传统人工生产线的自动化改造思路与关键技术研究

金 艳，齐 威

(大连工业大学，辽宁 大连 116034)

0 引言

随着科学技术的不断进步，我国的劳动生产模式发生了很大的转变，很多行业为进一步提高劳动生产效率，纷纷引进了机械化生产线的作业模式，使各个工序之间形成有序衔接，有利于生产成本的控制和生产品质的提升，同时也使各个工序各司其职，使生产、质检、包装等过程有序实施。很多早期引进生产线作业模式的企业，由于当时的自动化技术应用不广泛，生产线技术多在机械功能方面进行设计，使早期的机械化生产线的各个工序需要人工进行配合才能完成，生产线的更多作用在于运输、定位及其他辅助功能，使企业对人力资源的需求量仍非常高，造成了用工成本上涨和劳动力负担。随着自动化技术逐渐成熟且在生产线上进行应用，新的生产线产品具有了典型的自动化与智能化特点，为进一步提高传统生产线的自动化水平，在原有技术的基础上进行自动化设计和升级是十分必要的。

1 机械化生产线特点与种类

机械化的生产线技术已经经历了很长的发展时期，其技术特点从早期的辅助性作业逐渐向全部自动化甚至智能化方向转变，从目前的生产线应用情况来看，不同的阶段具有各自的典型化特点，根据生产线设备的自动化程度，可将机械化生产线分为以下几大类：(1)生产线仅能实现物料的定向输送等功能，对于原料放置、产品加工、产品包装、产品集中存放等工作均需要人工干预；(2)生产线既能实现物料的自动化输送还能实现产品的自动化加工功能，但是在原料放置、产品包装、产品集中存放等方面仍需要人工干预；(3)生产线能够实现原料放置、输送、自动加工、自动包装、集中存放等功能，但不具备信息记录、故障检测、产品质检等功能，以上工作需人工参与完成；(4)生产线具有较高的智能化程度，既能完成传统的人工投放料、生产制造、包装、产品存放等工作，还能利用生产线进行质量检验、数据存储等工作，从而提高质检、仓储的工作效率。

2 传统生产线的自动化改造原则

机械生产线的自动化改造是根据不同的生产线技术特点实施的，例如上文提及的四类生产线，前两类的改造重点在于生产过程的全程自动化，而第三类生产线则是自动化功能的进一步丰富，机械化生产线的改造是遵循生产线技术的发展过程，在充分考虑生产厂家经济状态的情况下，将一二类生产线逐渐升级为三类生产线，再考虑技术和功能的进一步提升。传统的机械化生产线改造应以以下原则为出发点。

(1)降低生产过程的劳动强度。机械自动化技术的主要目的之一就是通过机械来替代繁重的体力劳动，尤其是完成物料输送、搬运及重复性的动作，并避免传统生产过程对人身安全和健康造成的威胁。例如在化肥、药剂等生产场所，利用将传统的人工混料、人工监测等长时间、重复性工作通过自动化设备完成，既减少人工接触的危险，又能降低劳动强度。

(2)提高产品的生产效率。通过对传统生产线的改造，利用传感器、视觉系统等代替人工定位，实现机械化生产各工序反应时间的提高，再在生产输送过程中增设质量检测、自动包装、自动码垛等机械装置和功能，使生产各个工序实现合理化设计，生产过程进一步整合，促进生产效率的提升。

(3)降低生产经营成本。通过对传统机械化生产线的自动化改造，提高产品生产的质量控制水平，有效降低人工操作产生的失误、误差等问题，降低生产的废品率；通过自动故障检测技术降低生产线的故障发生率，降低大故障对生产工期的影响，降低误工损失；有效减少对用工人数的依赖，自动化生产有效替代人工作业，实现用工数量最优化，人员雇佣成本进一步降低。

3 自动化改造关键技术

3.1 计算机辅助机电一体化设计

根据生产线实际情况进行现场测绘工作，将现有设备的外形尺寸、功能特点进行记录，并记录其在生产车间内的布局情况，形成生产车间现阶段的设备布局方案记录，并同时记录车间内的电源位置和建筑布局情况。利用CAD软件进行车间的设备重新布局与新增功能设计与布局，形成初始的改造设计方案。再利用CAD、SolidWorks等设计软件和PLC等功能设计软件对原有设备进行自动化方面的改造设计，其中包括在原有机械结构上增设填料、包装、加工、质检等机械功能结构或装置，并设计针对新功能的传感器、视觉检测、重力检测等功能及位置布局，利用PLC程序形成各个工位自动化功能的实施流程，实现对所有流程的检测控制。此外，针对已经完成的功能设计和布局，重新设计生产车间内部的电源箱位置、控制箱位置、设备地基情况、设备接地点的布局，使设备布局与基础设施实现匹配。

3.2 电气控制技术

根据总体的改造方案展开电气控制方面的设计与硬件选型等工作，以传统人工操作向自动化转型为出发点，考虑如何利用先进的检测与控制原件和相关设备更好地替代人工作业，并实现各个工序之间的良好衔接。电气控制技术的实施通常以PLC为核心，现阶段的PLC技术具有利用自身逻辑实现控制功能和高度自由化的可编程特点，在电气控制领域应用十分广泛。因此，根据总体布局的功能要求，设计PLC对自动化生产线功能执行的工艺流程是电气控制设计的首要工作，在设计过程中可同步进行控制元件和相关机械设备的选型，主要选型内容包括PLC主站、工控机、变频器、机器人控制系统等，并对总体方案中的传感器、视觉设备、机械臂产品进行复核，考虑其适用性和工作逻辑是否合理，并设计生产状态显示屏位置，利用工控机实现信息获取和功能控制。

3.3 传感器技术

传感器是自动化控制领域常用的信息获取与检测控制元件，在自动化生产上常用的传感器包括光线传感器、光栅传感器、接近传感器、计数器、重力传感器、速度传感器、转速传感器、金属检测器等，在进行传统生产线改造过程中，合理利用传感器技术能有效优化产品生产的各个过程，提高机械加工产品过程的精确度，并提高产品的生产质量，优化传统工作流程。例如在生产过程中利用光栅传感器进行产品定位，再配合PLC控制进行精确的产品加工，利用重力传感器、金属检测器进行产品质量的检测，这些功能都能有效替代传统人工工作，便于自动化控制功能的实现。

3.4 自动化物料输送技术

自动化物料输送是针对生产的全过程进行的输送功能设计，具体的功能包括了原料自动投放、原料输送、生产线之间衔接、成品输出、成品码垛、成品自动入库等功能，此外还包括生产杂质的去除、物料信息记录等功能。物料的自动化输送主要通过多种输送设备实现，例如自动放料装置、皮带输送机、辊子输送机、弯道输送机、斜坡输送机、振动输送机、垛盘输送机、码垛机器人、成品输送小车等，利用不同输送装置的结合，能够将生产线从物料供应到成品入库的各个环节进行衔接，并利用弯道输送机、斜坡输送机提高生产布局密度，充分利用空间资源，实现在有限空间内的设备布置最佳化。

4 结语

对传统的人工生产线进行自动化的改造是现阶段生产企业节本增效的有效手段，尽管在改造阶段会产生一定的成本支出，但由于充分利用了已有设备，改造成本相对于全部购置新设备明显更低，通常仅为购置新设备成本的30%～40%，且有利于提高产品的生产质量，是现阶段生产企业的最佳技术升级方式之一。

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