摘要：
智能机器人在净水行业的应用是一个新的领域，不仅为工业机器人提供了新的增长点，对于净水设备生产行业也将产生了巨大的提升作用。本文简述了部分净水设备的生产过程，介绍了上海福赛特机器人有限公司基于智能工业机器人设计的净水滤芯自动装配线，对工业4.0背景下的智能化工厂进行了展望。本文对于机器人应用领域的拓广和净水行业自动化程度提高具有重要的理论价值和实践意义。
关键词：
工业机器人、净水行业、智能制造、应用
一、引言
水利部近期公布的数据显示，目前中国水库水源地水质有11%不达标，湖泊水源地水质约70%不达标，地下水水源地水质约60%不达标。近10年来中国水污染事件高发，水污染事故近几年每年都在1700起以上。全国城镇中，饮用水源地水质不安全涉及人口1.4亿人[1]。随着对生活品质要求的不断提升，水污染和水质差等问题越来受到重视，净水设备等产品也因此受到市场热捧，在家庭、学校、企业、政府机关等得到广泛推广，销售增长率远远超过家电行业平均水平，成为小家电中的朝阳产业[2,3]。
市场上典型的家用净水机由四到五级滤芯依次相连组成，包括前置活性炭滤芯、PP棉滤芯、RO膜滤芯、后置活性炭滤芯等，可以有效去除水中的有害物质，并保留其中的矿物质。净水机滤芯寿命较短，如PP棉滤芯的寿命为1~3个月，活性炭的寿命为6个月，需要及时更换。
滤芯这种消耗品是净水设备厂商生产的主要产品之一，但根据调研，目前国内净水滤芯生产自动化程度低，大多靠人工生产，仅有少部分厂商实现了半自动化，生产效率低、产品质量无法保证；而一些国外厂商虽然使用专机实现了自动化生产，但是设备价格昂贵，灵活性差，难以在国内厂商中推广。旺盛的市场需求，和国内劳动力的短缺和人力成本的上升，给净水设备生产企业带来了不小的压力，在这种形势下，上海福赛特机器人有限公司针对净水设备的生产，创新性地为国内某知名厂商提供了基于智能工业机器人的一站式解决方案，达到了良好的效果。
二、工业机器人的发展与现状
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机械装置，能够完成自动定位控制、可重复编程。自从1959年首台工业机器人在美国诞生至今，在全世界共售出300多万台工业机器人，在制造型企业中代替人工完成各种劳动强度高、单调重复、危险性高、劳动环境差的各种工作，如焊接、装配、检测、喷涂、搬运、码垛等，极大地改善了产业工人的工作环境，提高了产品生产效率[4,5]。
经过几十年的发展，欧美和日本等发达国家的工业机器人已发展的较为成熟，形成了Fanuc、ABB、Kuka和安川电机等数家行业龙头和一批先进的机器人品牌，垄断了国内90%的工业机器人市场。我国机器人产业起步较晚，但受益于国内巨大的市场需求和国家政策支持，国内机器人产业在近年来也有了明显的进步，形成了一批机器人制造企业和系统集成应用商。工业机器人和以工业机器人为中心的制造系统，朝着更快、更精密、更智能化的方向发展，应用领域不断拓宽，为传统的产业升级提供设备和技术支撑。
随着我国人口红利的逐渐消失，传统的劳动密集型制造企业面临着用工难、用工贵的难题，亟待进行自动化升级改造。2015年，国务院印发了《中国制造2025》，提出了制造战略计划，推进实施制造强国战略计划，以推进智能制造为主攻方向，给机器人制造及应用行业指出了方向。上海福赛特机器人有限公司是一家专注于机器人研发和应用的高科技企业，以工业机器人独有技术为核心，致力于工业机器人的创新性研发；以丰富的行业应用经验，致力于为客户提供整体解决方案，引领高端制造和智能制造的转型步伐。福赛特机器人自主研发的FR-i3C700机器人，如图 1所示，在速度、精度、荷重比以及智能化集成和应用等各项性能指标上达到国际先进水平。
图 1 FR-i3C700机器人
三、智能机器人在净水行业的典型应用案例
在净水设备生产中包括了净水滤芯制造、净水机装配、包装、仓储等。其中，多种滤芯的制造过程并不相同，如活性炭滤芯的生产包括：内芯外壳上下料、超声波焊接、注粉、O型圈装配、贴标签、真空包装等过程；PP棉滤芯的生产过程包括PP棉撕棉、O型圈装配、旋熔焊接、O型圈装配、检测、真空包装；RO膜滤芯的生产过程包括裁切膜片、折叠膜片、打胶、卷膜、切割、装配、检测、包装。虽然净水行业具有高度的标准化要求，但根据目前市场考察，不同的产品在外观形状、尺寸大小、生产工艺上仍有差别，需要兼容生产不同的产品，这对柔性制造提出了更高的智能要求。
图 2 RO膜滤芯净化原理图
上海福赛特针对RO膜滤芯的装配检测过程，设计了FST-RO模块化自动装配线，为客户打造一站式解决方案。装配检测和包装过程又可以细分为：装O型圈、气密性检测、装挡水圈、缠胶带、喷码贴标和信息处理等过程，我们采用模块化设计，通过多个基于机器人的标准化工作站实现各个工艺过程，如图 3所示。每个标准化工作站模块具有独立的功能、标准的几何连接和一致的输入、输出端口，可以根据不同的需求拼接产线，使生产线的组织和布局具有极高柔性，调整方便、快捷。工作站基于具有视觉能力的智能六自由度机器人搭配辅助机构，能够根据不同的生产工艺区分工件的差异，实现产线的智能化，并具有较高性价比。
图 3 RO膜滤芯装配检测和包装过程
3.1O型圈自动装配工作站。
O型圈自动装配工作站如图 3所示，主要有一台六自由度工业机器人及辅助机构组成，负责实现滤芯自动上料、O型圈自动装配等工序，工作站运行状态可以通过数据反馈系统在面板显示。在经过卷膜、切割工序后，滤芯本体制造已经初具雏形，通过物料小车输送到O型圈自动装配工作站附近，通过RFID读取滤芯信息，具有力觉感知能力的六自由度智能机器人自动抓取滤芯，完成翻转上料，滤芯通过工装板限位并通过定位工装进行精准定位，确保O型圈顺利装配；同时O型圈通过振动盘自动来料，通过辅助机构固定，双机构配合完成装配过程。系统配有独立的控制面板，方便的进行程序切换，并显示装配数量信息、完成情况信息等。
图 4 O型圈自动装配工作站 图 5 气密检测工作站
3.2气密检测工作站
在O型圈装配之后，进行气密性检测是一项重要工序，是滤芯质量的重要保证。气密检测工作站同样采用力觉感知能力的六自由度智能工业机器人，如图 4所示，将滤芯直立插入气密工装，通过堵漏机构下压测试装配O型圈后滤芯的气密性。多检测工位同时进行，每只滤芯检测约耗时15秒，各气口气密性检测进度、结果实时反馈到面板上，检测完成后，机器人自动将合格品交给下一个工作站进行下一道工序，次品则单独分拣到次品料仓内。
3.3挡水圈装配工作站
滤芯的挡水圈同样采用振动料盘的来料方式，通过二维模组机械手取放料；固定挡水圈的工装可更换，以完成多尺寸挡水圈的装配，挡水圈的装配高度可根据产品需要进行调节。
3.4缠胶带、贴标工作站
在完成滤芯的初步装配之后，需要进行缠胶带、喷码贴标等包装前的最后工作。滤芯使用上下顶升对齐机构，保证滤芯轴线与旋转中心重合，并带动滤芯匀速转动，将胶带缠在滤芯上。之后，采用在线喷码的方式，给每个滤芯以唯一的编码，实现产品生产信息可追溯。至此，完成了滤芯的装配和检测工作，可进行真空包装及相应的信息处理，结束整个生产过程。
整个装配过程实现了信息化和全自动化，生产效率高、产品质量好、生产信息实时反馈并可追溯，终端使用有安全保证，满足FDA、国务院食品安全委员会标准和ISO9001认证要求。
此外，标准化机器人工作站还具有更广泛的应用，如滤芯的超声波焊接、注粉和包装、净水机整机的装配、包装、仓储。多种自动化的生产单元，共同组成智能化的生产工厂，满足产品小批量化、多样化的需求。
四、净水设备智能化生产工厂
工业4.0的核心是“智能+网络化”，通过虚拟-实体系统构建智能化工厂，实现智能制造的目标[6~8]。智能化工厂以“智能化”为核心，以数字化、网络化为主要特征，在数字化工厂的基础上，建立信息化管理系统，综合物联网技术和设备监控技术，通过信息互联，集成了智能制造执行系统、生产管理系统、智能协同系统、智能控制系统和智能物流系统等，实现制程监控可视化、系统监管全方位和制造的绿色化。
图 6 智能化工厂系统
生产管理系统属于智能工厂的决策和管控层，通过ERP平台和MES管理系统，建立的净水设备生产管理系统，能够根据大数据对市场上的需求情况进行分析，为生产决策提供依据。 通过网络获取工厂内各个执行系统反馈回的生产和物流信息，是管理者能够对生产状况有清晰明了的掌握，并进行全方面管控。
智能物流系统通过传统的互联网、物联网等信息网络，整合社会及工厂内物流资源，进行统筹安排，提高现有设备的资源配置效率，使物料快速高效地送达需求地，为智能制造系统提供可靠的保障。
智能化工厂中生产执行系统最基本的单元是以工业机器人为代表智能化设备，包括各种智能传感器、控制器、信号和指示面板等。各种智能化的设备有机地组成的制造单元，例如典型的标准化的工作站，每个生产单元都具备智能化、自动化生产能力，如前文所介绍的滤芯的自动装配、检测、分拣和喷码等工作站，通过集成的大量智能传感器使工作站具备感知能力，能够采集和传输生产中的各种数据，全面掌控生产情况，并实时反馈状态信息，保证每一个产品信息的可追溯性。
多个生产单元通过信息互联网络进一步构成高柔性的智能制造执行系统，成为智能化工厂的重要一环。通过配置网络化的信息管理系统，与生产管理系统、物流系统、控制系统等进行智能协同作业，根据生产决策，实现全工厂的自动化智能化生产。
智能生产和智能化工厂是当代制造业的发展趋势，尤其是在当前各国制造业都寻求升级的背景下，传统的制造业将面临“洗牌”，智能化将引领新一轮的制造业革命。
五、结束语
面临着国外机器人厂商的在传统应用行业垄断地位，国内机器人企业需要积极拓展机器人的应用领域，以在市场站稳脚跟。净水行业作为家电行业中的朝阳领域，在近年来发展势头迅猛。基于工业机器人，为净水设备生产商打造智能化生产系统，建造智能化工厂，对国内机器人行业和净水行业而言可以达到双赢的效果。
上海福赛特机器人有限公司在这一领域进行了卓有成效的探索，针对净水滤芯的装配工艺，基于智能工业机器人设计了一套模块化的柔性生产线，实现整个加工过程的智能化和全自动化，提高了净水滤芯生产的效率和质量，帮助净水企业解决人力成本上升和自动化改造的难题。在智能化生产线的基础上，本文对智能化生产工厂进行了构思，探讨了以信息管理系统为中心的网络化制造、物流和生产管理系统。在中国制造2025和工业4.0不断推进的背景下，对于智能制造系统应用和智能化工厂的有效探索，对于自动化行业和净水行业的发展都具有重要的推动作用。
