摘要：
智能機器人在凈水行業的應用是一個新的領域，不僅為工業機器人提供了新的增長點，對于凈水設備生產行業也將產生了巨大的提升作用。本文簡述了部分凈水設備的生產過程，介紹了上海福賽特機器人有限公司基于智能工業機器人設計的凈水濾芯自動裝配線，對工業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：
工業機器人、凈水行業、智能制造、應用
一、引言
水利部近期公布的數據顯示，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，水污染事故近幾年每年都在1700起以上。全國城鎮中，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，凈水設備等產品也因此受到市場熱捧，在家庭、學校、企業、政府機關等得到廣泛推廣，銷售增長率遠遠超過家電行業平均水平，成為小家電中的朝陽產業[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的主要產品之一，但根據調研，目前國內凈水濾芯生產自動化程度低，大多靠人工生產，僅有少部分廠商實現了半自動化，生產效率低、產品質量無法保證；而一些國外廠商雖然使用專機實現了自動化生產，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，給凈水設備生產企業帶來了不小的壓力，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，創新性地為國內某知名廠商提供了基于智能工業機器人的一站式解決方案，達到了良好的效果。
二、工業機器人的發展與現狀
工業機器人是面向工業領域的多關節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年首臺工業機器人在美國誕生至今，在全世界共售出300多萬臺工業機器人，在制造型企業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，極大地改善了產業工人的工作環境，提高了產品生產效率[4,5]。
經過幾十年的發展，歐美和日本等發達國家的工業機器人已發展的較為成熟，形成了Fanuc、ABB、Kuka和安川電機等數家行業龍頭和一批先進的機器人品牌，壟斷了國內90%的工業機器人市場。我國機器人產業起步較晚，但受益于國內巨大的市場需求和國家政策支持，國內機器人產業在近年來也有了明顯的進步，形成了一批機器人制造企業和系統集成應用商。工業機器人和以工業機器人為中心的制造系統，朝著更快、更精密、更智能化的方向發展，應用領域不斷拓寬，為傳統的產業升級提供設備和技術支撐。
隨著我國人口紅利的逐漸消失，傳統的勞動密集型制造企業面臨著用工難、用工貴的難題，亟待進行自動化升級改造。2015年，國務院印發了《中國制造2025》，提出了制造戰略計劃，推進實施制造強國戰略計劃，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和應用的高科技企業，以工業機器人獨有技術為核心，致力于工業機器人的創新性研發；以豐富的行業應用經驗，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的典型應用案例
在凈水設備生產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。雖然凈水行業具有高度的標準化要求，但根據目前市場考察，不同的產品在外觀形狀、尺寸大小、生產工藝上仍有差別，需要兼容生產不同的產品，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，可以根據不同的需求拼接產線，使生產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，能夠根據不同的生產工藝區分工件的差異，實現產線的智能化，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機器人及輔助機構組成，負責實現濾芯自動上料、O型圈自動裝配等工序，工作站運行狀態可以通過數據反饋系統在面板顯示。在經過卷膜、切割工序后，濾芯本體制造已經初具雛形，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。系統配有獨立的控制面板，方便的進行程序切換，并顯示裝配數量信息、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產品需要進行調節。
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，實現產品生產信息可追溯。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，結束整個生產過程。
整個裝配過程實現了信息化和全自動化，生產效率高、產品質量好、生產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。多種自動化的生產單元，共同組成智能化的生產工廠，滿足產品小批量化、多樣化的需求。
四、凈水設備智能化生產工廠
工業4.0的核心是“智能+網絡化”，通過虛擬-實體系統構建智能化工廠，實現智能制造的目標[6~8]。智能化工廠以“智能化”為核心，以數字化、網絡化為主要特征，在數字化工廠的基礎上，建立信息化管理系統，綜合物聯網技術和設備監控技術，通過信息互聯，集成了智能制造執行系統、生產管理系統、智能協同系統、智能控制系統和智能物流系統等，實現制程監控可視化、系統監管全方位和制造的綠色化。
圖 6 智能化工廠系統
生產管理系統屬于智能工廠的決策和管控層，通過ERP平臺和MES管理系統，建立的凈水設備生產管理系統，能夠根據大數據對市場上的需求情況進行分析，為生產決策提供依據。 通過網絡獲取工廠內各個執行系統反饋回的生產和物流信息，是管理者能夠對生產狀況有清晰明了的掌握，并進行全方面管控。
智能物流系統通過傳統的互聯網、物聯網等信息網絡，整合社會及工廠內物流資源，進行統籌安排，提高現有設備的資源配置效率，使物料快速高效地送達需求地，為智能制造系統提供可靠的保障。
智能化工廠中生產執行系統最基本的單元是以工業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，每個生產單元都具備智能化、自動化生產能力，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中的各種數據，全面掌控生產情況，并實時反饋狀態信息，保證每一個產品信息的可追溯性。
多個生產單元通過信息互聯網絡進一步構成高柔性的智能制造執行系統，成為智能化工廠的重要一環。通過配置網絡化的信息管理系統，與生產管理系統、物流系統、控制系統等進行智能協同作業，根據生產決策，實現全工廠的自動化智能化生產。
智能生產和智能化工廠是當代制造業的發展趨勢，尤其是在當前各國制造業都尋求升級的背景下，傳統的制造業將面臨“洗牌”，智能化將引領新一輪的制造業革命。
五、結束語
面臨著國外機器人廠商的在傳統應用行業壟斷地位，國內機器人企業需要積極拓展機器人的應用領域，以在市場站穩腳跟。凈水行業作為家電行業中的朝陽領域，在近年來發展勢頭迅猛。基于工業機器人，為凈水設備生產商打造智能化生產系統，建造智能化工廠，對國內機器人行業和凈水行業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，基于智能工業機器人設計了一套模塊化的柔性生產線，實現整個加工過程的智能化和全自動化，提高了凈水濾芯生產的效率和質量，幫助凈水企業解決人力成本上升和自動化改造的難題。在智能化生產線的基礎上，本文對智能化生產工廠進行了構思，探討了以信息管理系統為中心的網絡化制造、物流和生產管理系統。在中國制造2025和工業4.0不斷推進的背景下，對于智能制造系統應用和智能化工廠的有效探索，對于自動化行業和凈水行業的發展都具有重要的推動作用。
