车_铣双机加工自动化生产线的节拍平衡研究_梁艳.pdf

收稿日期:2022-08-19基金项目:陕西省教育厅专项科研计划项目基于网络化的某种典型零件智能制造过程中热误差对零件精度影响的研究(17JK1075)作者简介:梁艳(1974-),女,陕西西安人,硕士研究生,讲师,主要研究方向为智能制造。车/铣双机加工自动化生产线的节拍平衡研究梁 艳1,唐 煜2,张 亮1(1.西安思源学院,西安 710038;2.蚂蚁金服,成都 610000)摘 要:生产线中节拍的均衡是保证生产线运行顺畅的基本要求。论文对车铣两台机床加工的基本时间、机器人搬运时间进行了分析,为了保证节拍的平衡,一般可通过调整工序和机器人搬运时间来完成。基于遗传算法对机器人搬运时间进行了优化,通过一组零件加工的自动线节拍的设计,验证了优化后的时间能够保证生产线节拍的平衡。关键词:节拍平衡;自动化生产线;遗传算法;机器人 中图分类号:TH162 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.080Balance Design of Automated Production Line Between Lathe and Milling MachineLIANG Yan1,TANG Yu2,ZHANG Liang1(1.School of Engineering,Xian Siyaun University,Xian 710038,China;2.Ant Ant Financial Services Group,Chengdu 610000,China)Abstract:The balance of beats in the production line is the basic requirement to ensure its smooth running.We analyze the basic machining times and the robot handling times for two machines.we can adjust production processes and the robot handling times to keep the beat in balance.The robot handling time is optimized based on the genetic algorithms.Through a flexible line to machine a set of shafts,the results show that the optimum time can ensure the balance of the production line.Key words:the balance of beats;automated production line;the genetic algorithms;robot0 引言自动化生产线基本实现了无人化,其生产过程中的上下料、加工等都是由机器人和数控机床来共同完成的。在这类生产线中,每一个设备都是按设定好的程序执行,所以节拍平衡是保证生产线顺畅的基本要求。“节拍”(Cycle time)是指连续完成相同的两个产品(或两次服务,或两批产品)之间的时间间隔,即指完成一个产品所需的平均时间。关于生产线的节拍优化问题,研究人员进行了大量的研究工作。一些是从管理调度层面研究在人工参与的情况下如何通过算法优化生产线的节拍,李平等1、李柏林等2、葛安华等3、晁永生等4研究在人工参与的情况下装配生产线的节拍优化的方法及根据条件通过模型算法得出最优节拍,这类研究是建立在各段加工时间段已知的情况下,但实际中各部的加工时间是有调整的空间;一些研究生产特定零件的生产线的节拍平衡,如丁收波5等对机器人焊接生产线的节拍优化进行了研究。吴立杰等6分析了活塞生产线的节拍平衡,这部分生产线适合高效率的生产大批量零件,柔性较差;一些通过研究机器人的路径规划进而优化生产线的节拍,如李利清等7对自动化冲压线采用遗传算法进行了机器人路径规划和节拍优化研究,这种方法可以有效提高机器人的搬运速度,目前在机器人优化中研究较多,但是重新进行路径规划要考虑碰撞等多种问题,专业水平要求较高。另外研究人员还从机械加工工序优化8,智能产线布局优化9-10等角度对智能生产的生产效率和节拍优化等方面进行了探讨。讨论已建立好的加工范围较广的车/铣双机加工自动化生产线如何保证生产线的节拍平衡。这类生产线一般具有固定的机位加工特定的零件,当节拍不平衡时,通过传统的调整工序进而调整机床数量实现起来困难。在文中分析了自动化生产线加工时间和机器人辅助加工时间,在不降低生产效率的前提下,通过调整加工工序进而调整加工零件数量和机器人辅助加工时间相结合的方法使生产线节拍达到平衡。基于遗传算法对机器人的辅助时间和零件加工数量进行了优化保证车/铣双机位生产线的运行顺畅。1 车/铣双机自动生产线时间分析及优化自动化生产线的生产时间由线上每台机床完成一件产品或一道工序的生产周期决定。生产线节拍平衡则是保证每台机床的生产周期平衡。工序的设计决定了线上机床的数量,机床数量决定了生产周期的长短。既定的生产周期又由基本加工时间和辅助加工时间确定。而生产周期由工序设计、基本加工时间和辅助时间决定。08车/铣双机加工自动化生产线的节拍平衡研究 梁 艳,等基本加工时间是指加工零件的切削时间。辅助加工时间是加工过程中的非切削时间,包括快速移动定位、主轴加减速、换刀、上下料、辅助功能等待等动作花费的时间11。1.1 工序设计对生产时间的影响及优化生产线上零件工艺设计不一样,各工位的工序也不一样,每个工位上的时间也会不同。有时因为被加工零件的形状及精度要求,在某个工位上可能会产生瓶颈工序。“瓶颈”导致生产环节衔接不协调,影响生产的进度与效率12。对于瓶颈工序,可通过优化工艺设计改变工序来消除,但是改变工序多要改变机床数量,但在车/铣双机位自动化生产线上只有车床和铣床各一台,不易实现。零件工艺的设计要注重增加设备调度的灵活性,资源的管理便利性,这样才便于充分发挥生产线的效率13。在工艺设计时可使空闲工位在不改变夹具、刀具、加工搬运参数等前提下加工同类型尺寸和精度相差较小的零件。从而消除空闲工位,间接消除了瓶颈工序。如图 1 所示,根据空闲时间确定加工个数为 i,使空闲工位加工完第 i+1 个零件刚好与产生瓶颈工序工位加工完的零件时间相等,则可使生产线两个工位间的加工时间达到平衡。图 1 增加空闲位加工零件个数1.2 基本加工时间分析切削加工一个工艺确定的零件,切削基本时间占加工时间的主要份额,切削基本加工时间受背吃刀量apmm、进给量 f(mm/r)、切削速度 vc(mm/min)切削三要素的影响。以上加工三要素一旦选定,为根据经验的较优选择,若不改变被加工参数将不再对其进行修改,则加工时间为定值,不再优化。在研究中将辅助加工时间中的快速移动定位、主轴加减速、换刀等动作花费的时间计入基本加工时间,因此类动作在数控加工中基本在 0.5 s2 s 之间,且与切削加工交替进行,不易调整。所以在文中对生产线的加工时间不再优化。1.3 辅助加工时间分析及优化文中研究的辅助加工时间指机器人的上下料搬运时间。机器人的搬运时间指机器人将零件从起点搬运到终点所花费的时间,其受路径规划、速度、加速度的影响。因而机器人的搬运时间优化是一个比较复杂的问题。通过运动路径规划优化进而优化机器人搬运时间时,可以通过优化控制点和控制指令来缩短搬运时间,此方法实现效率较高,目前在机器人研究中使用较多。但这种方式会让机器人原本的运动路径发生改变,甚至可能发生碰撞,且对执行者要求高。机器人的加速度对机器人的振动有着直接的影响,在工程上,不能随意改变机器人运动过程中的加速度,避免出现振动。机器人的轨迹在使用中是通过示教再现的方式将总的搬运距离分成若干段,每一段的速度直接影响其运动时间。张艳艳提出14,通过示教-再现的方式生成机器人的轨迹时,在加速度不变的情况下,改变机器人在控制点上的速度能够缩短机器人的上下料时间,且机器人的运动轨迹不发生较大改变。根据运动时间和速度的关系,可通过只改变机器人运行速度的方法来优化机器人搬运时间,让机器人基本沿着原有的轨迹运行,避免碰撞。1.4 车/铣双机生产线机器人搬运时间优化车铣双机生产线上节拍不平衡时,如前所述可以从工艺设计及机器人搬运时间综合考虑进行优化。可将工艺设计中的零件个数调度和机器人搬运时间综合进行优化。从精益生产的单件流角度对机器人搬运时间进行优化。单件流是指每次生产和移动一个(或一个小的、固定批量的)工件,使得工件尽可能连续地通过一系列的加工步骤,并且每一步都刚刚在下一步需要的时候完成15。据此根据一个循环周期内车/铣机位总加工时间差值最小原则,对两工位机器人各动作段的搬运时间和空闲位加工零件数进行优化。优化算法如下:T=minn(n1i=1T1i+T1ch)+(n2i=1T2i+T2ch)-(n3i=1T3i+Txi)(1)st:T=0(2)T-车床和铣床一个循环周期内加工零件所用总时间差值;n-空闲工位机床一个循环周期内在空闲段加工同类零件的套数;n1-空闲位机床加工一个同类零件时机器人动作段总数;n2-空闲位机床加工一个原零件机器人动作段总数;n3-瓶颈工序位机床加工一个原零件机器人动作段总数;T1ch-空闲工位机床加工一个同类零件所用时间;T1i-空闲工位机床加工一个同类零件时机器人动作段 i 的辅助加工时间;T2ch-空闲位机床加工原零件花费时间;T2i-空闲工位机床加工原零件机器人动作段 i 的辅助加工时间;Txi-铣床加工原零件的加工时间;T3i-瓶颈工序位机床加工一个原零件机器人动作段i 的辅助加工时段;在此优化中假定车床和铣床加工程序已经确定,则其加工时间 T1ch、T2ch、Txi为常量。设 Tj=T2ch-Txi则式(1)可简化为:T=min(n(n1i=1T1i+T1ch)+n2i=1T2i-n3i=1T3i)+Tj(3)在生产线中,机器人上下料的过程一般分为上料动作、等待动作以及下料动作,取 n1=n2=n3=3。机器人各时间段具体求解优化算法过程如图 2 所示,先采用基18自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)于浮点数进行编码的遗传算法对工业机器人的各个时间段取值和空闲位加工零件个数 n 进行优化,然后对优化的时间结果先后采用个体和最小和方差最小的方法对出现的多组解进行筛选。具体过程如下:产生初始种群。利用浮点数编码的方法产生 n、T11、T12、T13、T21、T22、T23、T31、T32、T33序列的初始值;设置各个变量的边界条件。根据实验,将工业机器人在各个工位处各工作段的最短和最长加工时间测试或计算出来,作为各个时间变量的边界条件,n 的边界条件大于等于 1;适应度函数建立。选择公式(3)作为适应度函数;选择。基于轮盘方法选择适应度较好的染色体遗传到下一代群体中;交叉。采用算术交叉的方式对选择的染色体进行交叉,产生新的染色体;变异。采用多重高斯变异算子生成新随机实数,作为新的种群;适应度函数分析。根据公式(3)所建立的适应度函数比对结果,判断适应度函数是否满足预定条件;如适应度函数不满足则回到第步。若适应度函数为 0 或者满足停止条件时,停止迭代;个体和最小。通过以上优化方式,得到的机器人各时间段值 T11、T12、T13、T21、T22、T23、T31、T32、T33序列值不唯一,考虑机器人工作效率,采用个体和最小的方法,使以上各段时间和最小;方差最小。经过个体和最小筛选后,考虑到机器人速度的均匀性使各段时间方差最小,使其取值更加优化。图 2 遗传算法优化流程图以上算法可以保证车铣双工位生产线上一个循环周期内,机器人在各段辅助加工时间达到最优。2 案例验证2.1 加工需求分析以图 3 所示的一组零件在已搭建好的车/铣双机的自动化生产线上加工进行验证。该组零件可以按图 4和图 5 所示的两种形式进行装配。生产线上车、铣床和工业机器人的主要参数如表 1、表 2 所示。(a)零件 1(b)零件 2(c)零件 3图 3 待加工零件组28车/铣双机加工自动化生产线的节拍平衡研究 梁 艳,等图 4 装配图 1图 5 装配图 2表 1 车、铣床主要参数类别型号主轴转速主电机功率车床CK6140100-1 800 RPM(无级)5.5 kW钻铣床VM71358 000 RPM5.5 kW表 2 机器人主要参数机器人型号自由度有效负载最大速度KUKA KR6R700sixx6 轴6 kg2 m/min毛坯材料选铝,刀具选普通硬质合金钢,确定加工的背吃刀量 ap=1 mm、进给量 f=0.2 mm、主轴转速 n=800 r/m。实验测出 3 种零件的车削和铣削时间及机器人的搬运时间,如表 3 所示。表 3 加工时间与机器人辅助加工时间零件加工时间装载时间掉头时间卸载时间零件 14662414539零件 21654545零件 3 车加工1654545零件 3 铣加工3 8444344零件的生产时序甘特图如图 6 所示,图中虚线所示为一个周期中铣削和车削所有加工时间相差 2 374,车床将空闲 2 374图 6 自动生产线加工三种零件时序甘特图2.2 节拍平衡设计方案2.2.1 工序及数控程序优化根据待加工零件和工序调整调度安排,据图 4 装配1 所示,在车床空闲时加工只需进行车削加工的零件 1、2。加工零件 1、2 的套数及如何使该生产线节拍达到平衡,根据式(4)调整机器人搬运时间来优化。2.2.2 机器人搬运优化时间计算根据表 4 中的加工时间及图 6 的生产时序按式(3)列出机器人时间优化式(4):f(t)=(1 097+t1+t4+t5+t6+t7)n+t1+t4+t5+t6+t7+t8+t9-t2-t3-2 572=min(4)t1-车零件 1 装载时间,t113,41;t2-铣零件 3 卸载时间,t212,45;t3-铣零件 3 装载时间,t312,43;t4-车零件 1 调头时间,t412,45;t5-车零件 1 卸载时间,t511,39;t6-车零件 2 装载时间,t614,45;t7-车零件 2 卸载时间,t712,45;t8-车零件 3 装载时间,t814,45;t9-车零件 3 卸载时间,t912,45;n-空闲工位加工零件 1 和零件 2 的套数,n=1。采用前文所述遗传算法优化机器人各时间段及 n的值如下:t1=25;t2=23;t3=30;t4=22;t5=32;t6=17;t7=31;t8=33;t9=25;n=2。2.2.3 机器人搬运时间调整根据以上优化时间结合机器人程序,初步推算速度。用 officelite 仿真软件进行仿真,验证可行性及时间准确性。保证机器人的型号、原点、加速度参数、坐标等参数与实际一致,将原生产线机器人的 src 和 dat 文件导入仿真软件,调节速度,用软件中自带的计时器常量$timer 进行计时。经过仿真测试得出各段速度如表 4所示。各计时器的仿真时间如图 7 所示,说明此优化机器人时间方法可行。表 4 机器人各时间段速度时间段t1t2t3计时器$timre2$timre3$timre4PTP 速度19%22%15%LINE 速度0.1 m/s0.16 m/s0.1 m/s时间段t4t5t6计时器$timre5$timre6$timre7PTP 速度25%13%38%LINE 速度0.13 m/s0.1 m/s0.38 m/s时间段t7t8t9计时器$timre8$timre9$timre10PTP 速度16%12%16%LINE 速度0.1 m/s0.1 m/s优化 0.1 m/s38自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)图 7 调速后仿真时间3 结束语1)为保证自动线生产节拍平衡,进行工艺重新设计影响因素很多,需考虑方便调度和资源管理。在确定的加工工艺时,通过零件加工顺序的调度,可大大改善时间的均衡。但是这种方法受零件特点及加工设备的限制,并不是所有零件都适用。2)通过一双机加工自动线实际案例的节拍时间计算,可以看出,自动化生产线中节拍时间不平衡时,可以通过调整加工工序和机器人搬运时间结合来保证生产节拍平衡。3)机器人搬运时间的调整也比较复杂,主要对机器人搬运过程分段,利用遗传算法优化出各段时间,然后调整机器人的运行速度,这种方法在工程上容易实现,并且不用重新示教机器人。参考文献1 李平,唐秋华,夏绪辉.操作时间不确定时第一类多产品混合装配的鲁棒平衡J.武汉科技大学学报,2013,36(1):69-73.2 李柏林,俞爱林,毛 宁,等.考虑人员能力差异的装配生产线优化J。工业工程,2015,18(3):113-118.3 葛安华,刘 超,孙 晶.基于市场需求变化的流水线最佳生产节拍选择J.工业工程,2011,14(1):96-100.4 晁永生,孙文磊,袁亮.平行装配线平衡性的多目标优化J.计算机集成制造系统,2016,22(5):1211-1219.5 丁收波,陈加胜.基于 ROBCAD 机器人焊接节拍优化技术研究J.科技风,2018,1:1396 吴立杰,张鸿岩,刘耀东,等.浅谈活塞生产线各工序间的节拍优化,内燃机与配件J,2012,5:44-46.7 李利清,杜丽峰,王磊,等.自动化冲压生产线节拍优化系统J.机械设计,2015,32(1):116-119.8 郑开元.汽车发动机缸盖机加工生产线工序平衡及节拍优化方法研究D,上海:上海交通大学,2020.9 颜海梅.基于精益生产的生产现场布局与节拍优化研究J.现代制造技术与装备,2021,(2):206-207,210.10 刘敏,王大维,张旭.基于 SLP 方法的某支线客机尾锥生产线产能爬坡规划J.航空制造技术,2022,65(3):101-107,117.11 曹正捷.Servo Guide 在节拍优化上的应用J,制造技术与机床,2015,(6):184-188.12 张于贤,李娜,王红.基于串联开排队网络的生产线瓶颈分析与优化J.系统科学学报,2015,23,(3):92-95.13 王文理,康永峰.工艺在智能制造生产线设计与运行控制中的重要作用J.航空制造技术,2016(16):48-51.14 张艳艳.冲压自动线压机-机器人动作协调及节拍优化研究D.济南:齐鲁工业大学,2014.15 刘景斌.精益生产在 A 公司生产车间的应用研究:基于单件流的视角D.上海:华东理工大学,2016.(上接第 79 页)参考文献1 段洪亮,朱明亮.模糊控制在地铁屏蔽门调速过程中的应用研究J.铁道车辆,2022,60(2):63-66.2 徐思亮.轨道交通屏蔽门智能运维系统方案研究J.交通世界,2022(Z1):27-293孟江波,张彩玲.基于 PLC 控制的地铁屏蔽门系统设计J.技术与市场,2022,29(8):63-66.4杨丽.屏蔽门的常见故障分析及处理J.中华建设,2022,(7):149-150.5 曹艳霞.城市轨道交通信号系统关于信号与站台门/防淹门接口监测电路的分析J.数字技术与应用,2022,40(6):26-28.6 石云鹤,路扬,朱振亚,等.地铁月台屏蔽门单元控制器优化策略及实验研究J.郑州铁路职业技术学院学报,2022,34(2):10-12+26.7 于海鹏,鲍鸣,刘帅,等.城轨屏蔽门绝缘状态对回流安全参数的影响研究J.都市快轨交通,2022,35(2):17-24.8 韩晓兰,王城飞.强载荷作用下地铁屏蔽门结构设计及有限元分析J.机电工程技术,2022,51(3):104-107+160.9 张军.城市轨道交通全自动运行 FAO 系统工程建设探索与思考J.现代城市轨道交通,2022,(2):18-22.10 邓举明,李世骏,逄顺勇.地铁屏蔽门电磁锁自动测试与记录装置设计J.山东工业技术,2022,(1):67-73.11 魏广宏,谭虓,谭铁仁,等.地铁屏蔽门安全回路故障快速定位研究J.电子技术与软件工程,2022,(2):125-128.z1.055.12 周洋,李中华.地铁屏蔽门继电器在线监测与离线检测研究J.铁路通信信号工程技术,2021,18(9):77-81.13 程芬.地铁屏蔽门激光扫描异物检测方法分析J.产业与科技论坛,2022,21(11):38-39.14 彭斌,殷文华,李立.隧道内全封闭屏蔽门风压荷载特征研究J.铁道工程学报,2021,38(11):92-96+103.15 董梦雪,赵帅帅.地铁列车进站过程中活塞风对站台屏蔽门的影响 以杭州地铁为例J.河南科学,2021,39(10):1575-1580.48车/铣双机加工自动化生产线的节拍平衡研究 梁 艳,等