摘要：
智能機器人在凈水行業(yè)的應用是一個新的領域，不僅為工業(yè)機器人提供了新的增長點，對于凈水設備生產(chǎn)行業(yè)也將產(chǎn)生了巨大的提升作用。本文簡述了部分凈水設備的生產(chǎn)過程，介紹了上海福賽特機器人有限公司基于智能工業(yè)機器人設計的凈水濾芯自動裝配線，對工業(yè)4.0背景下的智能化工廠進行了展望。本文對于機器人應用領域的拓廣和凈水行業(yè)自動化程度提高具有重要的理論價值和實踐意義。
關鍵詞：
工業(yè)機器人、凈水行業(yè)、智能制造、應用
一、引言
水利部近期公布的數(shù)據(jù)顯示，目前中國水庫水源地水質有11%不達標，湖泊水源地水質約70%不達標，地下水水源地水質約60%不達標。近10年來中國水污染事件高發(fā)，水污染事故近幾年每年都在1700起以上。全國城鎮(zhèn)中，飲用水源地水質不安全涉及人口1.4億人[1]。隨著對生活品質要求的不斷提升，水污染和水質差等問題越來受到重視，凈水設備等產(chǎn)品也因此受到市場熱捧，在家庭、學校、企業(yè)、政府機關等得到廣泛推廣，銷售增長率遠遠超過家電行業(yè)平均水平，成為小家電中的朝陽產(chǎn)業(yè)[2,3]。
市場上典型的家用凈水機由四到五級濾芯依次相連組成，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，并保留其中的礦物質。凈水機濾芯壽命較短，如PP棉濾芯的壽命為1~3個月，活性炭的壽命為6個月，需要及時更換。
濾芯這種消耗品是凈水設備廠商生產(chǎn)的主要產(chǎn)品之一，但根據(jù)調研，目前國內凈水濾芯生產(chǎn)自動化程度低，大多靠人工生產(chǎn)，僅有少部分廠商實現(xiàn)了半自動化，生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質量無法保證；而一些國外廠商雖然使用專機實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，但是設備價格昂貴，靈活性差，難以在國內廠商中推廣。旺盛的市場需求，和國內勞動力的短缺和人力成本的上升，給凈水設備生產(chǎn)企業(yè)帶來了不小的壓力，在這種形勢下，上海福賽特機器人有限公司針對凈水設備的生產(chǎn)，創(chuàng)新性地為國內某知名廠商提供了基于智能工業(yè)機器人的一站式解決方案，達到了良好的效果。
二、工業(yè)機器人的發(fā)展與現(xiàn)狀
工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機械裝置，能夠完成自動定位控制、可重復編程。自從1959年首臺工業(yè)機器人在美國誕生至今，在全世界共售出300多萬臺工業(yè)機器人，在制造型企業(yè)中代替人工完成各種勞動強度高、單調重復、危險性高、勞動環(huán)境差的各種工作，如焊接、裝配、檢測、噴涂、搬運、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)過幾十年的發(fā)展，歐美和日本等發(fā)達國家的工業(yè)機器人已發(fā)展的較為成熟，形成了Fanuc、ABB、Kuka和安川電機等數(shù)家行業(yè)龍頭和一批先進的機器人品牌，壟斷了國內90%的工業(yè)機器人市場。我國機器人產(chǎn)業(yè)起步較晚，但受益于國內巨大的市場需求和國家政策支持，國內機器人產(chǎn)業(yè)在近年來也有了明顯的進步，形成了一批機器人制造企業(yè)和系統(tǒng)集成應用商。工業(yè)機器人和以工業(yè)機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，應用領域不斷拓寬，為傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)升級提供設備和技術支撐。
隨著我國人口紅利的逐漸消失，傳統(tǒng)的勞動密集型制造企業(yè)面臨著用工難、用工貴的難題，亟待進行自動化升級改造。2015年，國務院印發(fā)了《中國制造2025》，提出了制造戰(zhàn)略計劃，推進實施制造強國戰(zhàn)略計劃，以推進智能制造為主攻方向，給機器人制造及應用行業(yè)指出了方向。上海福賽特機器人有限公司是一家專注于機器人研發(fā)和應用的高科技企業(yè)，以工業(yè)機器人獨有技術為核心，致力于工業(yè)機器人的創(chuàng)新性研發(fā)；以豐富的行業(yè)應用經(jīng)驗，致力于為客戶提供整體解決方案，引領高端制造和智能制造的轉型步伐。福賽特機器人自主研發(fā)的FR-i3C700機器人，如圖 1所示，在速度、精度、荷重比以及智能化集成和應用等各項性能指標上達到國際先進水平。
圖 1 FR-i3C700機器人
三、智能機器人在凈水行業(yè)的典型應用案例
在凈水設備生產(chǎn)中包括了凈水濾芯制造、凈水機裝配、包裝、倉儲等。其中，多種濾芯的制造過程并不相同，如活性炭濾芯的生產(chǎn)包括：內芯外殼上下料、超聲波焊接、注粉、O型圈裝配、貼標簽、真空包裝等過程；PP棉濾芯的生產(chǎn)過程包括PP棉撕棉、O型圈裝配、旋熔焊接、O型圈裝配、檢測、真空包裝；RO膜濾芯的生產(chǎn)過程包括裁切膜片、折疊膜片、打膠、卷膜、切割、裝配、檢測、包裝。雖然凈水行業(yè)具有高度的標準化要求，但根據(jù)目前市場考察，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RO膜濾芯的裝配檢測過程，設計了FST-RO模塊化自動裝配線，為客戶打造一站式解決方案。裝配檢測和包裝過程又可以細分為：裝O型圈、氣密性檢測、裝擋水圈、纏膠帶、噴碼貼標和信息處理等過程，我們采用模塊化設計，通過多個基于機器人的標準化工作站實現(xiàn)各個工藝過程，如圖 3所示。每個標準化工作站模塊具有獨立的功能、標準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，調整方便、快捷。工作站基于具有視覺能力的智能六自由度機器人搭配輔助機構，能夠根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝區(qū)分工件的差異，實現(xiàn)產(chǎn)線的智能化，并具有較高性價比。
圖 3 RO膜濾芯裝配檢測和包裝過程
3.1O型圈自動裝配工作站。
O型圈自動裝配工作站如圖 3所示，主要有一臺六自由度工業(yè)機器人及輔助機構組成，負責實現(xiàn)濾芯自動上料、O型圈自動裝配等工序，工作站運行狀態(tài)可以通過數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)在面板顯示。在經(jīng)過卷膜、切割工序后，濾芯本體制造已經(jīng)初具雛形，通過物料小車輸送到O型圈自動裝配工作站附近，通過RFID讀取濾芯信息，具有力覺感知能力的六自由度智能機器人自動抓取濾芯，完成翻轉上料，濾芯通過工裝板限位并通過定位工裝進行精準定位，確保O型圈順利裝配；同時O型圈通過振動盤自動來料，通過輔助機構固定，雙機構配合完成裝配過程。系統(tǒng)配有獨立的控制面板，方便的進行程序切換，并顯示裝配數(shù)量信息、完成情況信息等。
圖 4 O型圈自動裝配工作站 圖 5 氣密檢測工作站
3.2氣密檢測工作站
在O型圈裝配之后，進行氣密性檢測是一項重要工序，是濾芯質量的重要保證。氣密檢測工作站同樣采用力覺感知能力的六自由度智能工業(yè)機器人，如圖 4所示，將濾芯直立插入氣密工裝，通過堵漏機構下壓測試裝配O型圈后濾芯的氣密性。多檢測工位同時進行，每只濾芯檢測約耗時15秒，各氣口氣密性檢測進度、結果實時反饋到面板上，檢測完成后，機器人自動將合格品交給下一個工作站進行下一道工序，次品則單獨分揀到次品料倉內。
3.3擋水圈裝配工作站
濾芯的擋水圈同樣采用振動料盤的來料方式，通過二維模組機械手取放料；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)品需要進行調節(jié)。
3.4纏膠帶、貼標工作站
在完成濾芯的初步裝配之后，需要進行纏膠帶、噴碼貼標等包裝前的最后工作。濾芯使用上下頂升對齊機構，保證濾芯軸線與旋轉中心重合，并帶動濾芯勻速轉動，將膠帶纏在濾芯上。之后，采用在線噴碼的方式，給每個濾芯以唯一的編碼，實現(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工作，可進行真空包裝及相應的信息處理，結束整個生產(chǎn)過程。
整個裝配過程實現(xiàn)了信息化和全自動化，生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質量好、生產(chǎn)信息實時反饋并可追溯，終端使用有安全保證，滿足FDA、國務院食品安全委員會標準和ISO9001認證要求。
此外，標準化機器人工作站還具有更廣泛的應用，如濾芯的超聲波焊接、注粉和包裝、凈水機整機的裝配、包裝、倉儲。多種自動化的生產(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、凈水設備智能化生產(chǎn)工廠
工業(yè)4.0的核心是“智能+網(wǎng)絡化”，通過虛擬-實體系統(tǒng)構建智能化工廠，實現(xiàn)智能制造的目標[6~8]。智能化工廠以“智能化”為核心，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化為主要特征，在數(shù)字化工廠的基礎上，建立信息化管理系統(tǒng)，綜合物聯(lián)網(wǎng)技術和設備監(jiān)控技術，通過信息互聯(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ERP平臺和MES管理系統(tǒng)，建立的凈水設備生產(chǎn)管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)大數(shù)據(jù)對市場上的需求情況進行分析，為生產(chǎn)決策提供依據(jù)。 通過網(wǎng)絡獲取工廠內各個執(zhí)行系統(tǒng)反饋回的生產(chǎn)和物流信息，是管理者能夠對生產(chǎn)狀況有清晰明了的掌握，并進行全方面管控。
智能物流系統(tǒng)通過傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息網(wǎng)絡，整合社會及工廠內物流資源，進行統(tǒng)籌安排，提高現(xiàn)有設備的資源配置效率，使物料快速高效地送達需求地，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)機器人為代表智能化設備，包括各種智能傳感器、控制器、信號和指示面板等。各種智能化的設備有機地組成的制造單元，例如典型的標準化的工作站，每個生產(chǎn)單元都具備智能化、自動化生產(chǎn)能力，如前文所介紹的濾芯的自動裝配、檢測、分揀和噴碼等工作站，通過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，并實時反饋狀態(tài)信息，保證每一個產(chǎn)品信息的可追溯性。
多個生產(chǎn)單元通過信息互聯(lián)網(wǎng)絡進一步構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)。通過配置網(wǎng)絡化的信息管理系統(tǒng)，與生產(chǎn)管理系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進行智能協(xié)同作業(yè)，根據(jù)生產(chǎn)決策，實現(xiàn)全工廠的自動化智能化生產(chǎn)。
智能生產(chǎn)和智能化工廠是當代制造業(yè)的發(fā)展趨勢，尤其是在當前各國制造業(yè)都尋求升級的背景下，傳統(tǒng)的制造業(yè)將面臨“洗牌”，智能化將引領新一輪的制造業(yè)革命。
五、結束語
面臨著國外機器人廠商的在傳統(tǒng)應用行業(yè)壟斷地位，國內機器人企業(yè)需要積極拓展機器人的應用領域，以在市場站穩(wěn)腳跟。凈水行業(yè)作為家電行業(yè)中的朝陽領域，在近年來發(fā)展勢頭迅猛。基于工業(yè)機器人，為凈水設備生產(chǎn)商打造智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，建造智能化工廠，對國內機器人行業(yè)和凈水行業(yè)而言可以達到雙贏的效果。
上海福賽特機器人有限公司在這一領域進行了卓有成效的探索，針對凈水濾芯的裝配工藝，基于智能工業(yè)機器人設計了一套模塊化的柔性生產(chǎn)線，實現(xiàn)整個加工過程的智能化和全自動化，提高了凈水濾芯生產(chǎn)的效率和質量，幫助凈水企業(yè)解決人力成本上升和自動化改造的難題。在智能化生產(chǎn)線的基礎上，本文對智能化生產(chǎn)工廠進行了構思，探討了以信息管理系統(tǒng)為中心的網(wǎng)絡化制造、物流和生產(chǎn)管理系統(tǒng)。在中國制造2025和工業(yè)4.0不斷推進的背景下，對于智能制造系統(tǒng)應用和智能化工廠的有效探索，對于自動化行業(yè)和凈水行業(yè)的發(fā)展都具有重要的推動作用。
