工业机器人自动化生产线布局设计与优化

摘要

工业机器人自动化生产线（下文中以“机器人生产线”来指代“工业机器人自动化生产线”），作为集成了如今众多机械制造自动化领域高新技术——数控机床、工业机器人、智能控制的所在，迎合了如今社会发展对工业界的需求——机器换人、工业4.0以及中国制造2025政策等，由此成为了工业的现代发展趋势和未来的主导力量。由工业机器人技术、传统流水生产线设计优化、产品工艺方法这些制造业技术的交叉融合所产生的机器人生产线的布局问题，对企业生产效率的影响愈发重要。上述便引出本文对机器人生产线的布局设计与优化的问题研究。
　　本文运用分层布局方式来解决机器人生产线的布局问题，首先对机器人生产线中的布局基本单位——工业机器人与设备，运用遗传算法结合工业机器人技术对其进行布局优化，进而将其封装为机器人工作单元（下文中“工作单元”来指代“机器人工作单元”）;然后以局部优化后的工作单元为机器人生产线的布局单位，基于系统布置设计理论、运用遗传算法和层次分析法对机器人生产线进行布局设计、优化、决策，最终，获得满意的机器人生产线布局方案。下面将对本文的主要研究内容一一概述:
　　1.机器人工作单元布局优化研究。首先，本节探讨了工作单元内的工业机器人、设备的布局优化问题，具体优化方法是将工业机器人进行固定，以设备相对机器人的位姿关系为布局变量，以工业机器人在工作单元内的运动轨迹最优为目标，利用遗传算法对布局方案进行搜索。然后，本节提出工作单元布局优化方法的数学模型，并给出相应的布局约束条件:工业机器人的可达工作空间、布局干涉检测，以及给出相应的目标函数——机器人周期耗能、工作单元周期时间、工作单元空间利用率。最后，对上述方法中相应关键要点的算法以伪代码的形式进行呈现，并以相应算法结果来验证方法的有效性。
　　2.机器人生产线布局设计研究。首先，本节对机器人生产线布局设计方法进行概述，介绍设计的前处理步骤:确定牛产线的组织形式、生产节拍、工作单元的划分、生产线工序平衡化。接下来，本节基于布系统布置设计，分别对工作单元间的物料搬运关系与非物流相互关系进行分析、计算，获得物料搬运矩阵和非物流关系矩阵。然后，本节基于遗传算法构建机器人生产线布局设计的组合优化模型，变量——工作单元的位置，布局约束条件——间隔约束、边界约束，目标函数——物料搬运总量、非物流相互关系值和空间利用率。最后，通过调研企业多方决策意见，本节基于层次分析法构建生产线评价体系，对由上述布局设计方法所获得的三个布局方案作为备选方案进行筛选，获得满意的机器人生产线布局方案。
　　3.G公司电机主轴自动化牛产线实例。首先，本节以G公司的通用110电机主轴自动化生产线为实例，运用上述所提出的机器人生产线布局设计与优化方法搜索出三个备选布局方案。然后，本节在物流系统仿真软件Flexsim中对三个方案进行建模、仿真，获得各自相关统计数据信息，以此为基础对三者进行优缺点对比分析;最后，基于层次分析法建立生产线评价体系，通过调研企业多方决策者的主观判断来对3个方案进行计算排序，由此选择出满意的生产线布局方案。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题的研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 生产线布局设计研究现状

1．2．2 机器人工作单元布局设计研究现状

1．3 本课题来源与研究内容

第二章 机器人工作单元布局优化研究

2．1 引言

2．2 工作单元布局问题概述

2．2．1 工作单元布局问题的数学模型

2．3 工作单元布局优化方法流程思路

2．4 工作单元布局优化方法中关键要点

2．4．1 布局可行域求解

2．4．2 布局干涉检测

2．4．3 布局目标函数

2．5 本章小结

第三章 机器人生产线布局设计研究

3．1 前言

3．2 机器人生产线布局设计方法概述

3．3 机器人生产线布局设计方法与流程

3．4 机器人生产线整体布局设计方法

3．4．1 系统布置设计理论分析

3．4．2 布局设计方法与流程

3．5 本章小结

第四章 G公司电机主轴自动化生产线实例

4．1 引言

4．2 G公司电机主轴自动化生产线概述

4．3 电机主轴生产线布局设计与优化

4．3．1 电机主轴生产线整体布局设计

4．4 仿真验证与分析

4．4．1 G公司电机轴生产线仿真

4．5 本章小结

总结与展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表论文

致谢

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