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基于PLM的全自动焊接生产线设计

2021/3/31    来源:互联网    作者:叶茎  丁群燕  鄢鼎立  赵瀛      
关键字:PLM  全自动焊接  Process Simulate  自行车架后三角  
为了提高生产效率和产品质量,对自行车架后三角人工焊接环节进行自动化改造,设计为基于PLM的全自动焊接生产线。

    为了加强以产品为核心的企业运营管理体系建设,产品生命周期管理即PLM(Product Life Cycle Management)系统越来越受到欢迎。本方案设计内容来源于自行车企业需求,自行车生产过程主要包含焊接车架;喷绘颜色;零件组装起来成为成品。其中喷涂工序基本实现了自动化作业,焊接与组装环节大量依靠人工进行。为了提高生产效率和产品质量,对自行车生产过程中的自行车架后三角焊接环节,进行PLM生产线设计和改造,形成焊接岛(焊接工位),采用西门子Process Simulate软件进行焊接动作设计、仿真,建立焊接的三维生产线布局,并进行仿真测试。

1 PLM生产线国内外研究现状

    1.1 PLM生产线国外研究现状

    PLM系统能协同管理产品全生命周期的各个阶段的信息,它的出现,被视为提高企业核心竞争力的途径和工具。目前,国外的PLM技术与理论研究十分成熟,全球不少知名企业都致力于PLM系统的实施应用,比较著名的公司有:达索公司、西门子PLM公司、甲骨文公司、欧特克公司等。

    1.2 PLM生产线国内研究现状

    我国的PLM技术也日趋成熟,PLM系统在企业的应用仍然较低,但已获得了初步的效果和认可。在多个科研计划和国家基金的支持下,知名高校教科研单位积极地探索适合我国发展的PLM理论和技术经验。目前PLM的应用多在制造业,如汽车制造行业、机械装备行业、医疗器械行业、航天航空行业、电子制造行业等,近年来,PLM在食品行业的应用也逐渐增多。

2 PLM软件说明

    Tecnomatix是西门子PLM软件针对企业制造流程推出的产品,Process Simulate是Tecnomatix application的一个组成软件,Process Simulate提供了从工厂到生产线和工位的设计、分析、模拟和优化能力,可用于人机工程的模拟,通过模拟可以有效提高产品开发初期对操作可行性的控制。若把模拟范围扩展到整个工位,可得出物料、设备摆放的最佳位置,操作的最佳顺序。Process Simulate操作系统针对WIN7专业版64位、WINIO企业版/WINIO专业版均可适用,不适用于WINIO家庭版。

3 PLM生产线方案整体设计

    3.1 PLM生产线功能设计

    基于PLM的全自动焊接生产线,选择对自行车架后三角人工焊接环节进行自动化改造,设计为PLM生产线,所需设备包括:焊接机器人、搬运机器人、传送带、传感器检测环节、操作工作台、成品区、废品区等,生产流程功能描述如图1所示。

“全自动焊接自行车架后三角”功能描述示意图

图1 “全自动焊接自行车架后三角”功能描述示意图

    自行车架后三角工件由仓库或者模具成型厂供料,放到1区传送带上传送,使用图像传感器进行第一次检测,判断工件外观是否为有明显弯曲变形问题的废品;如果是由搬运机器人夹取废品放人废品区,装满后物流小车送往废品仓库;如果不是通过搬运机器人抓取工件放到焊接区,由焊接机器人按工艺流程进行焊接。

    焊接完成后,通过搬运机器人将工件放到2区传送带上传送,使用色温传感器和红外传感器进行第二次检测,通过对焊点的温度颜色识别、对模具温度的检测,判断工件是否为有漏焊、虚焊的不良品;如果是由搬运机器人夹取不良品放到补焊区,由焊接机器人进行补焊修复,如果不是通过搬运机器人将合格品放入成品区,装满后由物流小车送往成品仓库。

    3.2 PLM生产线预期性能指标设计

    为了提高“全自动焊接自行车架后三角”生产线的生产效率、产品质量、安全保障,设置了如下预期性能指标:

    (1)为保障产品质量,自行车架后三角完成一个完整的工艺流程全自动焊接时间为t1,包括中管与上叉焊接,上叉与勾爪焊接(左侧),下义与勾爪焊接(左侧),中管与下叉焊接,上叉与勾爪焊接(有侧),下叉与勾爪焊接(右侧)工艺流程,30s<t1<60s。

    (2)为提高安全保障,搬运机器人搬运平均时间t2不宜过长,否则会判断为故障,产生报警,合理时间范围为0<t2<10s。

    3.3 PLM生产线可靠性和成熟度设计

    考虑到生产线的可靠性和成熟度,设计如下:

    (1)设计了两个传感器检测环节,一个补焊环节,减少了不良品的产生,以保证生产出来的产品的质量,增加了良品率,降低了成本。

    (2)生产线区域按模块化处理,利用分区,用不同的颜色来代表不同的工位,标志简单易懂,设有传送环节,检测环节,抓取环节,焊接环节等,可操作性,可扩展性强,可以灵活地进行升级改造处理。

    (3)本方案针对防电磁、防静电等环境因素,设计传送带电机等外壳接地,传感器外壳设计成绝缘材料等。

4 PLM生产线仿真与测试

    4.1 PLM生产线仿真

    为保证基于PLM的全自动焊接生产线设计的可行性和合理性,先对生产线所用到的设备全部建立三维模型,再使用Process Simulate软件,导入三维模型,模拟仿真全自动焊接生产线生产动作及过程。

    (1)“全自动焊接自行车架后三角”三维生产线仿真布局

    “全自动焊接自行车架后三角”三维生产线布局设计如图2所示。分为供料区,第一段传送检测区(紫色传送带),第二段传送检测区(黄色传送带),焊接区(绿色焊接台),补焊区(品红色焊接台),废品区(红色小车),成品区(蓝色小车)。

“全自动焊接自行车架后三角”三维生产线布局

图2 “全自动焊接自行车架后三角”三维生产线布局

    (2)“全自动焊接自行车架后三角”生产线仿真核心功能部件建模

    在仿真中对所用到的焊接机器人和搬运机器人进行单独建模,如图3,图4所示。为了更好地抓取自行车架后三角工件,搬运所示机器人的抓手选择了比较大的蓝色抓手,蓝色抓手上有12个黑色圆形海绵垫,防止夹具夹取时损坏工件。目前最常用的自动工装是采用气动夹紧技术实现对工件的自动定位压紧。先将工件自动传送到定位点,通过传感器检测,夹具自动夹紧,气缸将工件依次定位夹紧,抓取工件,完成搬运后,放下工件时,通过传感器检测工件放下至定位点,变位机自动回转到位,夹具松开按钮,气缸依次打开。

焊接机器人

图3 焊接机器人

搬运机器人

图4 搬运机器人

    4.2 PLM生产线测试

    (1)“全自动焊接自行车架后三角”PLM生产线测试

    针对预期性能指标进行仿真测试,结论如图5所示。

性能指标测试验证结果图

图5 性能指标测试验证结果图

    自行车架后三角完成一个完整的工艺流程全自动焊接时间为t1,如图5所示,焊接流程时间t1约为70s-26s=44s,验证结果符合预期性能指标范围,30s<t1<60s。

    搬运机器人搬运平均时间t2不宜过长,否则会判断为故障,产生报警,如图5所示,搬运时间约为t2=26s-20s=6s,验证结果符合预期性能指标范围,0<t2<10s。

    (2)“全自动焊接自行车架后三角”PLM产线规划方案的可行性说明

    本方案设计的生产线,经过测试、验证结果表明,能够实现设计的生产工艺流程、功能及要求,符合预期性能指标要求,具备可行性,并且在生产线升级上有很大的可拓展性,在生产安全上有较好的保障,操作简单,易上手,智能监控、自动化程度高。

5 结束语

    企业能够通过PLM技术的应用来提高产品全生命周期业务上的营运效率,PLM生产线的设计,将在未来数十年越来越受到企业的重视。近年来全球PLM市场持续迅速增长,PLM生产线为实现产品数据管理等生产技术资料信息化,提供了应用基础和解决方案。下一代PLM生产线的发展将更加专注于覆盖产品生命周期各阶段,更加开放和灵活。

责任编辑:程玥
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