数控机床与机器人一体化及系统优化布局方法研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kumufengchun
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数控机床与机器人集成应用,实现自动上下料、自动加工,可以加快生产节拍、提高效率;采取一体化的结构,有利于快速调整工位、快速投产,增加生产系统布局的灵活性;在生产车间内,设备的优化布局可以使物流更加高效顺畅,减少物料的运输和等待时间。本文基于Petri网理论分析了引入机器人的作业单元性能,研究了45°斜床身卧式数控车床与小型6轴机器人一体化结构的优化设计,以及生产车间设备多行直线布局的建模与优化,并通过实例仿真验证了机器人的使用和布局的优化,可以有效改善生产线的平衡性、生产节拍、产量和设备利用率等指标。在可行性分析中,阐述了生产线中引入机器人的原则,以及引入机器人后需要考虑的问题。建立了多设备多工序和多设备单工序两类机器人作业单元的Petri网模型,基于T不变量和可达性分析法研究Petri网模型的活性,论证了作业单元是否包含锁死。借助PIPE软件的仿真统计和稳态分析功能,计算Petri网的特定标识在其所有稳态标识中所占比率,从而求出作业单元中加工设备利用率。根据设备利用率改善情况,确定作业单元中机器人的数量,设计数控机床与机器人集成作业单元的布置形式。建立了45°斜床身卧式数控车床与小型6轴机器人一体化结构的空间模型,根据各设备之间的位置关系,推导出影响一体化布局中机器人作业效率的6个参数,提出了基于机器人工作周期的作业单元布局评价方法。研究了机器人工作空间、作业点干涉和插补点干涉对布局约束的解决办法,并结合设备实际情况,采取特殊平面切割法或投影法,减少三维OBB干涉检测中分离轴测试的计算量,最后采用差分进化算法求出一体化结构的优化布局。建立了生产车间设备多行直线布局的二次分配问题模型,提出了改进的设备中心点Y轴坐标值递推公式,使行间距可以随设备尺寸动态调整。采用归一法,将物流费用小、面积利用率大的多目标优化问题转化为单目标优化。利用Logistic曲线特性,将简单遗传算法(SGA)的交叉、变异概率作自适应调整(LOAGA),并通过SGA和LOAGA两种算法求解二次分配问题,对比结果表明LOAGA在求解速度和解的质量上优于SGA。优化后的布局与优化前布局作比较,物流费用和设备占用面积分别减少19.1%、5.4%。根据CKS6132型数控车床的内部结构特点,设计了该车床与6轴安川机器人MH3F一体化集成的联接件;分析车削单元的作业流程,设计了自动化车削单元的分布式控制系统及其人机交互界面,实现无人工干涉的自动化加工过程。对曲轴生产车间有、无机器人两种布局进行仿真,分析比较了最快生产节拍、产量、设备利用率以及工件平均停留时间、平均等待时间等指标,验证了机器人合理使用及设备布局优化对生产系统性能有一定的改善作用。
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