焊接生产线智能化设计研究

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随着我国工业智能化发展进程的逐渐深化，智能制造成为机械设计制造发展的主流趋势，如何利用先进技术实现机械设计制造的自动化发展、智能化功能，是企业应当重点思考的问题。在实际过程中，企业对铲斗机器人焊接生产线机械设计制造进行优化，积极引入多种自动化技术，促使其具备人机互动、数据分析与智能化反馈功能。在实际过程中，企业利用大数据与自动化技术搭建核心控制系统，同时在机械上安装传感器装置及反馈设施，促使铲斗机器人焊接生产线具备自动化功能。

１智能制造时代机械设计制造的主要优势

相较于传统机械设备的设计与制造，智能制造之下的设计制造具有鲜明优势，具体如下：第一，能够有效提升工业生产效率。传统机械设计制造过程中，对人工的需求量较大，导致人力资源消耗较多，费用较高，并且人工环节效率低下、出错率较高，影响工业机械设备制造质量。随着智能制造的发展，机械设计制造自动化水平逐渐提升，能够进一步省去大量人工环节，实现全过程无人化生产制造，这种方式不仅可以节省人力资源，也可以提高生产效率，降低出错率，提升机械设备生产制造质量。智能制造的机械设计制造能够极大程度上满足各个行业机械设备的生产需求，同时确保机械设备出厂质量。第二，能够有效增强机械设备生产过程安全性。在传统的机械设备设计制造中，需要大量人工对机械设备进行处理，比如：表面打磨、抛光等环节，很容易出现安全事故，对工人的生命安全造成威胁，甚至会引起较大的社会负面影响。在智能制造发展之后，大量的自动化装置取缔了人工操作环节，无人化的生产制造过程杜绝了人身安全事故的发生，提升了机械设备设计制造安全性。

２智能制造时代机械设计制造及其自动化技术分析

为了更好地研究智能制造时代之下的机械设计制造自动化发展，本次引入铲斗机器人焊接生产线案例，对铲斗机器人焊接生产线自动化系统及智能化机制进行探索（如图１）。根据企业需求，工作人员在铲斗机器人焊接生产线中设计了信息系统，以工业４．０数字化企业平台为载体，利用大数据、人工智能、远程控制、物联网等多项先进技术，形成了具有较强数据采集能力、较强模块拓展性能的系统。铲斗机器人焊接生产线自动化系统构成包括：控制层、操作层；其中控制层负责与现场各工业机器人的远程控制，辅助推进机器人、焊接电源、输送电机、传感器、气缸等元件的交互，促使生产线具备基本功能；操作层主要为工作人员的人机互动提供便利，满足工作人员的生产线自动化运行状态监控需求、运城控制需求、数据采集与分析需求等。本次控制系统采用的是西门子Ｓ７系列ＰＬＣ装置，与工业以太网的ＰＲＯＦＩＮＥＴ总线共同组成控制网络，其中ＰＲＯＦＩＮＥＴ设备为企业与生产现场的对接提供支持，为多种协议设备的接入与管理提供支持［１］

２．１人机互动分析

根据铲斗机器人焊接生产线自动化系统情况，本系统具备充足的人机交互功能，工作人员可以在中控室中对生产现场进行远程控制，也可以随时了解铲斗机器人焊接生产线的运行状态、故障位置等；企业管理者可以在公司内远程控制生产现场的各项装置，并且通过交互界面观看生产线的运行动态变化。人机交互功能的实现是以大量先进技术与多种不同终端装置为支持的，如表１，其中总控室可以满足工作人员的远程操作，促使工作人员与铲斗机器人焊接生产线实现人机交互；电气控制系统与离线编程系统，分别负责数据传输、工位监控、数据线上模拟与分析等，促使各项生产数据以直观形式呈现出来，既可以根据工作人员输入的指令调整作业状态，也可以让工作人员实时了解生产线的运行情况与效率，实现人机交互［２］。

２．２机械结构件分析

根据铲斗机器人焊接生产线自动化情况来看，这一系统是按照智能制造理念，进一步整合了设计制造环节的机械生产装置，其具备铲斗机器人焊接生产线的一切基础机械结构（如图２），包括：控制室、上料架、铲斗焊接工位、物流线、焊接后缓存模块、暂存模块、补焊变位模块、下料缓存模块等。根据铲斗机器人焊接生产线实际情况，其总长度为９７ｍ，包括：上料工位７ｍ、焊接工位３６ｍ、补焊工位３７ｍ、缓存工位７ｍ、下料工位７ｍ、控制室３ｍ。在铲斗机器人焊接生产线的７个基本机械结构中包含大量结构元件，比如焊接机器人结构的结构件（如表２），再比如焊接系统的结构件、焊接变位机的结构件、机器人旋转升降机构的结构件、监控系统与中控室结构件等等。这些结构件共同构成了每一个机械结构，各机械结构组合形成铲斗机器人焊接生产线整体结构，为之后的机械设计制造自动化奠定良好机械基础［３］。

２．３引入创新设计思维

铲斗机器人焊接生产线自动化系统设计的目的，是让这一生产线具备智能制造特征，能够完成设计生产自动化任务。工作人员应当根据企业生产产品特点，分析产品设计制造需求，并且对原本的铲斗机器人焊接生产线进行创新设计，对生产线各个结构部分进行优化，促使其更符合设计制造自动化运行需求，进一步提升生产线的设计制造自动化水平［４］。根据铲斗机器人焊接生产线实际情况，以核心系统运行功能为依据，工作人员对铲斗机器人焊接生产线的各个结构部分进行创新设计，具体表现为：（１）对机器人工作站进行创新设计。工作人员根据生产线对机械的设计制造处理动作，对机器人工作站配置进行创新设计，在外围搭建安全围栏，采用喷塑钢网作为安全围栏的上半部分，采用遮弧光板作为安全围栏的小半部分，并且设置可开启的工件进出门、安全电气开关门等，促使上半部分可以升降，以便于吊装特殊结构工件，同时避免对其他结构运行产生影响。（２）创新生产线结构件的原材料，采用国产一线钢厂优质产品作为定位装置、夹紧装置、支撑装置的主要材料，提升这些关键未知的刚性与耐磨性，增强强度，延长生产线的使用寿命。（３）对生产线铲斗机器人的系统配置火焰自动化加热装置进行创新设计，设计加热温度在０－３５０℃之间，并且采用接触式温度测量装置实时测量被加工工件温度，系统会根据预先设置的温度数值进行分析，一旦工件温度超过设定温度数值，就会启动警报装置。

２．４数控技术在工业生产领域中的应用

在铲斗机器人焊接生产线中进行智能制造的自动化系统构建，应当灵活运用数控技术，在信息系统中联动远程控制系统与数据采集装置，提升铲斗机器人焊接生产线反应灵敏性，促使生产线可以根据实时采集与分析的数据自动化作业。在实际运行的过程中，可以有人机交互界面获取各工控件的数据信息，机器人自动焊接装置会获取工控件参数，调整焊接工艺参数，包括：设备运行的电流与电压、生产线所在环境的冷却水状态与保护气状态等，实时获取Ｉ／Ｏ信号状态变化。工作人员在在工件上安装的条码或ＲＦＩＤ芯片，在工控件进入自动作业工位前读取条码信息，根据不同规格的工件调整作业模式，进一步提升生产线运行可靠性。

３智能制造时代机械设计制造及其自动化技术发展的策略

３．１减少生产中能源的消耗

根据上述分析的铲斗机器人焊接生产线智能制造自动化成果，可以看出，提高运行效率是本次生产线自动化、智能化的主要方向。根据企业经营发展情况来看，要想充分发挥智能制造优势，促使铲斗机器人焊接生产线具备设计制造自动化功能，就应当拓展设计视野，在提高效率的基础上加强对能源消耗的控制，促使其运行单位时间内消耗更少的能源。这样既可以有效提高企业资源利用率、控制生产成本，也可以积极响应政府的节能减排号召。

３．２融合数字化机械设计

融合数字分机械设计，就是指将数字化技术与机械结构相结合，促使铲斗机器人焊接生产线装置具备数字化作业功能。根据铲斗机器人焊接生产线中数控机械结构分析，可以看出，工作人员积极引入数字技术，提高了生产线运行的可靠性与灵敏性。可以在这一技术上，引入大数据分析与可视化呈现技术，加深机械结构与数字技术的联合深度，同时提高生产线运行信息的使用效率，提高生产线各个机械结构的工作效率。

３．３应用电子化图纸

在铲斗机器人焊接生产线的自动化技术应用中，可以使用电子化图纸，清晰呈现图纸内容，让工作人员利用电子系统绘制图纸，将图纸以信号形式传递给生产线控制系统，可以有效提升图纸设计效率，实现设计与制作的一体化、自动化衔接，进一步体现智能制造优势。

４结语

根据本次研究可以看出，在机械的设计制造自动化中，应当灵活运用多种先进技术，包括：自动化控制技术、大数据技术、人工智能技术、人机交互技术等，将多种技术灵活运用到机械系统中，才能够真正提升设计制造自动化发展水平，进一步满足企业需求。在今后的机械设计制造中，应当根据企业的实际情况，以需求为依据确定产品类型，以技术支持功能、以多项技术融合形成自动化与智能化机制。

参考文献：

［１］蔡佳丽，蔡丽娟．智能制造背景下机械设计及自动化技术发展方向［Ｊ］．时代汽车，２０２２（１１）：１４５－１４６．

［２］周慧芳．智能制造时代机械设计制造及其自动化技术研究［Ｊ］．内燃机与配件，２０２２（０５）：２０２－２０４．

［３］练正胜．智能机械设计制造自动化特点及发展［Ｊ］．内燃机与配件，２０２０（１８）：１６７－１６８．

［４］叶健波．机械设计制造及自动化的优势及发展［Ｊ］．智能城市，２０２０，６（０９）：２４６－２４７．

作者：王建兴 单位：厦门航天思尔特机器人系统股份公司