摘要

　　中國改革開(kāi)放幾十年以來(lái)，各行各業(yè)高速發(fā)展，其中制造業(yè)發(fā)展迅猛，依賴(lài)人口紅利低成本實(shí)施大規模制造，大規模分銷(xiāo)，隨著(zhù)中國東西部經(jīng)濟格局的變化，人口老齡化的波動(dòng)，東南亞地區制造業(yè)的崛起，中國制造業(yè)面臨轉型。隨著(zhù)德國政府發(fā)布的工業(yè) 4.0 發(fā)展戰略以及中國政府制定的《中國 2025》行動(dòng)綱領(lǐng)，政府、企業(yè)層面高度重視制造業(yè)向自動(dòng)化、數字化、智能化轉型。小熊電器股份有限公司從 2005 年成立開(kāi)始一直高速發(fā)展，企業(yè)屬于勞動(dòng)密集型。因此，建立自動(dòng)化制造系統迫在眉睫。

　　本論文對小熊加濕器產(chǎn)品地圖進(jìn)行研究，選取產(chǎn)量達到 80%的型號并對其核心部件水箱進(jìn)行研究，對加濕器水箱自動(dòng)化制造體系做分析、探索。目的是設計加濕器水箱自動(dòng)化的制造系統，提升企業(yè)的自動(dòng)化水平。本論文首先分析了自動(dòng)化制造的國內外現狀、查閱了相關(guān)的文獻，對加濕器水箱自動(dòng)化制造的背景、相關(guān)理論、關(guān)鍵技術(shù)、系統功能需求、系統設計等詳細的論述。

　　文獻查閱。主要是對相關(guān)的自動(dòng)化控制理論，PLC 相關(guān)技術(shù)，機械手的發(fā)展應用等等進(jìn)行查閱，了解國內外行業(yè)的研究應用現狀。

　　功能分析。以軟件系統設計開(kāi)發(fā)理論為基礎，建立加濕器水箱自動(dòng)化制造系統，實(shí)現減人增效，保證品質(zhì)的目標。各模塊功能可操作性強，通用性強，可以快速更換型號。

　　系統設計。根據功能模塊的分析，系統整體劃分為程序編譯，狀態(tài)監控，運動(dòng)控制，系統調試四大模塊。對各個(gè)功能模塊的運作方式、業(yè)務(wù)工作流程進(jìn)行了詳細的設計。同時(shí)對硬件模塊的設計實(shí)施進(jìn)行了應用測試，確保系統運行穩定。

　　本論文是對小熊電器股份有限公司的加濕器水箱自動(dòng)化制造系統進(jìn)行設計與實(shí)施，小熊是中國最大的加濕器制造商，該自動(dòng)化系統的實(shí)施對企業(yè)，對行業(yè)具有標桿性的示范作用，屬于加濕器制造行業(yè)內的首次實(shí)現自動(dòng)化，具有創(chuàng )新性。

　　同時(shí)，系統成功后企業(yè)內部可以推廣到其它產(chǎn)品，從而極大的提高經(jīng)濟效益，推動(dòng)企業(yè)制造轉型。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)化，PLC,機械手，制造轉型

abstract

　　Since China's reform and opening up for decades, all walks of life have developed at a high speed, among which the manufacturing industry is developing rapidly, relying on demographic pidend to implement large-scale manufacturing and large-scale distribution at low cost. With the change of economic structure in the East and west of China, the fluctuation of aging population, the rise of manufacturing industry in Southeast Asia, China's manufacturing industry is facing transformation. With the development strategy of industry 4.0 issued by the German government and the action program of China 2025 formulated by the Chinese government, the government and enterprises attach great importance to the transformation of manufacturing industry to automation, digitization and intelligence. Since its establishment in 2005, bear Electric Appliance Co., Ltd. has been developing at a high speed. It is a labor-intensive enterprise. Therefore, the establishment of automatic manufacturing system is imminent.

　　This paper studies the product map of bear humidifier, selects the model with the output of 80% and studies the water tank, analyzes and explores the automatic manufacturing system of humidifier water tank. The purpose is to design the automatic manufacturing system of humidifier water tank and improve the automation level of enterprises. This paper first analyzes the status quo of automatic manufacturing at home and abroad, consulting the relevant literature, discusses the background of automatic manufacturing of humidifier water tank, related theory, key technology, system functional requirements, system design and so on.

　　Literature review. It mainly refers to the relevant automation control theory, PLC related technology, the development and application of manipulator, etc., to understand the research and application status of domestic and foreign industries.

　　Functional analysis. Based on the theory of software system design and development, the automatic manufacturing system of humidifier water tank is established to achieve the goal of reducing manpower, increasing efficiency and ensuring quality. Each module has strong operability and versatility, and can change models quickly.

　　System design. According to the analysis of functional modules, the system is pided into four modules: program compilation, state monitoring, motion control and system debugging. The operation mode and business workflow of each functional module are designed in detail. At the same time, the design and implementation of the hardware module are tested to ensure the stable operation of the system.

　　This paper is to design and implement the automatic manufacturing system of humidifier water tank of Xiaoxiong Electric Appliance Co., Ltd. Xiaoxiong is the largest humidifier manufacturer in China. The implementation of the automation system has a benchmark role for enterprises and the industry. It is the first time to realize automation in the humidifier manufacturing industry, which is innovative.

　　At the same time, after the success of the system, the enterprise can be extended to other products, so as to greatly improve economic benefits and promote the transformation of enterprise manufacturing.

　　Key words: automation, PLC, manipulator, manufacturing transformation

目錄

　　第一章 緒 論

　　1.1 研究工作的背景與意義

　　1.1.1 研究工作的背景

　　在當今世界上的人類(lèi)歷史文明發(fā)展過(guò)程當中，出現過(guò)幾次具有革命性、里程碑意義的重大工業(yè)革命，推動(dòng)社會(huì )不斷進(jìn)步，走上新的輝煌。其中，第一次是在18 世紀 60 年代的蒸汽機出現，推動(dòng)了機器的普及和發(fā)展，使得英國成為第一個(gè)工業(yè)國家。第二次是 19 世紀 70 年代發(fā)電機的出現，進(jìn)入了電氣時(shí)代。第三次是 20世紀 40 年代計算機的普及應用，推動(dòng)了自動(dòng)化的工業(yè)革命。21 世紀正在往新能源、智能化、人工智能方面發(fā)展[1]

　　,推動(dòng)新的技術(shù)革命。

　　自動(dòng)化是企業(yè)經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程不斷追求的目標[2],1946 年美國福特公司提出了自動(dòng)化的概念，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，結合現代控制理論、電子技術(shù)、計算機集成系統、PLC[3]、機器人等，呈現了多元化的發(fā)展態(tài)勢，表現為系統化、柔性化、智能化、集成化。制造領(lǐng)域的自動(dòng)化是世界上各個(gè)國家，各類(lèi)制造企業(yè)的重點(diǎn)研究方向，是國家和企業(yè)發(fā)展的主要方向之一。它對提高我們的產(chǎn)品質(zhì)量，提升企業(yè)的綜合競爭力。例如：第一，可以切切實(shí)實(shí)的把我們的生產(chǎn)率提高；第二，同時(shí)可以明顯的降低生產(chǎn)成本；第三：強度降低，減輕生產(chǎn)員工的勞動(dòng)強度；第四：提高制造系統的敏捷性[4]、增強柔性，進(jìn)而提高企業(yè)的市場(chǎng)競爭能力、對促進(jìn)制造型企業(yè)轉型升級具有極其重要的意義[5].

　　早在 2013 年，在歐洲的老牌制造強國德國的漢諾威工業(yè)博覽會(huì )上，德國政府向全世界發(fā)布《德國 2020 高新技術(shù)戰略》，這個(gè)戰略當中內容相當豐富，其中最為重要的內容是：提出工業(yè) 4.0 的概念，其核心特征是互聯(lián)，推動(dòng)數據流動(dòng)自動(dòng)化。

　　工業(yè) 4.0 主要的含義是指進(jìn)一步利用物聯(lián)信息系統（Cyber-Physical System 簡(jiǎn)稱(chēng)CPS），將我們企業(yè)生產(chǎn)運作中的研發(fā)、供應鏈，內部制造以及前段銷(xiāo)售的信息數據化、智慧化，并且高效的連接用戶(hù)，準確的把握用戶(hù)的需求，最后達到快速，有效，個(gè)性化的產(chǎn)品供應的目的。

　　隨后，在 2015 年，中國政府發(fā)布了《中國制造 2025》的發(fā)展綱要，在這個(gè)綱要當中，旗幟鮮明的提出發(fā)展的基本方針："創(chuàng )新驅動(dòng)，質(zhì)量為先，綠色發(fā)展，結構優(yōu)化，人才為本" [6].首次在國家層面提出了要圍繞實(shí)現制造強國的戰略目標，明確了 9 大戰略任務(wù)和重點(diǎn)內容，也同步提出了 8 個(gè)方面的戰略支撐和保障計劃。

　　制造業(yè)是中國經(jīng)濟的重要支撐點(diǎn)和發(fā)力點(diǎn)，是發(fā)展的主體，沒(méi)有強大領(lǐng)先的制造業(yè)，就沒(méi)有國家的強盛和富強。

　　近幾年以來(lái)，無(wú)論是從國外還是國內，都在持續的推進(jìn)智能制造。尤其是中國的制造業(yè)，在 80、90 年代開(kāi)始逐步大規模的發(fā)展起來(lái)，依靠著(zhù)低端的人力成本，迅速的從低端的產(chǎn)業(yè)中發(fā)展起來(lái)，其本質(zhì)是大規模制造，低成本分銷(xiāo)。在 2008 年金融危機以后，制造業(yè)的發(fā)展模式發(fā)生了巨大的變化，過(guò)去賴(lài)以發(fā)展的優(yōu)勢逐步喪失，過(guò)去靠低成本競爭的弱點(diǎn)逐步暴露出來(lái)。因此，傳統的模式失效了，在新時(shí)期下的制造轉型升級路徑是怎樣，值得企業(yè)家去思考。作為制造業(yè)，首先還是要有成本優(yōu)勢。通過(guò)各種方法去建立新的成本優(yōu)勢，這個(gè)新的成本優(yōu)勢建立過(guò)程是立體的，全面的，系統的[7].其中有一點(diǎn)就是制造的自動(dòng)化。因此，中國的各級政府、各類(lèi)型的企業(yè)都在思考自動(dòng)化的實(shí)施。

　　1.1.2 研究工作的意義

　　改革開(kāi)放幾十年以來(lái)，我們依賴(lài)著(zhù)人口紅利、勞動(dòng)力優(yōu)勢得以發(fā)展，跟西方發(fā)達國家的制造水平相差甚遠，制造現場(chǎng)混亂、浪費大，產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證，不良率高。因此，制造的精益化、自動(dòng)化、數字化、智能化是發(fā)展的必經(jīng)之路[8].因此，對于小熊電器以生產(chǎn)小家電的企業(yè)來(lái)說(shuō)，必須跟隨國家的發(fā)展趨勢，提升企業(yè)的制造力。因此，本項目研究實(shí)施的主要意義有以下幾方面：

　　1、實(shí)施自動(dòng)化是制造轉型升級的路徑。隨著(zhù)公司的發(fā)展規模壯大，生產(chǎn)產(chǎn)品的數量不斷增多，為了適應新時(shí)期市場(chǎng)的需求，快速響應顧客的需求，必須實(shí)施自動(dòng)化生產(chǎn)制造[9]. 2、具有示范性、標桿性的作用。公司有五個(gè)工廠(chǎng)，組裝生產(chǎn)線(xiàn)有五十條，部裝生產(chǎn)線(xiàn)三十多條，絕大部分都是傳統的手工作業(yè)，靠人工操作完成的。因此，本課題的研究對企業(yè)的標桿性示范性起到促進(jìn)作用。

　　3、具有促進(jìn)產(chǎn)品標準化改善的作用。要實(shí)施自動(dòng)化制造，產(chǎn)品的外觀(guān)尺寸不能過(guò)度變化，不能過(guò)于差異化。否則不便于批量生產(chǎn)提升效率，不便于換型號生產(chǎn)。因此可以倒逼前段開(kāi)發(fā)進(jìn)行產(chǎn)品設計標準化。

　　4、減員增效，品質(zhì)保證，提升用戶(hù)滿(mǎn)意度。通過(guò)加濕器水箱自動(dòng)化系統的設計與實(shí)施，減少生產(chǎn)員工的操作不穩定性，減少運輸，從而提升品質(zhì)穩定性，提高用戶(hù)滿(mǎn)意度。

　　1.2 國內外的現狀分析

　　隨著(zhù)機電、計算機、機器人、PLC 等多方面的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，各個(gè)行業(yè)、領(lǐng)域都在探索自動(dòng)化及自動(dòng)化系統的設計與實(shí)施[10] .在中國家電制造業(yè)以產(chǎn)品力提升為核心的轉型升級大潮來(lái)臨，如何更好地保證產(chǎn)品穩定性、提高生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品下線(xiàn)率、提高產(chǎn)品工藝品質(zhì)，成為擺在家電產(chǎn)業(yè)鏈中所有企業(yè)必須面臨的課題。

　　國外現狀：世界上工業(yè)發(fā)達，技術(shù)領(lǐng)先的國家特別注重自動(dòng)化的研究和資金的投入，布局也比較早。智能制造這個(gè)概念自從 20 世紀 80 年代末提出以來(lái)，世界各國都對智能制造的實(shí)施路徑進(jìn)行了探索，并且投入專(zhuān)家進(jìn)行系統的全面研究，智能制造技術(shù)是首先要研究的對象[11] ,通過(guò)對制造技術(shù)的探索，可以實(shí)現滿(mǎn)足經(jīng)濟全球化和社會(huì )產(chǎn)品需求差異化的變化。因此，智能制造技術(shù)集成應用的環(huán)境- -智能制造系統被提出。從二十世紀八十年代末期開(kāi)始，亞洲先進(jìn)的制造強國已經(jīng)開(kāi)始探索如何實(shí)施和推動(dòng)智能制造系統，主要的內容包括：第一，公司集成和全球制造、第二：制造領(lǐng)域知識體系[12]、第三：分布式智能系統控制原理、第四：產(chǎn)品快速實(shí)現的分布智能系統控制技術(shù)等。

　　世界主要工業(yè)化發(fā)達國家美國，德國，日本是自動(dòng)化領(lǐng)域探索的標桿，他們走在自動(dòng)化領(lǐng)域的最前沿。他們都是把智能制造作為重振制造業(yè)戰略的重要舉措。

　　各個(gè)國家都經(jīng)歷了不同程度的金融危機沖擊，各政府在經(jīng)濟下滑或經(jīng)濟復蘇的過(guò)程中，在尋求危機解決方案的過(guò)程中，美國、德國、日本等政府和相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家、專(zhuān)業(yè)人士紛紛提出通過(guò)發(fā)展智能制造來(lái)重振制造業(yè)。以日本為例，在第二次世界大戰結束后，日本工業(yè)處于重振發(fā)展的起點(diǎn)，市場(chǎng)的需求模式由二戰前的大規模生產(chǎn)轉變?yōu)槎鄻踊�、個(gè)性化的需求方式。為此，以豐田為代表的企業(yè)著(zhù)重研究精益生產(chǎn)模式，致力于減少浪費，推動(dòng)精益化，自動(dòng)化。同時(shí)，家電業(yè)的集成電路也是高速發(fā)展，在汽車(chē)制造業(yè)、家電制造業(yè)的發(fā)展中，自動(dòng)化的實(shí)施使得日本企業(yè)的成本、效率、庫存周轉率等方面得到大幅度改善。在發(fā)展的中后期，機械手、機器人也逐步得到普遍的應用。

　　工業(yè)較為發(fā)達的國家，在汽車(chē)、重工業(yè)、家電、電氣，電機，PCB 等行業(yè)的自動(dòng)化應用較為成熟，而且走在各個(gè)行業(yè)的前列。例如：西門(mén)子實(shí)現多品類(lèi)的工控機混流生產(chǎn)，施耐德開(kāi)關(guān)實(shí)現制造和包裝過(guò)程全自動(dòng)化，豐田汽車(chē)多種型號實(shí)現全自動(dòng)混流生產(chǎn)。機器人，機械手，AGV,懸掛鏈，自動(dòng)物流等多方式的應用是非常常見(jiàn)。其中，家電領(lǐng)域的部件自動(dòng)化裝配，螺釘固定的自動(dòng)化，運輸周轉的自動(dòng)化，包裝的自動(dòng)化。從單點(diǎn)的自動(dòng)、單工位的自動(dòng)化，逐步發(fā)展到多工序，整線(xiàn)的自動(dòng)化。從工件表面涂裝到金屬表面拋光加工到總裝裝配，各個(gè)領(lǐng)域的應用非常的成熟。

　　國內現狀：與此同時(shí)，隨著(zhù)中國 GDP 的逐年增長(cháng)，綜合國力的增強，人民群眾的生活水平逐年提升。因此，勞動(dòng)力成本持續上升、人員管理難度進(jìn)一步的持續增加。制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等曾經(jīng)賴(lài)以生存的人口紅利正在逐步減弱，那么，如何控制企業(yè)的綜合成本，特別是勞動(dòng)力成本，提高制造和服務(wù)的效率、產(chǎn)值，是另一道亟需解決的難題。

　　首先，國內大部分的中低端制造加工企業(yè)由于人力成本相比設備的投入成本更加節省，比如部分地區中小企業(yè)的工資相對較低，社保、公積金等方面的福利沒(méi)有完成執行到位，因此較多的中小企業(yè)仍然采取人海戰術(shù)。其次，由于生產(chǎn)的產(chǎn)品訂單多樣化，整體的制造管理系統較為薄弱，現場(chǎng) 5S 管理薄弱，遠遠未達到精益化生產(chǎn)，自動(dòng)化的導入無(wú)法啟動(dòng)實(shí)質(zhì)性的作用。再次，相關(guān)的管理人員，技術(shù)人員缺乏，對設備、自動(dòng)化的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才缺乏，自動(dòng)化思考非常薄弱。最后，國內的制造業(yè)特別是小家電的制造業(yè)快速發(fā)展，競爭激烈，利潤逐步縮減，經(jīng)營(yíng)環(huán)境發(fā)生巨大變化，使得中小企業(yè)管理者對自動(dòng)化投入的意愿降低。

　　家電業(yè)的制造自動(dòng)化之路，正如火如荼展開(kāi)，國內家電的龍頭企業(yè)美的、海爾、格力、格蘭仕、TCL 等紛紛上馬自動(dòng)化、智能化。截止 2015 年，美的相繼投入超過(guò) 1000 臺機器人，制造自動(dòng)化投資超過(guò) 20 億，同時(shí)與國外機器人日本川崎、德國庫卡等知名企業(yè)合作，研究制造、物流自動(dòng)化項目。家電業(yè)的老牌海爾在國內已有四個(gè)互聯(lián)工廠(chǎng)投入使用，部分區域實(shí)現所謂的黑燈工廠(chǎng)意味著(zhù)不用人員看守，由機器人全程自動(dòng)化的完成產(chǎn)品的生產(chǎn)制造；國內微波爐的領(lǐng)跑者格蘭仕繼去年投 30 億元改造中山微波爐生產(chǎn)基地后，2018 年 6~7 月份還將引進(jìn)洗衣機全自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，打造自動(dòng)化標桿品類(lèi)[13];中山奧馬電器的冰箱項目也在籌建自動(dòng)化程度達 70%的工廠(chǎng)，也將在 2018 年 7 月投產(chǎn)使用。

　　無(wú)論是國內還是國外，在探索自動(dòng)化、智能制造的時(shí)候，其基本框架如圖 1-1所示：

　　1.3 項目來(lái)源與研究實(shí)施內容

　　1.3.1 項目來(lái)源

　　小熊電器股份有限公司，創(chuàng )立于 2006 年，總部設在廣東省佛山市順德區，小熊公司在順德勒流、均安、大良等范圍內有五大工廠(chǎng)，是集研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售為一體的企業(yè)。公司伴隨著(zhù)國內電子商務(wù)的這個(gè)大環(huán)境發(fā)展而取得高速的增長(cháng)，在發(fā)展過(guò)程中，逐步研究開(kāi)發(fā)新品類(lèi)，各類(lèi)產(chǎn)品在國內市場(chǎng)有較高的市場(chǎng)占有率，憑借對用戶(hù)需求的不斷挖掘，對生活場(chǎng)景的妙想和思考，個(gè)性化的產(chǎn)品設計、豐富多彩的產(chǎn)品線(xiàn)以及卓越的營(yíng)銷(xiāo)管理模式，公司的規模年均復合增長(cháng)率達 50%以上。

　　2018 年公司銷(xiāo)售額度達到 25 億人民幣。目前主要產(chǎn)品有養生壺、加濕器、電燉盅、電熱飯盒、豆芽機、電蒸鍋、酸奶機等三十個(gè)品類(lèi)，生產(chǎn)線(xiàn)的數量達到 50條，員工達到 3000 人， 2018 年產(chǎn)量達到 2500 萬(wàn)臺。隨著(zhù)市場(chǎng)競爭的進(jìn)一步加劇，隨著(zhù)電子商務(wù)流量的發(fā)展趨向理性和平穩。家電企業(yè)的競爭最終回歸到品牌力、產(chǎn)品力、渠道力、制造力，其中在制造力提升的過(guò)程中，公司重點(diǎn)策略在精益生產(chǎn)的體系構建，在發(fā)展轉型過(guò)程面臨以下幾方面的影響：

　　1、企業(yè)用工成本進(jìn)一步加大。一方面，中國經(jīng)濟迅速崛起，改革開(kāi)放幾十年以來(lái)，過(guò)去重點(diǎn)依賴(lài)的人口紅利，依靠勞動(dòng)力低成本的方式已經(jīng)行不通。隨著(zhù)經(jīng)濟格局的變化，社會(huì )的發(fā)展，這種勞動(dòng)紅利的優(yōu)勢正在喪失，尤其是東部沿海發(fā)達地區珠三角、長(cháng)三角等區域表現更為明顯。另一方面，小熊企業(yè)正在謀和國內資本市場(chǎng)布局，登陸 A 股市場(chǎng)。

　　2、公司生產(chǎn)員工的主力發(fā)生變化。80 后、90 后他們作為勞動(dòng)力市場(chǎng)的新一代，與 60 年代、70 年代的老一代相比，呈現出全新的特點(diǎn)。一是得益于國家的教育事業(yè)發(fā)展，這批人員受教育程度明顯提高，同時(shí)，家里條件相對優(yōu)越，吃苦比較少，職業(yè)期望值也相應提高。二是自我意識明顯增強，追求個(gè)性化，展示自身的特征，找工作的時(shí)候會(huì )注重工作環(huán)境及自我發(fā)展前景，更注重精神文化方面的追求，尋求體面的工作。三是實(shí)干精神明顯不如前輩，消費價(jià)值觀(guān)完全相反，每月的工資消費比較大，對職業(yè)追求的方向和能力不強。

　　3、員工的地域流向發(fā)生了變化。東部沿海地區比如：廣東、福建、浙江、江蘇、上海等地區率先發(fā)展，吸引了大量?jì)鹊氐膭趧?dòng)力流入，使得各個(gè)行業(yè)蓬勃發(fā)展，特別是制造業(yè)。近幾年，國家從政策層面大力發(fā)展內地各個(gè)城市的產(chǎn)業(yè)，以及新農村的建設開(kāi)發(fā)，結合東部一些勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)向中西部轉移，比如深圳富士康就是一個(gè)典型例子。因此，內地的就業(yè)機會(huì )增多，再加上東部地區生活成本不斷攀升，綜合的收入與內地的差距逐步減小，這樣也就吸引了大部分外出務(wù)工的人員回流。

　　4、企業(yè)制造轉型升級路徑的探索。小熊是帶來(lái)很強的制造業(yè)特性的電商公司，有強大的制造體系，但是整體上較為落后，屬于勞動(dòng)密集型。因此，隨著(zhù)公司的發(fā)展壯大，需要跟隨外部環(huán)境的變化，需要在企業(yè)內部尋找突破口。本論文通過(guò)作者本人的實(shí)際工作相結合，選取加濕器水箱的制造進(jìn)行研究探索，為公司推進(jìn)自動(dòng)化制造提供參考借鑒意義。

　　1.3.2 研究實(shí)施內容

　　該項目利用自動(dòng)化技術(shù)與整體解決方案，對小熊加濕器水箱傳統的流水線(xiàn)裝配方式進(jìn)行優(yōu)化與整合，實(shí)現勞動(dòng)密集型向自動(dòng)化、智能型制造升級、向敏捷型制造轉型[14],形成在高質(zhì)量、高性能、低成本、顧客特定需求的驅動(dòng)下的高端制造能力，通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)改造，實(shí)現減人增效，提高產(chǎn)品的穩定性、一致性，減少生產(chǎn)過(guò)程中的作業(yè)不良，提升工廠(chǎng)軟實(shí)力，提升工廠(chǎng)柔性生產(chǎn)技術(shù)。

　　作者本人通過(guò)對企業(yè)的實(shí)際情況進(jìn)行充分的評估，重點(diǎn)對產(chǎn)品型號，生產(chǎn)細節，業(yè)務(wù)流程的現狀進(jìn)行探索，決定對小熊加濕器水箱自動(dòng)化制造的做系統設計與實(shí)施，主要通過(guò)生產(chǎn)設備集成、工序整合、工裝夾具的應用，整個(gè)方案希望把自動(dòng)化技術(shù)以及檢測技術(shù)的結合[14].

　　1.4 本論文的結構安排

　　本論文就小熊電器的加濕器水箱自動(dòng)化制造系統的設計與實(shí)施進(jìn)行深入全面的分析，分析各模塊的業(yè)務(wù)流程，本論文各章節的布局安排思路如下：

　　第一章：緒論，主要介紹本論文的實(shí)施背景、實(shí)施內容、完成之后的意義，分析描繪了國內外研究的現狀情況，以及本論文要研究設計的主要內容等。

　　第二章：基本理論和關(guān)鍵技術(shù)，主要介紹加濕器水箱自動(dòng)化制造系統的基本理論知識，所采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析探討。

　　第三章：系統需求分析，通過(guò)對加濕器生產(chǎn)制造系統的業(yè)務(wù)操作流程，系統流程的數據、相關(guān)操作環(huán)節的需求進(jìn)行匯總分析，提出系統總體的目標，應具備的功能模塊。

　　第四章：系統總體設計，對加濕器水箱自動(dòng)化制造系統的整體方案、硬件功能實(shí)現進(jìn)行全面的設計，以最終實(shí)施并應用。

　　第五章：對本論文進(jìn)行總體的總結與展望，并對今后的自動(dòng)化設計實(shí)施方向進(jìn)行探討展望。

　　第二章 基本理論和關(guān)鍵技術(shù)
　　2.1 基本理論
　　2.2 關(guān)鍵技術(shù)
　　2.2.1 機械手
　　2.2.2 可編程控制器（PLC）
　　2.3 本章小結

　　第三章 系統需求分析
　　3.1 水箱自動(dòng)化制造的業(yè)務(wù)現狀描述
　　3.2 功能需求分析
　　3.3 系統功能用例分析
　　3.3.1 程序編譯模塊
　　3.2.2 狀態(tài)監控模塊
　　3.3.3 運動(dòng)控制模塊
　　3.3.4 系統調試模塊
　　3.4 其它需求分析
　　3.5 本章小結

　　第四章 系統設計與實(shí)施
　　4.1 總體設計
　　4.1.1 系統設計的理念
　　4.1.1 系統設計與實(shí)施的總目標
　　4.1.2 系統設計與實(shí)施的原則
　　4.2 系統主要功能模塊設計
　　4.2.1 程序編譯模塊設計
　　4.2.2 運動(dòng)控制模塊設計
　　4.3 系統數據庫設計

　　4.4 程序編譯模塊業(yè)務(wù)流程設計
　　4.4.1 打開(kāi)文件
　　4.4.2 文件保存和新建文件
　　4.4.3 鎖定按鍵狀態(tài)
　　4.4.5 系統參數設置
　　4.4.6 流程配置
　　4.4.7 語(yǔ)言選擇

　　4.5 顯示窗口模塊設計
　　4.5.1 視野選擇
　　4.5.2 軌跡
　　4.5.3 機械手位置點(diǎn)參數
　　4.6 運動(dòng)控制模塊設計
　　4.6.1 手動(dòng)運動(dòng)控制
　　4.6.2 位置監控和大臂小臂的單獨控制
　　4.6.3 電機使能和輸出端口調試
　　4.6.4 流程配置關(guān)鍵點(diǎn)下載和位置調試
　　4.6.5 加工、下載文件和清除報警控制

　　4.7 系統調試模塊設計
　　4.7.1 機械手狀態(tài)調試
　　4.7.2 輸出端口狀態(tài)調試
　　4.7.3 位置點(diǎn)測試
　　4.7.4 加工速度和轉矩限制調節
　　4.8 系統的啟動(dòng)和停止模塊設計
　　4.8.1 機械手啟動(dòng)加工模塊設計
　　4.8.2 機械手的停止和報警清除模塊設計

　　4.9 一般故障分析和處理設計
　　4.9.1 伺服電機報警設計
　　4.9.2 編碼器失電故障清除設計
　　4.9.3 原點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)位置設置設計
　　4.9.4 其他報警處理
　　4.10 硬件設計
　　4.10.1 各部分功能設計
　　4.10.2 整體布局圖設計
　　4.6 本章小結

　　第五章 系統測試
　　5.1 測試環(huán)境準備
　　5.1.1 測試硬件環(huán)境的準備
　　5.1.2 測試數據的準備
　　5.2 測試流程與實(shí)施方案
　　5.3 安全性測試
　　5.4 本章小結

第六章 全文總結與展望

　　6.1 系統設計與實(shí)施總結

　　在經(jīng)過(guò)接近一年時(shí)間的分析、設計與實(shí)施，加濕器水箱自動(dòng)化制造系統調試穩定并投入使用。各個(gè)企業(yè)在自動(dòng)化制造領(lǐng)域的探索越來(lái)越多，本人根據軟件工程的基本要求，從學(xué)習調研并結合企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)實(shí)際的運作需求，并經(jīng)過(guò)多次討論和反復論證，找到具體的課題切入點(diǎn)。在查閱了相關(guān)的文獻、參考資料，對基本理論及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析之后，進(jìn)行需求分析和功能模塊設計與最后的實(shí)施。

　　在加濕器水箱自動(dòng)化制造系統設計過(guò)程的討論初期對各種技術(shù)方案進(jìn)行了風(fēng)險分析，成本分析，實(shí)用性分析，可靠性分析，最終選定本論文的方案。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)習到很多軟件工程開(kāi)發(fā)，自動(dòng)化，PLC 等方面的知識，系統開(kāi)發(fā)是一項整體性非常強，協(xié)調性非常高，邏輯性非常嚴謹的工作。考慮的內容涉及人員操作、物流、信息流、人機交互，安全等方面，在這個(gè)過(guò)程中，由于沒(méi)有太多參考的現成案例，需要結合企業(yè)的實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行突破，創(chuàng )新，建立行業(yè)首創(chuàng )的系統，為企業(yè)的轉型升級帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的案例。

　　該系統已經(jīng)投入工廠(chǎng)使用，實(shí)際效果良好，達到了預期的目的，單班人員由 9人為 3 人，小時(shí)產(chǎn)出由 350 個(gè)提升到 420 個(gè)，提升 20%;生產(chǎn)不良率由原來(lái)的 2.5%下降到 1.4%,不良率下降 44%;必要的時(shí)候還可以開(kāi)展夜班工作來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，在實(shí)現減人增效，提升品質(zhì)的同時(shí)，系統也存在需要進(jìn)一步完善的地方：

　　1、換型速度偏慢。系統當初在設計的時(shí)候考慮產(chǎn)品的通用性，盡量滿(mǎn)足銷(xiāo)量較大的產(chǎn)品型號，這樣可以把設備系統的利用率提高，充分發(fā)揮其價(jià)值。但是在加濕器生產(chǎn)淡季的時(shí)候，需要頻繁切換型號。對轉換型號生產(chǎn)的過(guò)程中，工裝夾具的調試時(shí)間偏長(cháng)。需要進(jìn)一步攻克解決。

　　2、系統的自動(dòng)化程度可以進(jìn)一步提升。在設計的初期，考慮系統的穩定性，第一個(gè)工序仍然采用人工輔助，最后一個(gè)工序也是采用人工輔助完成。通過(guò)系統設計實(shí)施驗證后，可以做到進(jìn)一步的自動(dòng)化替代。

　　3、機械手的穩定性比機器人相對要差，在加工部分形狀特殊的產(chǎn)品時(shí)，需要轉動(dòng)的角度、位移比較精密。在效率和精密要求的雙重疊加下，特殊形狀的產(chǎn)品對穩定性要求增加。因此，后續擴展新系統的時(shí)候可考慮用機器人替代機械手。

　　4、系統的外觀(guān)界面不夠美觀(guān)，人機交付的操作性可以進(jìn)一步的提高。

　　針對以上的不足之處，已著(zhù)手分析探討改善優(yōu)化方案。由于需要復制推廣，將在本系統的基礎上結合上述的不足進(jìn)行 2.0 版本的升級。

　　6.2 系統使用展望

　　加濕器水箱自動(dòng)化制造系統的設計與實(shí)施，屬于行業(yè)的首次應用。該系統大大的提高了生產(chǎn)效率，減少不良品，提高經(jīng)濟效益，提升企業(yè)的形象。通過(guò)系統程序編譯、狀態(tài)監控，運動(dòng)控制，系統調試四個(gè)模塊，很好的使得加濕器水箱自動(dòng)化制造過(guò)程順暢的運行。

　　該系統的設計與實(shí)施，為加濕器其它型號的水箱自動(dòng)化制造系統提供了示范性的效應，同時(shí)具有為企業(yè)的制造轉型升級提供了實(shí)施方向、基礎技術(shù)等重大意義。

致謝

　　在攻讀軟件工程碩士期間，感謝學(xué)校提供了良好和嚴謹的學(xué)習氛圍，對軟件工程開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的知識進(jìn)行了系統的、全面的學(xué)習，收獲良多，感謝電子科技大學(xué)所有老師。

　　在畢業(yè)論文的撰寫(xiě)形成的過(guò)程中，感謝我的導師彭倍教授的耐心、專(zhuān)業(yè)的指導，提出了寶貴的修改意見(jiàn)。感謝企業(yè)導師全永兵博士，為我的畢業(yè)論文設計與實(shí)施提供了支持和方向性的引導。同時(shí)，感謝企業(yè)在系統的設計與實(shí)施應用過(guò)程相關(guān)同事的大力配合，使得系統成功的、順暢的完成設計與實(shí)施應用。

　　感謝這一路上給予支持、幫助的老師、同事們！

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