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摘要：

智能機(jī)器人在凈水行業(yè)的應(yīng)用是一個(gè)新的領(lǐng)域，不僅為工業(yè)機(jī)器人提供了新的增長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)于凈水設(shè)備生產(chǎn)行業(yè)也將產(chǎn)生了巨大的提升作用。本文簡(jiǎn)述了部分凈水設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程，介紹了上海福賽特機(jī)器人有限公司基于智能工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的凈水濾芯自動(dòng)裝配線，對(duì)工業(yè)4.0背景下的智能化工廠進(jìn)行了展望。本文對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的拓廣和凈水行業(yè)自動(dòng)化程度提高具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：

工業(yè)機(jī)器人、凈水行業(yè)、智能制造、應(yīng)用

一、引言

水利部近期公布的數(shù)據(jù)顯示，目前中國(guó)水庫(kù)水源地水質(zhì)有11%不達(dá)標(biāo)，湖泊水源地水質(zhì)約70%不達(dá)標(biāo)，地下水水源地水質(zhì)約60%不達(dá)標(biāo)。近10年來(lái)中國(guó)水污染事件高發(fā)，水污染事故近幾年每年都在1700起以上。全國(guó)城鎮(zhèn)中，飲用水源地水質(zhì)不安全涉及人口1.4億人[1]。隨著對(duì)生活品質(zhì)要求的不斷提升，水污染和水質(zhì)差等問(wèn)題越來(lái)受到重視，凈水設(shè)備等產(chǎn)品也因此受到市場(chǎng)熱捧，在家庭、學(xué)校、企業(yè)、政府機(jī)關(guān)等得到廣泛推廣，銷(xiāo)售增長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)家電行業(yè)平均水平，成為小家電中的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)[2,3]。

市場(chǎng)上典型的家用凈水機(jī)由四到五級(jí)濾芯依次相連組成，包括前置活性炭濾芯、PP棉濾芯、RO膜濾芯、后置活性炭濾芯等，可以有效去除水中的有害物質(zhì)，并保留其中的礦物質(zhì)。凈水機(jī)濾芯壽命較短，如PP棉濾芯的壽命為1~3個(gè)月，活性炭的壽命為6個(gè)月，需要及時(shí)更換。

濾芯這種消耗品是凈水設(shè)備廠商生產(chǎn)的主要產(chǎn)品之一，但根據(jù)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)凈水濾芯生產(chǎn)自動(dòng)化程度低，大多靠人工生產(chǎn)，僅有少部分廠商實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化，生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證；而一些國(guó)外廠商雖然使用專機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，但是設(shè)備價(jià)格昂貴，靈活性差，難以在國(guó)內(nèi)廠商中推廣。旺盛的市場(chǎng)需求，和國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力的短缺和人力成本的上升，給凈水設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)了不小的壓力，在這種形勢(shì)下，上海福賽特機(jī)器人有限公司針對(duì)凈水設(shè)備的生產(chǎn)，創(chuàng)新性地為國(guó)內(nèi)某知名廠商提供了基于智能工業(yè)機(jī)器人的一站式解決方案，達(dá)到了良好的效果。

二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展與現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)械裝置，能夠完成自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程。自從1959年首臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)誕生至今，在全世界共售出300多萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，在制造型企業(yè)中代替人工完成各種勞動(dòng)強(qiáng)度高、單調(diào)重復(fù)、危險(xiǎn)性高、勞動(dòng)環(huán)境差的各種工作，如焊接、裝配、檢測(cè)、噴涂、搬運(yùn)、碼垛等，極大地改善了產(chǎn)業(yè)工人的工作環(huán)境，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率[4,5]。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人已發(fā)展的較為成熟，形成了Fanuc、ABB、Kuka和安川電機(jī)等數(shù)家行業(yè)龍頭和一批先進(jìn)的機(jī)器人品牌，壟斷了國(guó)內(nèi)90%的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步較晚，但受益于國(guó)內(nèi)巨大的市場(chǎng)需求和國(guó)家政策支持，國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在近年來(lái)也有了明顯的進(jìn)步，形成了一批機(jī)器人制造企業(yè)和系統(tǒng)集成應(yīng)用商。工業(yè)機(jī)器人和以工業(yè)機(jī)器人為中心的制造系統(tǒng)，朝著更快、更精密、更智能化的方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，為傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供設(shè)備和技術(shù)支撐。

隨著我國(guó)人口紅利的逐漸消失，傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型制造企業(yè)面臨著用工難、用工貴的難題，亟待進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造。2015年，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《中國(guó)制造2025》，提出了制造戰(zhàn)略計(jì)劃，推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略計(jì)劃，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，給機(jī)器人制造及應(yīng)用行業(yè)指出了方向。上海福賽特機(jī)器人有限公司是一家專注于機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用的高科技企業(yè)，以工業(yè)機(jī)器人獨(dú)有技術(shù)為核心，致力于工業(yè)機(jī)器人的創(chuàng)新性研發(fā)；以豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，致力于為客戶提供整體解決方案，引領(lǐng)高端制造和智能制造的轉(zhuǎn)型步伐。福賽特機(jī)器人自主研發(fā)的FR-i3C700機(jī)器人，如圖 1所示，在速度、精度、荷重比以及智能化集成和應(yīng)用等各項(xiàng)性能指標(biāo)上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

圖 1 FR-i3C700機(jī)器人

三、智能機(jī)器人在凈水行業(yè)的典型應(yīng)用案例

在凈水設(shè)備生產(chǎn)中包括了凈水濾芯制造、凈水機(jī)裝配、包裝、倉(cāng)儲(chǔ)等。其中，多種濾芯的制造過(guò)程并不相同，如活性炭濾芯的生產(chǎn)包括：內(nèi)芯外殼上下料、超聲波焊接、注粉、O型圈裝配、貼標(biāo)簽、真空包裝等過(guò)程；PP棉濾芯的生產(chǎn)過(guò)程包括PP棉撕棉、O型圈裝配、旋熔焊接、O型圈裝配、檢測(cè)、真空包裝；RO膜濾芯的生產(chǎn)過(guò)程包括裁切膜片、折疊膜片、打膠、卷膜、切割、裝配、檢測(cè)、包裝。雖然凈水行業(yè)具有高度的標(biāo)準(zhǔn)化要求，但根據(jù)目前市場(chǎng)考察，不同的產(chǎn)品在外觀形狀、尺寸大小、生產(chǎn)工藝上仍有差別，需要兼容生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，這對(duì)柔性制造提出了更高的智能要求。

圖 2 RO膜濾芯凈化原理圖

上海福賽特針對(duì)RO膜濾芯的裝配檢測(cè)過(guò)程，設(shè)計(jì)了FST-RO模塊化自動(dòng)裝配線，為客戶打造一站式解決方案。裝配檢測(cè)和包裝過(guò)程又可以細(xì)分為：裝O型圈、氣密性檢測(cè)、裝擋水圈、纏膠帶、噴碼貼標(biāo)和信息處理等過(guò)程，我們采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)多個(gè)基于機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化工作站實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝過(guò)程，如圖 3所示。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化工作站模塊具有獨(dú)立的功能、標(biāo)準(zhǔn)的幾何連接和一致的輸入、輸出端口，可以根據(jù)不同的需求拼接產(chǎn)線，使生產(chǎn)線的組織和布局具有極高柔性，調(diào)整方便、快捷。工作站基于具有視覺(jué)能力的智能六自由度機(jī)器人搭配輔助機(jī)構(gòu)，能夠根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝區(qū)分工件的差異，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的智能化，并具有較高性價(jià)比。

圖 3 RO膜濾芯裝配檢測(cè)和包裝過(guò)程

3.1O型圈自動(dòng)裝配工作站。

O型圈自動(dòng)裝配工作站如圖 3所示，主要有一臺(tái)六自由度工業(yè)機(jī)器人及輔助機(jī)構(gòu)組成，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)濾芯自動(dòng)上料、O型圈自動(dòng)裝配等工序，工作站運(yùn)行狀態(tài)可以通過(guò)數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)在面板顯示。在經(jīng)過(guò)卷膜、切割工序后，濾芯本體制造已經(jīng)初具雛形，通過(guò)物料小車(chē)輸送到O型圈自動(dòng)裝配工作站附近，通過(guò)RFID讀取濾芯信息，具有力覺(jué)感知能力的六自由度智能機(jī)器人自動(dòng)抓取濾芯，完成翻轉(zhuǎn)上料，濾芯通過(guò)工裝板限位并通過(guò)定位工裝進(jìn)行精準(zhǔn)定位，確保O型圈順利裝配；同時(shí)O型圈通過(guò)振動(dòng)盤(pán)自動(dòng)來(lái)料，通過(guò)輔助機(jī)構(gòu)固定，雙機(jī)構(gòu)配合完成裝配過(guò)程。系統(tǒng)配有獨(dú)立的控制面板，方便的進(jìn)行程序切換，并顯示裝配數(shù)量信息、完成情況信息等。

      

圖 4 O型圈自動(dòng)裝配工作站                   圖 5 氣密檢測(cè)工作站

3.2氣密檢測(cè)工作站

在O型圈裝配之后，進(jìn)行氣密性檢測(cè)是一項(xiàng)重要工序，是濾芯質(zhì)量的重要保證。氣密檢測(cè)工作站同樣采用力覺(jué)感知能力的六自由度智能工業(yè)機(jī)器人，如圖 4所示，將濾芯直立插入氣密工裝，通過(guò)堵漏機(jī)構(gòu)下壓測(cè)試裝配O型圈后濾芯的氣密性。多檢測(cè)工位同時(shí)進(jìn)行，每只濾芯檢測(cè)約耗時(shí)15秒，各氣口氣密性檢測(cè)進(jìn)度、結(jié)果實(shí)時(shí)反饋到面板上，檢測(cè)完成后，機(jī)器人自動(dòng)將合格品交給下一個(gè)工作站進(jìn)行下一道工序，次品則單獨(dú)分揀到次品料倉(cāng)內(nèi)。

3.3擋水圈裝配工作站

濾芯的擋水圈同樣采用振動(dòng)料盤(pán)的來(lái)料方式，通過(guò)二維模組機(jī)械手取放料；固定擋水圈的工裝可更換，以完成多尺寸擋水圈的裝配，擋水圈的裝配高度可根據(jù)產(chǎn)品需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.4纏膠帶、貼標(biāo)工作站

在完成濾芯的初步裝配之后，需要進(jìn)行纏膠帶、噴碼貼標(biāo)等包裝前的最后工作。濾芯使用上下頂升對(duì)齊機(jī)構(gòu)，保證濾芯軸線與旋轉(zhuǎn)中心重合，并帶動(dòng)濾芯勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，將膠帶纏在濾芯上。之后，采用在線噴碼的方式，給每個(gè)濾芯以唯一的編碼，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)信息可追溯。至此，完成了濾芯的裝配和檢測(cè)工作，可進(jìn)行真空包裝及相應(yīng)的信息處理，結(jié)束整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。

整個(gè)裝配過(guò)程實(shí)現(xiàn)了信息化和全自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)反饋并可追溯，終端使用有安全保證，滿足FDA、國(guó)務(wù)院食品安全委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)和ISO9001認(rèn)證要求。

此外，標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人工作站還具有更廣泛的應(yīng)用，如濾芯的超聲波焊接、注粉和包裝、凈水機(jī)整機(jī)的裝配、包裝、倉(cāng)儲(chǔ)。多種自動(dòng)化的生產(chǎn)單元，共同組成智能化的生產(chǎn)工廠，滿足產(chǎn)品小批量化、多樣化的需求。

四、凈水設(shè)備智能化生產(chǎn)工廠

工業(yè)4.0的核心是“智能+網(wǎng)絡(luò)化”，通過(guò)虛擬-實(shí)體系統(tǒng)構(gòu)建智能化工廠，實(shí)現(xiàn)智能制造的目標(biāo)[6~8]。智能化工廠以“智能化”為核心，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為主要特征，在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，建立信息化管理系統(tǒng)，綜合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)，通過(guò)信息互聯(lián)，集成了智能制造執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、智能協(xié)同系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和智能物流系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)制程監(jiān)控可視化、系統(tǒng)監(jiān)管全方位和制造的綠色化。

圖 6 智能化工廠系統(tǒng)

生產(chǎn)管理系統(tǒng)屬于智能工廠的決策和管控層，通過(guò)ERP平臺(tái)和MES管理系統(tǒng)，建立的凈水設(shè)備生產(chǎn)管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)大數(shù)據(jù)對(duì)市場(chǎng)上的需求情況進(jìn)行分析，為生產(chǎn)決策提供依據(jù)。 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取工廠內(nèi)各個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)反饋回的生產(chǎn)和物流信息，是管理者能夠?qū)ιa(chǎn)狀況有清晰明了的掌握，并進(jìn)行全方面管控。

智能物流系統(tǒng)通過(guò)傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息網(wǎng)絡(luò)，整合社會(huì)及工廠內(nèi)物流資源，進(jìn)行統(tǒng)籌安排，提高現(xiàn)有設(shè)備的資源配置效率，使物料快速高效地送達(dá)需求地，為智能制造系統(tǒng)提供可靠的保障。

智能化工廠中生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)最基本的單元是以工業(yè)機(jī)器人為代表智能化設(shè)備，包括各種智能傳感器、控制器、信號(hào)和指示面板等。各種智能化的設(shè)備有機(jī)地組成的制造單元，例如典型的標(biāo)準(zhǔn)化的工作站，每個(gè)生產(chǎn)單元都具備智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)能力，如前文所介紹的濾芯的自動(dòng)裝配、檢測(cè)、分揀和噴碼等工作站，通過(guò)集成的大量智能傳感器使工作站具備感知能力，能夠采集和傳輸生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)，全面掌控生產(chǎn)情況，并實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)信息，保證每一個(gè)產(chǎn)品信息的可追溯性。

多個(gè)生產(chǎn)單元通過(guò)信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步構(gòu)成高柔性的智能制造執(zhí)行系統(tǒng)，成為智能化工廠的重要一環(huán)。通過(guò)配置網(wǎng)絡(luò)化的信息管理系統(tǒng)，與生產(chǎn)管理系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行智能協(xié)同作業(yè)，根據(jù)生產(chǎn)決策，實(shí)現(xiàn)全工廠的自動(dòng)化智能化生產(chǎn)。

智能生產(chǎn)和智能化工廠是當(dāng)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是在當(dāng)前各國(guó)制造業(yè)都尋求升級(jí)的背景下，傳統(tǒng)的制造業(yè)將面臨“洗牌”，智能化將引領(lǐng)新一輪的制造業(yè)革命。

五、結(jié)束語(yǔ)

面臨著國(guó)外機(jī)器人廠商的在傳統(tǒng)應(yīng)用行業(yè)壟斷地位，國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)需要積極拓展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，以在市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟。凈水行業(yè)作為家電行業(yè)中的朝陽(yáng)領(lǐng)域，在近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭迅猛?；诠I(yè)機(jī)器人，為凈水設(shè)備生產(chǎn)商打造智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，建造智能化工廠，對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)器人行業(yè)和凈水行業(yè)而言可以達(dá)到雙贏的效果。

上海福賽特機(jī)器人有限公司在這一領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效的探索，針對(duì)凈水濾芯的裝配工藝，基于智能工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套模塊化的柔性生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工過(guò)程的智能化和全自動(dòng)化，提高了凈水濾芯生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，幫助凈水企業(yè)解決人力成本上升和自動(dòng)化改造的難題。在智能化生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，本文對(duì)智能化生產(chǎn)工廠進(jìn)行了構(gòu)思，探討了以信息管理系統(tǒng)為中心的網(wǎng)絡(luò)化制造、物流和生產(chǎn)管理系統(tǒng)。在中國(guó)制造2025和工業(yè)4.0不斷推進(jìn)的背景下，對(duì)于智能制造系統(tǒng)應(yīng)用和智能化工廠的有效探索，對(duì)于自動(dòng)化行業(yè)和凈水行業(yè)的發(fā)展都具有重要的推動(dòng)作用。