選擇，大大縮短了生產(chǎn)線布局所需要的時間。表3-1三種生產(chǎn)組織形式的比較生產(chǎn)組織形式工藝式布局產(chǎn)品式布局單元組成式布局產(chǎn)品特性生產(chǎn)類型成批式生產(chǎn)大量生產(chǎn)多品種、小批量生產(chǎn)流程跳躍式連續(xù)式混合式產(chǎn)品品種較多較少較多產(chǎn)品產(chǎn)量中等批量大批量小批量生產(chǎn)線特性生產(chǎn)柔性中等低高生存周期長很短短成本投資中等高低設(shè)備利用率高低中等平衡率低高中等生產(chǎn)目標(biāo)員工技能要求較高較低很高在制品庫存很多中等很少按時交貨率中等低高管理復(fù)雜性中等簡單復(fù)雜產(chǎn)品產(chǎn)量產(chǎn)品式布局產(chǎn)品產(chǎn)量產(chǎn)品式布局單員組成布局工藝式布局產(chǎn)品類型圖3-2產(chǎn)品產(chǎn)量分析圖（3.1）（3.2）式3.1和3.2中，CT—生產(chǎn)線節(jié)拍（min/件）；N—計劃期產(chǎn)品產(chǎn)量（件）[8],包括計劃產(chǎn)量、預(yù)期廢品量以及預(yù)留量；F0—計劃期內(nèi)有效工作時間（min）;--時間有效利用系數(shù)，一般取0.90-0.96；Q—產(chǎn)品的年產(chǎn)量（臺/year）；n—每臺整機(jī)包含產(chǎn)品零件的數(shù)量（件/臺）；p1備品率；p2—廢品率。如果計算得到的節(jié)拍CT比較小，并且加工的產(chǎn)品它的體積小，質(zhì)量小，那么此時的產(chǎn)品不適合按件運(yùn)輸傳遞，則可以選擇批量運(yùn)輸。通過計算節(jié)奏來確定第一批產(chǎn)品生產(chǎn)完成到第二批產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束所需要的時間[9]。節(jié)奏的計算公式為式3.3。（3.3）式中，CTg—生產(chǎn)線節(jié)奏（min/批）；CT—生產(chǎn)線節(jié)拍（min/件）；n—產(chǎn)品批量（件/批）。3.4機(jī)器人生產(chǎn)線整體布局設(shè)計方法3.4.1系統(tǒng)布置設(shè)計理論分析通過長時間對布局設(shè)計理論的研究以及在生產(chǎn)實踐中經(jīng)驗的積累，無論是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)屆對生產(chǎn)線的布局設(shè)計都十分的重視。經(jīng)過了這些年的研究，已經(jīng)開發(fā)出了很多種的布局理論方法，這些方法大致可以分為兩類：構(gòu)造型和改進(jìn)型。構(gòu)造型是指從設(shè)計的源頭進(jìn)行改造從而形成一種新的布局方案。而改進(jìn)型則是在現(xiàn)有的布局方案進(jìn)行改進(jìn)和修正，從而得到效率更高的生產(chǎn)線布局方式?，F(xiàn)如今理論上的文獻(xiàn)是致力于構(gòu)造型的研究，然而在現(xiàn)實中大多數(shù)企業(yè)還是選擇改進(jìn)型的方式，通過現(xiàn)有的生產(chǎn)線對其部分改進(jìn)從而達(dá)到提高生產(chǎn)率，優(yōu)化生產(chǎn)線布局。在現(xiàn)實生活中，物料的搬運(yùn)過程遠(yuǎn)比理論中的復(fù)雜，本設(shè)計通過圖表去制定物料的搬運(yùn)矩陣。通過把量的概念引入設(shè)計中，從而構(gòu)建工作單元之間的物流相互關(guān)系以及非物流相互關(guān)系。再通過這些表格制定搬運(yùn)矩陣以及非物流關(guān)系相互值，這些對求取目標(biāo)函數(shù)至關(guān)重要。并且也只有通過制作表格才能促進(jìn)后期的生產(chǎn)線優(yōu)化布局，促進(jìn)生產(chǎn)線布局的合理化，科學(xué)化，系統(tǒng)化。1.生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在對生產(chǎn)線設(shè)計之前，需要對一些相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，確定設(shè)備之間的邏輯關(guān)系以便于后期對生產(chǎn)線布局進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)上將研究生產(chǎn)線設(shè)計的切入點劃分為5個部分：（1）產(chǎn)品產(chǎn)品指的是生產(chǎn)線上最終生產(chǎn)的物品。該數(shù)據(jù)由企業(yè)提供，包括產(chǎn)品的類型，產(chǎn)品的原材料以及產(chǎn)品特征。通過對產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)的研究，從而確定產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，所需要用到的設(shè)備以及機(jī)械手的選型。（2）產(chǎn)量產(chǎn)量是指設(shè)計的生產(chǎn)線對產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量[10]。該數(shù)據(jù)可以使用體積，質(zhì)量來表示。影響產(chǎn)量的因素主要為生產(chǎn)線的大小和設(shè)備的先進(jìn)程度。（3）生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝是指生產(chǎn)產(chǎn)品所用到的設(shè)備以及如何對原材料進(jìn)行加工和處理的過程。所以生產(chǎn)工藝在生產(chǎn)線的設(shè)計中至關(guān)重要，決定著設(shè)備的選型以及設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，對物料的搬運(yùn)也起到一定的決定作用。（4）輔助工藝輔助工藝是指保障生產(chǎn)線正常工作的部門，定期對設(shè)備進(jìn)行檢查以及當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題時，對其進(jìn)行維修。（5）生產(chǎn)節(jié)拍生產(chǎn)節(jié)拍是指在生產(chǎn)線當(dāng)中，一個產(chǎn)品從原材料經(jīng)過一系列的加工最終成型所需要的時間。在生產(chǎn)過程中，需要去平衡生產(chǎn)節(jié)拍，去促使設(shè)備的停滯時間最短，不能讓機(jī)器人發(fā)生碰撞。平衡生產(chǎn)節(jié)拍也就是平衡各個工序的生產(chǎn)時間來提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。2.物流分析與作業(yè)單位相互關(guān)系分析。對于生產(chǎn)線當(dāng)中的工作單元來說，需要對其進(jìn)行分析。工作單元之間的物流關(guān)系也就是指設(shè)備與設(shè)備之間的物流關(guān)系。通過對設(shè)備與設(shè)備之間物料關(guān)系的分析進(jìn)而確定生產(chǎn)線的搬運(yùn)矩陣。3.繪制工作單元位置相互圖。通過對機(jī)器人抓手最大到達(dá)工作距離以及最小到達(dá)工作距離，同時確保設(shè)備與設(shè)備之間的安全距離最終確定工作單元位置相互圖。4.設(shè)計工作單元相互圖。通過對工作單元的面積計算，對安全距離，設(shè)備與設(shè)備之間的距離，以及每行設(shè)備之間通道的距離的設(shè)置，從而計算出生產(chǎn)線上工作單元所占的面積。5.方案修正。此時生產(chǎn)線的設(shè)計方案已經(jīng)初步定型，但還要考慮很多因素。比如，工作車間的舒適性，是否方便工人去操作，企業(yè)的認(rèn)可性，實際場地的面積，物料的搬運(yùn)方式，操作方式等。在考慮這些因素之后，再對方案進(jìn)行修改，對單位面積相關(guān)圖再進(jìn)行調(diào)整，從而得到科學(xué)的，可行的，符合實際的幾個可行方案[11]。6.方案評價與擇優(yōu)。對生產(chǎn)線設(shè)計的方案所需要的資金以及設(shè)計后生產(chǎn)線的效率，占地面積等多方面因素進(jìn)行考量，選出最優(yōu)的設(shè)計方案，和最佳的布局方案圖紙[12]。3.4.2布局設(shè)計方法與流程對于工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線布局的設(shè)計方法與流程如下圖3-3所示：機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計方法機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計方法1.分析產(chǎn)品產(chǎn)量分析工藝分析物料搬運(yùn)分析非物流關(guān)系分析2.組合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型求解算法3.選擇—層分析法構(gòu)建生產(chǎn)線評價系統(tǒng)求解子準(zhǔn)則層權(quán)重系數(shù)求解方案層結(jié)果圖3-3機(jī)器人生產(chǎn)線布局設(shè)計方法流程圖一．物料搬運(yùn)關(guān)系分析。生產(chǎn)線加工過程除了加工以外的主要過程就是搬運(yùn)，那么物料搬運(yùn)分析就成為了此時設(shè)計的核心。物料搬運(yùn)分析包括對原材料的搬運(yùn)，上下材料、以及對廢料，零件成品的搬運(yùn)和存儲。具體的物料搬運(yùn)關(guān)系主要包括以下幾點：1.計算物料的搬運(yùn)強(qiáng)度。物料的搬運(yùn)強(qiáng)度可以通過在一定周期內(nèi)搬運(yùn)的質(zhì)量，體積來表現(xiàn)。2.計算物流的搬運(yùn)矩陣。通過對每個設(shè)備接收到的物料質(zhì)量制作表格，在一個周期時間內(nèi)，通過對相鄰兩個設(shè)備之間的物料交換質(zhì)量的統(tǒng)計，即可求出搬運(yùn)矩陣。二．非物流相互關(guān)系分析。影響自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的因素除了物料的搬運(yùn)關(guān)系就是非物流相互關(guān)系，主要包括以下幾個方面：1.生產(chǎn)線上的浮塵較多時，對人體呼吸道的危害極大，此時根據(jù)國家相關(guān)法律規(guī)定，要對這些設(shè)備進(jìn)行密封處理，以減少空氣中浮塵的數(shù)量，使其達(dá)到國家的標(biāo)準(zhǔn)。2.生產(chǎn)線上的零件質(zhì)量較輕時，應(yīng)做打包批次處理。3.相鄰兩個設(shè)備在搬運(yùn)物料質(zhì)量較大時，應(yīng)減少搬運(yùn)頻率，以保障機(jī)器的壽命。4.應(yīng)考慮后期市場的要求，所以生產(chǎn)線的設(shè)計要做柔性處理，便于后期增加設(shè)備。5.生產(chǎn)線中的上料倉以及存儲倉要設(shè)置合理位置。在生產(chǎn)線設(shè)計過程中，應(yīng)該考慮的因素不超過6個，下面是針對現(xiàn)實生活中，選取的非物流相互關(guān)系原因。如表3-2所示。表3-2非物流相互關(guān)系原因表序號非物流因素序號非物流因素1工藝流程的連續(xù)性5搬運(yùn)方式限制2生產(chǎn)柔性考慮6公用設(shè)備3方便物料上下搬運(yùn)7粉塵噪音污染4管理維修方便8人員聯(lián)系經(jīng)過多年的研究，我們把各個工作單元的物流相互關(guān)系分為六個等級，如表3-3所示：表3-3非物流關(guān)系等級表關(guān)系強(qiáng)度對應(yīng)數(shù)值A(chǔ)超高4E特高3I較大2O一般1U可忽略0X有害-1XX危險-2三．工作單元布局優(yōu)化。本章節(jié)的布局優(yōu)化是在二維模型中的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化，由于將實物模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型需要進(jìn)行大量的簡化，因此在構(gòu)建完數(shù)學(xué)模型后，我們得到的目標(biāo)函數(shù)需要使用權(quán)重因子對其進(jìn)行補(bǔ)償，使其不失真。1.布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。生產(chǎn)線的布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下式3.4所示。（3.4）式中，LS表示使用的面積大小，用來放置工作單元；表示所有的設(shè)備的尺寸；表示布局中的工作單元的約束；表示適應(yīng)度函數(shù)集合；表示自變量的集合，確定工作單元在布局空間中的中心點坐標(biāo)。2.布局變量。工作單元的位置可如下式3.5所示。（3.5）布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下圖3-4所示，其中字符的定義通過下表3-4進(jìn)行解釋。表3-4布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中字符定義字符定義i=1,2,3…n第i個工作單元，n為工作單元的數(shù)量Oi=（xi，yi）工作單元中心點坐標(biāo)Oi（Li，Wi）第i個工作單元包圍盒的長寬Dij第i個工作單元與第j個工作單元之間的物料搬運(yùn)距離Mij第i個工作單元與第j個工作單元之間的物料搬運(yùn)關(guān)系矩陣Rij第i個工作單元與第j個工作單元之間的非物流關(guān)系相互值(W1,W2,W3)物料搬運(yùn)、相互關(guān)系值和空間利用率的權(quán)重因子（maxx,minx,maxy,miny）生產(chǎn)線布局方案所形成的包落矩形四邊(S0,S)第i個工作單元與第j個工作單元之間的y上間隔(hij,hi0,i)第i個工作單元與第j個工作單元之間的x上間隔(Ls,Ws)生產(chǎn)線總的布局空間尺寸xxjhjkxyS0sxi圖3-4工作單元布局?jǐn)?shù)學(xué)模型示意圖3.目標(biāo)函數(shù)。布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)無外乎有兩類，一種是物料搬運(yùn)矩陣Mij另一種是非物流關(guān)系矩陣Rij。然后再通過權(quán)重因子對其進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到最終的目標(biāo)函數(shù)。在本設(shè)計當(dāng)中考慮的因素有三點，它們分別是物料搬運(yùn)總量最小，非物流相互關(guān)系值最大，空間利用率最大。然后本設(shè)計在對其使用權(quán)重因子進(jìn)行補(bǔ)償最終確定它的目標(biāo)函數(shù)。（1）物料搬運(yùn)總量最小，公式如3.6所示。（3.6）式中，物流搬運(yùn)距離我們采用曼式距離，Dij=|xoj-xoi|+|yoj-yoi|，如3.7所示：（3.7）MM1M2M3曼式距離圖3-5曼式物流搬運(yùn)距離Dij表達(dá)示意圖（2）非物流相互關(guān)系值最大，其公式3.8所。（3.8）（3）空間利用率最大，其公式3.9所示。（3.9）式中：Si——第i個布局工作單元的包落面積[13]。Si=Li*Wi；St——由最終布局完成后，設(shè)備占地的包絡(luò)面積決定如下式3.10所示，空間利用示意圖如3-6所示。（3.10）minxminx想maxxminymaxy圖3-6空間利用示意圖權(quán)重因子的確定需要根據(jù)實際生產(chǎn)過程中，通過生產(chǎn)過程對物料搬運(yùn)、非物流相互關(guān)系、以及空間利用率三個方面選擇的比重來決定。W1+W2+W3=1。綜上，將上面求取的適應(yīng)度函數(shù)加上權(quán)重因子從而可以獲得我們需要的目標(biāo)函數(shù)。如下式3.11所示。（3.11）4.約束條件（1）不重疊約束。布局過程中應(yīng)保證各個工作單元之間不會發(fā)生重合或交叉，同時要保持一定的安全距離。如下式3.12所示。（3.12）四．布局方案的選擇。根據(jù)上面的流程最終可以獲得三種方案，這三種方案比較能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。但是在實際使用過程中，這三種方案可以會存在比較大的差異，進(jìn)而在實際生產(chǎn)中無法達(dá)到通過優(yōu)化機(jī)器人生產(chǎn)線的布局從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)。所以，在得到這個優(yōu)化方案后，需要通過一系列的手段去選擇，從而避免在實際運(yùn)用中無法提高效率這一現(xiàn)象，給企業(yè)帶來不必要的損失。同樣的，三種方案的適應(yīng)場合也不一樣，因為每種方案的側(cè)重點不同，所以這也需要企業(yè)根據(jù)自己的實際情況進(jìn)行選擇。一般情況下對方案進(jìn)行評價是通過專家打分法，費用效益分析法，層分析法，數(shù)據(jù)包落分析法進(jìn)行擇優(yōu)。（1）專家打分法；專家打分法在最初時期使用最廣，通過各個領(lǐng)域的專家進(jìn)行打分，最后得出該方案的可行性。專家打分的方法較為簡單，執(zhí)行起來也較為容易，但是缺乏系統(tǒng)的依據(jù)。且最終的結(jié)果受到客觀的因素影響較大，因此在凡事都講究科學(xué)的今天，并且想要獲得一套系統(tǒng)理論的今天顯然是行不通的。（2）費用效益分析法；費用效益分析法是通過計算該套生產(chǎn)線需要的投入，前期設(shè)備的資金消耗，后期生產(chǎn)運(yùn)行中廢料的損失，搬運(yùn)物料的費用以及最后這條生產(chǎn)線可以帶來的效益。多久可以實現(xiàn)資金的回籠，這條生產(chǎn)線的效率、產(chǎn)品質(zhì)量如何，以及在市場上企業(yè)通過這條生產(chǎn)線可以提高多少競爭力。第四章基于遺傳算法的生產(chǎn)線布局優(yōu)化4.1基本遺傳算法4.1.1遺傳算法的介紹。遺傳算法是根據(jù)達(dá)爾文的進(jìn)化論演化出來的[14]，它的中心思想是根據(jù)“物競天擇，適者生存，優(yōu)勝劣汰”這一法則而提出的[15]，模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化的概率搜索算法。遺傳算法的流程圖如下圖4-1所示：產(chǎn)生初始種群產(chǎn)生初始種群開始計算適應(yīng)度是否滿足優(yōu)化準(zhǔn)則？最佳個體Yes結(jié)果NO選擇交叉變異圖4-1遺傳算法的流程圖4.1.2遺傳算法應(yīng)用的關(guān)鍵問題遺傳算法在應(yīng)用中的關(guān)鍵問題：（1）確定初始種群大小[16]種群的大小會直接影響進(jìn)化的多樣性，當(dāng)種群數(shù)設(shè)置較大的時候，可以增加物種進(jìn)化的多樣性。但是由于種群數(shù)較大，進(jìn)化的速度就會很慢。當(dāng)種群數(shù)設(shè)置較小的時候，進(jìn)化的速度就會很快，但同樣的物種進(jìn)化的多樣性則會大大減少，同時容易產(chǎn)生早熟現(xiàn)象。（2）染色體的編碼方式[17]編碼問題決定了解決問題的優(yōu)劣。在對遺傳算法的染色體編碼時，大多使用二進(jìn)制編碼。但是二進(jìn)制編碼如果位數(shù)選擇較高那么就會導(dǎo)致問題復(fù)雜化，同樣的如果位數(shù)選擇較低則會導(dǎo)致與實際結(jié)果偏差較大。所以說如果二進(jìn)制的位數(shù)選擇不當(dāng)則會直接影響算法的收斂性。（3）參數(shù)設(shè)定[18]首先是種群的數(shù)量N，如上面所述，如果種群的數(shù)量選擇較大，搜索時間則會很長。反之如果種群數(shù)量設(shè)置較小則會導(dǎo)致物種進(jìn)化多樣性降低從而致使無法尋到最優(yōu)解。然后是交叉率Pc,交叉率選擇較低的時候，那么遺傳算法就會停滯不前。反之當(dāng)交叉率選擇較大時則會對適應(yīng)度的值造成破壞。最后是變異率Pm，當(dāng)變異率選擇較大時，此時算法較為復(fù)雜不容易尋優(yōu)，而當(dāng)變異率設(shè)置較小時，種群不容易形成新個體。4.2基于遺傳算法的優(yōu)化分析根據(jù)第三章節(jié)確定的數(shù)學(xué)模型，本章節(jié)將基于遺傳算法對連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線的工作單元進(jìn)行組合優(yōu)化。1．初始種群通過手動輸入，種群中個體的每一位按照等概率在0和1之中進(jìn)行選擇[19]。種群的初始化要考慮到種群的多樣化問題，所以說種群的數(shù)量N要進(jìn)行合理選擇。對種群中的個體進(jìn)行循環(huán)隨機(jī)搜索，一直到種群的數(shù)目達(dá)到設(shè)置的種群數(shù)量為止。假設(shè)有m個元素，那么它的優(yōu)先級矩陣同樣是m維。（1）令x=1。（2）當(dāng)x>m時循環(huán)結(jié)束；當(dāng)x<m時，執(zhí)行循環(huán)命令。（3）在[1,m]之間隨機(jī)產(chǎn)生一個整數(shù)i，令j=1,然后判斷矩陣中的第i-1列是否全部為0。如果是的話就可以把隨機(jī)產(chǎn)生的整數(shù)放到此時x為1的這一列，反之則重復(fù)第三步。（4）矩陣的第i列清零則表示可以把隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)轉(zhuǎn)移到矩陣中，放在與之相對應(yīng)的位置。（5）令x=x+1，把它放到第二步中進(jìn)行循環(huán)。通過上述步奏后，由于存在懲罰項以及根據(jù)生產(chǎn)線的設(shè)計可以知道設(shè)備與設(shè)備之間存在著先后的關(guān)系，所以會產(chǎn)生一些無效的解，需要把這些無效的解刪除掉。否則這些無效的解就會影響算法的運(yùn)行速度以及運(yùn)行精度。2．懲罰項：在布局空間的X方向，如果超過布局空間的長度Ls則直接換行。所以我們需要判斷最后一行的工作設(shè)備在Y軸上是否超過給定的區(qū)域。Pk為不合理懲罰項，T為大數(shù)懲罰值。如下式4.1所示。（4.1）3．選擇：采用輪盤賭的方式在這里有一點值得注意，因為概率越大，用輪盤賭來選擇就越容易被選到，但是如果最初得到的目標(biāo)函數(shù)是最小值，這里需要對其求取倒數(shù)，從而獲得概率最大。采用輪盤賭的方式來選擇是因為，輪盤選擇可以避免早熟的問題。選擇操作是根據(jù)個體的適應(yīng)度來決定的，當(dāng)個體的適應(yīng)度大的時候，選擇的概率就會很大從而更容易被下一代所繼承。反之，當(dāng)個體的適應(yīng)度較低的時候則不容易被下一代所繼承。但是也會出現(xiàn)個體適應(yīng)度低卻被選擇到，那么此時就需要和上一代進(jìn)行比較，比較兩者的適應(yīng)度值的高低，如果上一代較高，則保留上一代反之選擇此代。通過上述方法從而實現(xiàn)挑出適應(yīng)度高的個體并且去淘汰適應(yīng)度較低的個體，最終實現(xiàn)優(yōu)化。4．交叉：多點交叉。交叉的作用主要是嘗試保留染色體當(dāng)中較好的一部分然后去遺傳下去，同樣的交叉也促進(jìn)了種群進(jìn)化的多樣性，從而確保結(jié)果較為準(zhǔn)確。本設(shè)計采用的交叉方法更適合生產(chǎn)線的布局優(yōu)化可以良好的解決生產(chǎn)線的平衡問題。從種群當(dāng)中隨機(jī)選擇染色體進(jìn)行交叉。令交配概率為Pc，那么就隨機(jī)選擇Pc*N(p)條染色體，然后再隨機(jī)在這里面選擇兩條進(jìn)行交叉。對于多點交叉，交叉位置可以無重復(fù)的隨機(jī)進(jìn)行選擇[20]。位于交叉點之間的染色體進(jìn)行相互交換，但是第一位的變量與第一個交叉點之間的染色體他不做交換，保持不變[21]。下面對兩個10位的變量染色體進(jìn)行演示：父個體1：0111001101父個體2：1010110010交叉位置：269如圖4-2所示，交叉后的新個體為：子個體1：0110111101子個體2：10110010010父個體父個體子個體圖4-2多點交叉多點交叉的破壞性可以促進(jìn)空間解的搜索，同時還可以增加物種進(jìn)化的多樣性從而避免算法的過早收斂。5．變異：變異就是將原來的0變成1,1變成0。這里面的每一位都要根據(jù)變異率來決定是否需要變異。重組之后就是子代的變異，子個體以很小的概率發(fā)生轉(zhuǎn)變。首先開始的時候增加變異率，結(jié)束的時候降低變異率可以提高最優(yōu)解的搜索速度。變異本身就是一種局部搜索，變異的存在有利于提高物種進(jìn)化的多樣性，同時可以更好的避免過早收斂保障結(jié)果的準(zhǔn)確性。但是有一點需要注意，變異的概率不能超過0.5，否則就不再是遺傳算法的搜索，此時轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)搜索。對于二進(jìn)制而言，變異就是0變?yōu)?，1變?yōu)?，如下面所示：變異前：1000100110變異后：1001100110很顯然此時第四位發(fā)生了變異即第四位發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。6．對運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，將種群數(shù)量設(shè)置為50，終止代數(shù)設(shè)置為800，交叉概率設(shè)置為0.6，變異概率設(shè)置為0.1，懲罰項T為200。將算法的代碼代入到Matlab中，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)即可求得連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線的優(yōu)化布局位置圖以及種群進(jìn)化曲線圖，但是此時本文得到的只是連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線的一部分，如下圖4-2和4-3所示。對于另外一部分的布局，本設(shè)計可以通過鏡像的方式獲得。圖4-3布局優(yōu)化位置圖圖4-4種群進(jìn)化曲線圖通過Matlab對程序進(jìn)行運(yùn)行后還可以得到最優(yōu)染色體是1,3,4,2,6,5,7。以及圖4-5的最優(yōu)染色體的中心位置即工作單元的中心位置。圖4-5工作單元中心位置圖第五章連桿鍛造生產(chǎn)線的仿真5.1Roboguide軟件的簡介Roboguide軟件是FANUC公司對旗下生產(chǎn)的機(jī)器人開發(fā)的一款機(jī)器人離線編程的工具[22]。Roboguide通過建設(shè)一個三維的空間來模擬設(shè)備和機(jī)器人的布局，并且通過示教器從而實現(xiàn)對機(jī)器人動作的仿真。通過模擬和仿真從而確定生產(chǎn)線布局的可行性，工藝方案是否可行，同時獲得較準(zhǔn)確的節(jié)拍[23]。Roboguide可以調(diào)用FANUC旗下的所有機(jī)器人，除此之外Roboguide自帶的模型庫還有很多比如機(jī)器人的抓手，圍欄，控制臺等。這些自帶的模塊方便了仿真，提高了Roboguide仿真的還原度。5.2工作站的創(chuàng)建1.搬運(yùn)機(jī)器人的添加首先是對機(jī)器人的選取，本設(shè)計需要用到的搬運(yùn)機(jī)器人選擇FANAC-R-2000ic/165F型關(guān)節(jié)機(jī)器人[24]，如下圖5-1所示。圖5-1機(jī)器人功能選擇2.機(jī)器人工具的添加首先需要點擊GP在其下面的ut對夾具進(jìn)行添加，夾具在Roboguide中的表示是grippers[25]。此時本設(shè)計直接通過在EOATs模型庫中進(jìn)行添加，注意添加夾具的時候要有兩個動作一個開一個關(guān)從而實現(xiàn)后期對物料和工件的抓取。可以通過移動機(jī)器人的坐標(biāo)軸來實現(xiàn)機(jī)器人的布局位置，同時對抓手選型后可以通過比例來控制抓手的大小，使其變得合理從而實現(xiàn)對工件的抓取。同時也可以通過對抓手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來設(shè)置抓手的初始方向如下圖5-2所示。圖5-2機(jī)器人坐標(biāo)系3.工件的添加對于工件的添加，在Roboguide中本設(shè)計需要考慮的是工件的尺寸大小以及工件的位置和方向，對其質(zhì)量的合理設(shè)置有利于機(jī)器人的抓取和仿真的運(yùn)行。本設(shè)計通過點擊part對其進(jìn)行選擇如下圖5-3所示。運(yùn)動仿真的時候，機(jī)器人的抓手需要執(zhí)行開和關(guān)即抓取和釋放這兩個動作。而這里有一點需要注意，放置臺上的工件方向應(yīng)與機(jī)械手抓上的工件方向一致，否則機(jī)器人將無法識別從而無法抓取。圖5-3工件的添加4.設(shè)備及其鏈接的添加對于設(shè)備的添加首先要做的是模型結(jié)構(gòu)圖的建立，在這里可以通過SolidWorks對其進(jìn)行建模然后將其另存為IGES的格式從而方便Roboguide對其添加。在這里面有一點需要注意，設(shè)備的添加時必須在設(shè)備一欄進(jìn)行添加否則將無法執(zhí)行后面的仿真。本設(shè)計在設(shè)計過程中，選擇傳送帶作為自動上料裝置，所以說再添加完傳送帶后需要對其添加一個link起到一個托盤的作用，用來實現(xiàn)對物料的搬運(yùn)。這里也有一點需要注意，由于是9.1版本的Roboguide它與新版本的不太一樣，無法直接實現(xiàn)電機(jī)基于x軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。所以在這里需要對電機(jī)的初始位置進(jìn)行調(diào)試，使電機(jī)的z軸指向傳送帶運(yùn)行的方向。對于托盤需要對其輸入動作信號，點擊動作后選擇I/O控制，軸的類型選擇直動。當(dāng)六軸機(jī)器人的輸出信號DO[1]為OFF時，傳送鏈向負(fù)軸移動0mm，此時在傳送帶最右邊。當(dāng)六軸機(jī)器人的輸入信號DO[1]為ON時，傳送鏈正向移動3500mm，傳送帶以500mm/s進(jìn)行移動。如下圖5-4所示。圖5-4傳送帶工作站5.3離線程序的編寫1.仿真程序的生成搬運(yùn)機(jī)器人的仿真動作主要是對工件實現(xiàn)抓取和放置。在Roboguide最新版本當(dāng)中，插入Pickup和Drop，然后再分別點擊相應(yīng)的工件即可實現(xiàn)由Roboguide自動生成的抓取和放置程序，可以被直接調(diào)用。2.動作程序的編寫根據(jù)生產(chǎn)線的要求，在TP示教器上對六軸機(jī)器人的程序進(jìn)行編寫，以六軸機(jī)器人為例，它的控制流程圖如圖5-5所示，動作程序的編程則是六軸機(jī)器人的輸出信號DO[1]和另一個六軸機(jī)器人的輸入信號DI[1]之間正確的傳遞。返回返回HOME點接近工位3的位置等待DI[1]位ON的信號抓取工位3的工件至工位4放置工件結(jié)束圖5-5機(jī)器人控制流程圖3.機(jī)器人運(yùn)動仿真通過正確的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)可以實現(xiàn)機(jī)器的位置以及動作無誤的仿真，通過機(jī)器人的軌跡規(guī)劃可以實現(xiàn)期望的機(jī)器人軌跡，同時獲得詳細(xì)的機(jī)器人目標(biāo)點的位置。通過Roboguide對生產(chǎn)線進(jìn)行仿真可以清晰的看見機(jī)器人在工作工作過程中是否會發(fā)生碰撞以及動作是否正確。下圖5-6是對連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線的運(yùn)行仿真，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)整個過程并沒有發(fā)生碰撞，機(jī)器人的動作也都正確。通過機(jī)器人的離線仿真大大提高了生產(chǎn)線在實際布局中的效率，縮短了設(shè)計的周期。圖5-6生產(chǎn)線的運(yùn)行仿真Roboguide軟件通過一個離線的三維空間實現(xiàn)對設(shè)備，機(jī)器人的布局，再通過TP離線編程實現(xiàn)對布局的仿真來模擬機(jī)器人的軌跡。Roboguide的離線仿真可以清晰確定機(jī)器人的軌跡，明確是否會發(fā)生碰撞。因此，Roboguide離線編程軟件大大提高程序的準(zhǔn)確性為現(xiàn)場的調(diào)試節(jié)省了大量的時間[25]。

結(jié)論本文通過對連桿鍛造工藝的分析進(jìn)而確定生產(chǎn)線所需要的設(shè)備，通過SolidWorks對設(shè)備進(jìn)行建模，然后再通過遺傳算法在Matlab中對工作單元的布局進(jìn)行優(yōu)化得到優(yōu)化后的布局位置圖。最后通過Roboguide對連桿鍛造機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行搭建和仿真。本文得出的結(jié)論如下：1.一條高質(zhì)量，高效率的生產(chǎn)線絕非是簡單的把機(jī)器人放入生產(chǎn)線，它需要經(jīng)過后期工程師大量的調(diào)試與測試。同時，如果后期企業(yè)需要搬遷，那么該條生產(chǎn)線需要重新布局。2.連桿廣泛應(yīng)用于摩托車，汽車，拖拉機(jī)等，所以這也就造成了連桿尺寸的不一。對生產(chǎn)線進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，我們可以采用并聯(lián)的方式做到一條生產(chǎn)線可以生產(chǎn)出不同尺寸的連桿進(jìn)而可以應(yīng)對市場的需求。不僅可以提高企業(yè)的競爭力，生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率同時還可以在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上做到物盡其用。3.與傳統(tǒng)生產(chǎn)線相比，優(yōu)化后的連桿鍛造生產(chǎn)線顯然了考慮工人舒適性，同時在會產(chǎn)生大量浮塵的設(shè)備進(jìn)行了密封處理，確保了工人的身體健康。優(yōu)化后的生產(chǎn)線使用機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)，避免了工人與高溫的材料接觸