第4章——智能生產單元設計與開發學習目標能夠清晰概括單元生產的概念原理及單元生產系統布局形式

能夠清晰概括智能生產單元/智能制造單元的定義及主要功能構成

能夠清晰描述柔性制造單元/人機協作智能生產單元的設計方案能夠簡要概括多臂協作機器人技術及其應用現狀案例導入——中聯重科打造單元生產模式

中聯重科采用“人動物不動”的組織原則，運用多單元平行作業，具備“柔性強、效率高、場地占用小”的優勢，將會更適應目前多品種、小批量、變動多的需求狀況。案例導入——中聯重科打造單元生產模式

目前可實現超過200多種的攪拌車混線生產，自制和外購零部件庫存量顯著下降，裝配自動化率提升至73.3%，物流自動化率提升至90%，工藝參數和關鍵零部件已實現100%可追溯,平均每12分鐘下線一臺產品。案例導入——中聯重科打造單元生產模式案例導入——中聯重科打造單元生產模式討論：中聯重科打造的單元生產模式給企業自身發展帶來哪些幫助？對推進智能制造有哪些借鑒意義？請結合該案例分析如何提高生產線的柔性？請與同伴討論并總結企業實施單元生產模式的必要性及實施步驟。第4章：智能生產單元設計與開發4.1

單元生產系統及其布局設計4.2智能生產單元定義及功能設計4.3柔性制造單元構成及功能設計4.4人機協作智能生產單元設計4.5智能生產單元設計與開發實例4.1單元生產系統及其布局設計單元生產概念定義：單元生產是一種以生產單元為基本載體的先進制造模式，強調小規模、多品種、快速轉換的生產能力。特點：靈活性高、適應性強、對市場需求變化響應迅速等。優勢：在滿足個性化需求、縮短產品交付周期方面具有明顯優勢。提高生產效率，減少浪費，提升整體績效。4.1單元生產系統及其布局設計單元生產系統布局設計制造系統設計原理目標剛性制造系統專門針對某一種零件而不是基于變化的生命周期，一般采用自動流水線實現特定產品的高效率、高質量和低成本生產柔性制造系統針對某一產品族柔性生產，硬件主要包括多軸CNC機床，軟件主要為可編程的控制程序，可根據訂單實現柔性生產實現某一產品內要求的高效率、高質量和低成本生產單元制造系統由可變的機床、零件和人員組成，支持系統動態構建，通過快速改變自身組織結構響應市場變化，可實現具有相似加工工藝的零件族的柔性生產根據生產需求的不同，快速改變自身生產功能和生產能力4.1單元生產系統及其布局設計單元生產系統布局設計單人作業布局：一個作業員完成全部作業，效率高，適用于技能要求高的行業。巡回作業布局：多名作業員共用設備，輪流作業，減少設備投入，提高平衡率。分割作業布局：作業員分工合作，降低對個人技能要求，適用于技能培訓周期長的行業。第4章：智能生產單元設計與開發4.1

單元生產系統及其布局設計4.2智能生產單元定義及功能設計4.3柔性制造單元構成及功能設計4.4人機協作智能生產單元設計4.5智能生產單元設計與開發實例機械加工工廠CNC工廠伺服電機工廠鈑金工廠鑄造工廠機器人工廠4.2智能生產單元定義及功能設計智能生產單元定義4.2智能生產單元定義及功能設計智能生產單元定義智能生產單元是將操作人員、機器人和輔助設備等進行模塊化、集成化、一體化的聚合，通過人與機器人的協調合作，充分發揮機器人的效率及人類的智能，使其具備多品種少批量產品的柔性生產輸出能力。4.2智能生產單元定義及功能設計智能生產單元的功能設計1.加工單元零件切削加工的智能生產單元系以零件切削加工為例，基于數控加工中心和工業機器人實現零件切削加工的智能生產單元，由數控車床、數控加工中心、帶地軌的六軸工業機器人、立體料倉、射頻識別系統等設備組成，還包括切削單元的智能監控系統。4.2智能生產單元定義及功能設計智能生產單元的功能設計切削加工單元智能管控系統架構4.2智能生產單元定義及功能設計數字孿生體物理實體監控系統智能加工單元實例4.2智能生產單元定義及功能設計2.智能物流單元設計當前，智能物流單元在智能工廠中得到較多應用。如圖所示，由多種工業機器人、Delta機器人、協作機器人和AGV、以及物料儲運設備和多種視覺設備組成的智能物流單元，同時實現了對物料的在線檢測、揀選、碼垛和運輸的功能。4.2智能生產單元定義及功能設計3.智能裝配單元設計拖拉機變速箱裝配線拖拉機變速箱4.2智能生產單元定義及功能設計裝配單元實例——重型拖拉機智能制造裝配線重型拖拉機智能制造裝配線主要承擔100馬力及以上馬力段動力換檔等新產品的生產制造工作，設計年產能3000臺。工廠通過推進高效的精益制造管理，集成先進制造技術，具備高端動力換擋拖拉機制造能力，滿足海外市場及動力換檔等新產品的制造需求。4.2智能生產單元定義及功能設計裝配單元實例——重型拖拉機智能制造裝配線重型拖拉機智能制造裝配線分為四條分裝線：鐵十字（變速箱和后橋）裝配線、底盤裝配線、駕駛室裝配線和整機裝配線。目前裝配線配備多臺先進生產設備，具備污染物顆粒度在線檢測、動力換檔功能檢測等先進技術。在清潔度控制、裝調在線質量控制、自動化、智能化生產等各方面均采用領先技術，制造技術水平國內行業領先。4.2智能生產單元定義及功能設計裝配單元實例——重型拖拉機智能制造裝配線鐵十字磨合試驗臺可以同時滿足動力梭式換檔、動力高低檔、多速動力換檔等動力換檔機型的磨合需求，可實現動力換擋變速箱524個數據的測試對傳動系的壓力、流量、輸入扭矩、轉速等參數，以及換擋、4驅、差速、制動等功能進行檢測，保證傳動系制造質量，達到國內領先水平。磨合油通過油管與設備的過濾器連接，設備配有粗濾和精濾，保證傳動系總成的清潔度水平。配備目視板以及手動操作面板，可自行切換測試檔位，實時監控磨合質量。MES系統與磨合臺連接，對制造過程進行實時監控，磨合完成后自動生成磨合報告并儲存上傳至系統。鐵十字磨合測試4.2智能生產單元定義及功能設計裝配單元實例——重型拖拉機智能制造裝配線最終傳動擰緊用于P平臺生產線各機型最終傳動總成裝配螺栓的擰緊，該設備具備高效率、高精度、高可靠性等特點。整體結構為懸掛式單軸擰緊具備多套擰緊程序，扭矩測量精度≤標定值的±3%，轉角精度≤±2°。具有自動擰松、自動卸荷功能，便于擰緊機平滑退出螺栓。當擰緊扭矩變化超出預定范圍時，能及時報警，工作時噪音小，噪音≤65Dd與MES系統相連，可以將數據實時上傳到系統，可以根據系統中的訂單自動識別機型，自動調取擰緊程序進行加扭，更加高效可靠。最終傳動擰緊機4.2智能生產單元定義及功能設計裝配單元實例——重型拖拉機智能制造裝配線通過翻轉小車，變速箱的裝配方式由普遍的水平裝配升級為立式裝配。提高生產效率，提升裝配質量，更加符合人機工程。殼體通過夾持工裝固定在翻轉小車上，通過翻轉小車實現殼體的旋轉和上升下降，滿足裝配時各個工作角度和高度的需求。4.2智能生產單元定義及功能設計裝配單元實例——重型拖拉機智能制造裝配線

最終安全RPN風險值得到很大的降低。生產效率提高了33.3%，產品性能也從本質傳動裝配線整個裝配過程由MES和設備進行控制，鎖片漏裝、螺栓漏緊的質量問題發生率為零，上得到改善。第4章：智能生產單元設計與開發4.1

單元生產系統及其布局設計4.2智能生產單元定義及功能設計4.3柔性制造單元構成及功能設計4.4人機協作智能生產單元設計4.5智能生產單元設計與開發實例4.3柔性制造單元構成及功能設計柔性制造單元的基本構成某企業柔性制造單元的局部圖以實現機械加工為主要功能的柔性制造單元為例，一般包括以下三大組成部分：加工單元：主要實現零件的自動化加工功能，即根據加工指令自動進行銑削、鉆孔等機械加工；物料儲存單元：完成物料的存儲、運輸和裝卸；管理與控制單元：在線實時監控生產過程，并對生產數據和生產設備進行管理。4.3柔性制造單元構成及功能設計管理和控制單元設計柔性制造單元的分布式控制架構單元控制層工作站層設備層工業以太網工業以太網FMC主計算機群控計算機CNC、PLC控制設備1.控制單元模塊設計包括執行模塊、控制模塊、數據采集模塊、通信模塊，這些模塊都在車間的工業以太網下或者現場總線下進行2.控制方式設計為了使柔性制造單元更為有效、更具柔性，大多采用遞階分布式控制體系結構，包含三個層級：單元控制層、工作站層和設備層，如右圖所示。第4章：智能生產單元設計與開發4.1

單元生產系統及其布局設計4.2智能生產單元定義及功能設計4.3柔性制造單元構成及功能設計4.4人機協作智能生產單元設計4.5智能生產單元設計與開發實例4.4人機協作智能生產單元設計人機協作是指人類與機器人、計算機或其他智能系統之間的協同工作和互動，旨在將機器的智能與人類的創造力和決策能力相結合，以實現更高效、更精確和更具創新性的工作。4.4人機協作智能生產單元設計協作機器人與人機協同場景在工業4.0背景下，人機協作通過利用移動機器人和協作機器人突破空間和工藝限制，實現靈活高效的生產布局，提升生產質量與效率，解決傳統工業機器人在柔性、高度變化場景下的局限性，推動智能制造系統的全面發展。4.4人機協作智能生產單元設計人機協同場景層級為了在真實的工業環境中實現操作員和機器人之間流暢的通信和工作流，需要為不同的工作場景設計反應方法來響應不確定性和意想不到的行為。針對實際工業生產過程需求，研究者設計了4個層級的人機協同場景，如右圖所示。4.4人機協作智能生產單元設計人機協作智能裝配單元在混合裝配單元中，工人與自動化機器間的協作方式主要有兩種：（1）工人與自動化機器循序加工循序加工中工人與自動化機器各自分別獨立完成裝配任務，沒有直接的互動。（2）工人與自動化機器同步加工工人與自動化機器共享作業時空，且裝配過程中兩者可以直接互動，整個裝配過程均能體現人機協作循序加工和同步加工4.4人機協作智能生產單元設計人機協作裝配特點降低工人勞動強度，人機協作中自動化機器穩定的位置、速度、力的調控能力使工人可以更好地脫離強度高、重復性高的手工作業可減少為獲得高技術所帶來的額外支出，還可減少防護系統的成本，綜合起來可獲得更好的經濟效益縮短距離，破除地域限制隨著工人和自動化機器間的配合，可大幅提升產品的裝配效率及質量4.4人機協作智能生產單元設計移動式協作機器人人機物理協同操作與雙臂協作場景移動式協作機器人通常是在輪式、履帶式或足式移動平臺上加裝一個或多個操作手臂，組成復合作業機器人，具有較強的主動作業能力與較大的操作空間。4.4人機協作智能生產單元設計智能機器人+人機協作無需安裝安全圍欄，人與機器人共享空間進行作業即使有人接近，機器人不停止，繼續工作人與機器人各自獨立完成組裝作業

A人與機器人協同作業手持示教進行協同作業人與機器人協同搬運重工件人與機器人協同組裝B傳統機器人協作機器人4.4人機協作智能生產單元設計協作機器人——安全功能停止J2軸J1軸回退1.觸碰停止2.推按退避3.觸碰回退4.4人機協作智能生產單元設計協作機器人——機床上下料4.4人機協作智能生產單元設計協作機器人——搬運紙箱第4章：智能生產單元設計與開發4.1

單元生產系統及其布局設計4.2智能生產單元定義及功能設計4.3柔性制造單元構成及功能設計4.4人機協作智能生產單元設計4.5智能生產單元設計與開發實例4.5智能生產單元設計與開發實例人機協作智能化單元生產線設計實例在第三屆中國國際進口博覽會上，歐姆龍公司推出了“人機協作智能化單元生產線”。4.5智能生產單元設計與開發實例物料搬運自動化（a）移動至物料架（b）抓取料盒（c）搬送至后道工序（d）放置料盒4.5智能生產單元設計與開發實例人機協作完成組裝與檢測（a）由人工負責第一道擰螺絲工序（b）機器人將物料搬運至第二道工序（c）機器人進行第二道擰螺絲工序（d）完成后搬送至打標工序4.5智能生產單元設計與開發實例智能生產單元監控系統設計實例北理工良鄉校區智能生產單元生產線實際場景局部圖4.5智能生產單元設計與開發實例智能生產單元中AGV數據統計信息管理頁面示例4.5智能生產單元設計與開發實例智能生產單元的三維實時監控界面示例4.5智能生產單元設計與開發實例智能生產單元的關鍵設備狀態監測全局界面示例4.5智能生產單元設計與開發實例智能生產單元的AGV設備狀態監測效果示例習題4-1什么是單元生產？單元生產具有哪些特點和優勢？4-2請簡述單元生產系統的主要布局方式。4-3請簡要概括智能生產單元的定義及其主要功能構成。4-4請舉例說明智能物流單元設計涉及到的具體單元設備有哪些。4-5請以機械加工為例，簡要概括柔性制造單元的主要組成及各部分的基本功能。4-6請結合本章內容，設計一個人機協作裝配智能生產單元，給出具體設計方案。項目制學習要求結合本章對智