自动化装备与生产线设计

第1 章 绪 论 本章重点：本章是本书的总论，通过对自动化装备与生产线的基本概念、定义组成及特点、基本构成，以及国内外技术发展方向的介绍，使读者对自动化装备与生产线有一个总体概括的了解，为后续内容的学习奠定基础。 1.1 自动化装备与生产线的定义、组成及特点 多年来，发达国家因人力资源成本高，一直十分重视自动化装备与生产线的研发，自动化装备与生产线在汽车、电子、家电、轻工、机械、物流等各行各业的制造及相关领域得到了广泛的应用。例如，轿车壳体冲压自动化生产系统、汽车车体机器人自动焊装生产系统、3C 电子产品( 即计算机(Computer) 、通信(Communication) 和消费电子产品(ConsumerElectronic))的自动化生产系统、柔性制造系统、物流与仓储自动化系统等，这些自动化装备与生产线的应用极大地提高了产品的质量与生产效率，推动了这些制造行业的快速发展，同时也提升了技术水平和创新能力。例如，日本丰田某汽车制造分厂，总共12000 名员工，主要生产过程采用自动化装备与生产线，年生产60 万辆轿车和卡车，以每辆2 万美元计算就有100 万美元的人均年产值。可见，自动化装备与生产线对企业提高产品质量、降低制造成本、提高核心技术竞争力起到了极其重要的作用。 目前，我国正在从制造业大国向制造业强国迈进，产业正在从劳动密集型向技术密集型转变，大量自动化装备与生产线的研发与投入使用可以极大地加速这一进程，因此得到越来越多企业的关注和重视。 1.1.1 自动化装备与生产线的定义 顾名思义，“自动化装备与生产线”首先与“制造自动化”有关。人们一般传统地将“制造”理解为产品的加工过程或工艺过程。例如，著名的Longman 词典对“制造(manufacture)”的解释为“通过机器进行(产品)制作或生产，自动化装备与生产线特别适用于大批量生产”。 随着科学技术进步以及生产力的发展，“制造”的概念和意义已经在“范围”和“过程”两个方面大大拓展。范围方面，制造所涉及的工业领域远非局限于机械制造，而是包括了机械、电子、电气、五金、化工、轻工、食品、医药、军工等国民经济的很多行业。 “自动化(automation)”是美国人Harder 于1936 年提出的。当时他在通用汽车公司工作，他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。这实质上是早期制造自动化的概念。 自动化装备与生产线显然是指装备与生产线中的具有自动化生产特点的产品，包括自动化专机、自动化生产线、自动化装配线、自动化检测装置等，典型的例子如汽车轮毂自动加工机、电子产品高速自动贴片机、手机、计算机、电视机等电子产品自动组装生产线，电路板自动检测生产线，各种柔性加工装备和生产线等。当然，自动化装备与生产线也具有不同自动化装备与生产线设计的水平，有的需要人的参与，如生产流水线、半自动生产线等；对于全自动以及智能自动化装备与生产线等，可以在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行生产。 正是因为自动化的生产特点，过去人们将制造自动化理解为以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业，这实质上是指用自动化代替人的体力劳动。随着电子和信息技术的快速发展，计算机的出现和广泛应用，制造自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动还代替或辅助人的脑力劳动，以自动的方式完成特定的作业。 现在，制造自动化已远远突破了上述传统的概念，具有更加宽广和深刻的含义。制造自动化的含义至少包括以下几方面。 (1)在形式方面，制造自动化包括三个方面的含义：①代替人的体力劳动；②代替或辅助人的脑力劳动；③制造系统中人、机器及整个系统的协调管理及控制和优化。 (2)在功能方面，制造自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是制造自动化系统功能的一部分。制造自动化功能是多方面的，已形成一个有机体系，其功能主要体现在以下方面：①能缩短产品制造周期，加快新产品上市的时间；②提高生产效率和产品质量；③降低生产成本，提高经济效益；④利用自动化技术，更好地做好市场服务工作；⑤利用自动化技术，替代或减轻制造人员的体力和脑力劳动，直接为制造人员服务；⑥有利于充分利用资源，减少废弃物和环境污染，有利于实现绿色制造。 (3)在范围方面，制造自动化不仅涉及具体生产制造过程，还涉及产品生命周期的所有过程(包括服务)。 1.1.2 自动化装备与生产线的基本构成 一个较完善的自动化装备与生产线系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力部分、传感与检测部分、执行机构、信息处理与控制等部分，如图1-1 所示。这些组成部分内部及其相互之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换等有机结合集成一个完整的自动化装备与生产线系统。 图1-1 自动化装备与生产线的组成基本要素 1. 机械本体 机械本体是自动化装备与生产线系统的基本支持体，主要包括机身、框架、连接等。自动化装备与生产线系统技术性能、水平和功能的提高，要求不但机械本体在机械结构、材料、加工工艺以及几何尺寸等方面能适应自动化装备与生产线的功能，而且还有可靠性、节能、小型、轻量、美观等要求。 2. 动力部分 自动化装备与生产线系统的显著特征之一是用尽可能小的动力输入，获得尽可能大的功能输出。自动化装备与生产线系统不但要求驱动效率高、反应速度快，而且要求对环境适应性强、可靠性高。 3. 传感与检测部分 传感与检测技术是自动化装备与生产线技术中的关键技术，传感器将物理量、化学量、生物量等(如力、速度、加速度、距离、温度、流量、pH、离子活度、酶、微生物、细胞)等能量转换成电信号，即引起电阻、电流、电压、电场、频率、pH、电导等物理、化学、生物参数的变化，通过信号检测装置将其反馈给控制与信息处理系统进行处理和调节。 4. 执行机构 执行机构根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构通常由传动或运动部件担任，一般采用机械、液压、气动、电气以及机电相结合的方式。根据自动化装备与生产线系统的匹配性要求，需要考虑改善其性能，如提高执行机构的刚性，减轻重量，提高可靠性，实现标准化、系列化和模块化等。 5. 信息处理与控制 信息处理与控制对来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工等处理，使之符合控制要求。实现信息处理的主要工具是计算机。在自动化装备与生产线中，计算机与信息处理装置监测指挥着整个生产过程的运行，信息处理是否正确及时，将直接影响系统工作的质量和效率。信息处理一般由计算机、可编程控制器(PLC)、数控装置、逻辑电路、A/D 与D/A 转换装置、I/O(输入/输出)接口及外部设备等组成。 自动化装备与生产线系统的基本特征是给“机械”增添头脑(计算机信息处理与控制)，信息处理只是把传感器检测到的信号转化成可以控制的信号，系统如何运动还需要通过控制系统来控制，其控制方式主要包括线性控制、非线性控制、*优控制、智能控制等控制技术。部分常见自动化装备与生产线如图1-2～图1-5 所示。 图1-2 电子产品高速自动贴片机 图1-3 真空自动封罐机 图1-4 汽车焊接自动生产线 图1-5 电池组装自动生产线 1.2 制造自动化技术的国内外发展现状及方向 1.2.1 制造自动化技术发展现状 我国从20 世纪80 年代开始，从国外引进了大量的自动化装备与生产线等，包括模具、非标专机、生产线等，涉及很多行业，家电、电子、轻工、汽车制造业*为集中。另外，随着外资引入国内，成立了很多独资企业或合资企业，他们大量采用国外先进的生产自动化装备与生产线。我国有许多来自德国和日本的数控机床与汽车生产线设备，来自意大利、德国的高档纺织机械，就连制鞋业的很多自动化装备与生产线也是国外进口。 20 多年过去了，目前我国已成了制造业大国，但并不是制造业强国。我国在一些领域还没有很好地掌握核心技术，自主开发设计的能力仍然不太强，目前国内一些高端的自动化装备与生产线主要还是依靠进口，不仅花费了大量外汇，而且大大限制了行业、企业的跨越式发展。还有一些企业面临的实际困难与机遇：一是目前企业存在着招人难、管理难、产量低、质量差、能耗高、附加值低等问题，设备改造升级及发展的潜在需求量相当大，这是市场需求；二是设备与国外的技术和产品还有一定的差距，这是内在动力；三是国家实施企业升级转型，促进产业结构调整政策，对制造设备有新的要求，这是外部动力。这些都会加速推动我国自动化装备与生产线产业的发展。另外，制造自动化必将是今后的主要生产模式，尤其是经济全球化的大环境下，要参与竞争必须要有一流的工艺和制造装备，因此自动化装备与生产线是制造自动化发展的必然趋势。 特别是“德国工业4.0”和“中国制造2025”的提出，使国内制造自动化的概念逐渐深入人心，有许多公司和部门正在大力从事这方面的研究开发工作，国内设计生产的自动化装备与生产线也开始用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面，在小型设备上有大量的新产品被研发出来，并且开始有少量出口。例如，各种专用机床、膨胀螺丝组装机、自动粘贴机、低压电气全自动装配机、多轴攻丝机、弹簧自动视觉检测机、塑胶件称重挑选机、多件套瓶盖自动组装机、静电除尘系统、自动涂装生产线等。近年来，随着劳动力成本的不断提高，越来越多的企业开始重视工厂制造自动化，这也给这一行业带来了发展商机。当前我国生产自动化装备与生产线的制造企业快速发展起来，但是大多规模较小，技术含量低、同质化竞争，特别是自动化装备与生产线设计技术相对落后。因此，如何更好地参与这一行业的竞争成为一个新的挑战，提高制造自动化装备技术水平是自动化装备与生产线生产行业的当务之急。 1.2.2 制造自动化未来发展方向 “德国工业4.0”、“中国制造2025”等的提出预示着制造的*终归宿是智能制造，也就是说智能化是自动化制造发展的方向，其中智能化对制造提出的要求很高，到目前为止即使是工业发达的国家也不能说他们的制造已经完全实现智能化了。首先，智能是根据人的需要而言的，是相对的；其次，智能化要求制造过程是主动的，让机器自己根据认知能力对生产做出判断和选择，这就要求机器本身要具备较高的自主学习能力，在某种意义上机器就等于人，就目前的技术发展水平来说，在短期内真正实现智能化制造还是有一定难度的。但是给制造自动化的发展方向指明了道路。 未来的智能制造将结合人工智能、物联网、大数据等技术，进一步改变产品配置、生产计划和实时决策，从而优化盈利能力。智能制造中使用更多尖端的技术，如物联网将工厂里所有人、产品和设备连接起来，使人类和机器能够协同工作，从而创建更高效、更具成本效益的业务流程。 智能制造产业链涵盖智能装备(机器人、数控机床、服务机器人及其他自动化装备)，工业互联网(机器视觉、传感器、RFID、工业以太网)、工业软件(ERP/MES/DCS 等)、3D 打印以及将上述环节有机结合的自动化系统集成及生产线集成等。 从全球范围来看，很多国家和地区都在积极布局智能制造的发展。除了美国、德国和日本走在全球智能制造前端，欧盟也将发展先进制造业作为重要的战略，在2010 年制定了“第七框架计划(FP7)”的制造云项目，并在2014 年实施欧盟“2020 地平线”计划，将智能型先进制造系统作为创新研发的优先项目。 根据工业和信息化部的统计，2015 年以来我国制造业产值规模占全球的比重为 19%～21%。2017 年，我国智能制造行业产值规模达15870 亿元。2018 年以来全球智能制造呈现持续高速增长的态势，2020 年产值规模已达到2 万亿美元左右。 1. 全球智能制造装备发展现状 1)全球工业机器人行业发展现状