摘要:設(shè)計(jì)基于柔性制造系統(tǒng)(FMS)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)單元，包括貨架、碼垛機(jī)、出入庫(kù)平移臺(tái)等組成部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)，通過ProfiBus-DP總線實(shí)現(xiàn)與總控制單元之間的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)行監(jiān)控和管理。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，所構(gòu)建的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)單元完全滿足柔性制造系統(tǒng)的高效實(shí)用要求。

    關(guān)鍵詞:FMS;自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù);ProfiBus-DP總線

 

    目前，柔性制造系統(tǒng)(FMS)已滲透到制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，并對(duì)生產(chǎn)方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。越來越多的中國(guó)加工制造企業(yè)在從傳統(tǒng)的單品種、大批量生產(chǎn)方式向多品種、中小批量及“變種變量”的生產(chǎn)方式過渡這一過程中使用了FMS。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)單元是柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分，由貨架、碼垛機(jī)、出入庫(kù)平移臺(tái)組成，由PLC控制，并通過ProfiBus-DP總線與總控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接受用戶的控制和管理［1］。

 

    1柔性制造系統(tǒng)的總體組成和工作流程

 

    1.1系統(tǒng)總體組成

 

    柔性制造系統(tǒng)由自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)單元、AGV運(yùn)載機(jī)器人、自動(dòng)輸送線裝置、CCD形狀檢測(cè)系統(tǒng)、六自由度行走搬運(yùn)機(jī)器人、六自由度焊接機(jī)器人、數(shù)控車床、加工中心及相應(yīng)附屬設(shè)備組成。系統(tǒng)運(yùn)用

 

    Profibus-DP總線及開發(fā)型組態(tài)軟件等網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，使總控單元對(duì)各單元設(shè)備進(jìn)行集成控制，能夠根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的變化，通過簡(jiǎn)單地改變軟件設(shè)置的方法進(jìn)行調(diào)整，以適宜多品種、中小批量生產(chǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示［2－3］。

 

    1.2系統(tǒng)工作流程

 

    系統(tǒng)開始工作前，人工將不同工件和托盤按照事先規(guī)劃好的各零件毛坯區(qū)域送入原料庫(kù)貨架。工件或毛坯由碼垛機(jī)從自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的原料倉(cāng)庫(kù)中取出，此時(shí)AGV按照預(yù)定軌道運(yùn)行到取料位置。通過出庫(kù)平移臺(tái)，毛坯由AGV送至自動(dòng)輸送線，經(jīng)六自由度搬運(yùn)機(jī)器人送到柔性制造加工單元中，按照工序流程在數(shù)控車床或加工中心、焊接機(jī)械臂上進(jìn)行加工。加工完成后，由機(jī)器人取出工件，通過輸送線和AGV一起運(yùn)行，將工件放回入庫(kù)平移臺(tái)上，由碼垛機(jī)拾取送入倉(cāng)庫(kù)成品庫(kù)貨架。同時(shí)，軟件記錄信息，以便管理，進(jìn)而完成一個(gè)工作流程。

 

    圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

    2自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)單元設(shè)計(jì)與控制

 

    2.1倉(cāng)庫(kù)單元組成及功能

 

    自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)單元由一臺(tái)掛壁式碼垛機(jī)、兩套倉(cāng)庫(kù)、兩套出入庫(kù)平移臺(tái)及托盤、倉(cāng)位傳感器等組成，倉(cāng)庫(kù)單元如圖2所示。

 

    圖2自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)單元

 

    雙排貨架倉(cāng)庫(kù)由型鋼搭建，螺釘連接固定各部分，底部有地腳固定座。倉(cāng)庫(kù)外形設(shè)計(jì)為5.5m×0.45m×3m，共有8列6層48個(gè)倉(cāng)位，每個(gè)倉(cāng)位尺寸為550mm×450mm×430mm，其最大負(fù)載質(zhì)量為30kg。兩套貨架與掛壁式碼垛機(jī)及傳感器組成了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)單元。倉(cāng)庫(kù)貨架上每個(gè)貨位安裝有機(jī)械微動(dòng)開關(guān)，并且在貨架的上方裝有巷道裝置。

 

    掛壁式碼垛機(jī)采用單立柱地面支撐結(jié)構(gòu)，外形為1.6m×0.8m×3m，由x、y、z三方向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，起升、運(yùn)行采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。一維水平直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由底座、直線滑軌、滑輪、電機(jī)減速器、傳動(dòng)鏈條等組成，完成機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)。二維垂直直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由立柱、滑軌、傳動(dòng)鏈、機(jī)架、電機(jī)減速器組成，完成工件的上下運(yùn)動(dòng)。三維直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由水平支架、滑道、導(dǎo)軌、取貨平板、電機(jī)減速器組成，完成工件的前后運(yùn)動(dòng)。所有機(jī)械件的底座、殼體部分均采用鋼材制作，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，其最大負(fù)載質(zhì)量為26kg。

 

    出入庫(kù)平移臺(tái)負(fù)責(zé)在倉(cāng)庫(kù)單元與輸送線之間傳遞工件，由鋁合金型材搭建，直流電機(jī)加減速器驅(qū)動(dòng)，上面安裝對(duì)射光電傳感器感應(yīng)工件位置，由同步帶傳送工件，完成出庫(kù)、入庫(kù)動(dòng)作［4］。

 

    2.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)碼垛機(jī)的主電路與控制電路如圖3所示。

 

    M1為一維x水平方向電機(jī)，M2為二維y垂直方向電機(jī)，M3為三維z方向電機(jī)，M1與M2均為三相異步電動(dòng)機(jī)，而M3為單相電機(jī)。SB1為啟動(dòng)按鈕，

 

    SB2為停止按鈕，SB3為急停按鈕。

 

    碼垛機(jī)由歐姆龍PLC控制，型號(hào)為CP1HX40DT-D，根據(jù)工序動(dòng)作需要，共需110個(gè)輸入點(diǎn)，29個(gè)輸出點(diǎn)，所以使用了4個(gè)CPM1A-40EDR擴(kuò)展I/O單元。輸入點(diǎn)包括貨架上安裝的微動(dòng)開關(guān)、x/y/z三個(gè)方向的行程開關(guān)等;輸出點(diǎn)包括電機(jī)啟動(dòng)、停止、急停開關(guān)等。PLC梯形圖分為初始化、主程序、復(fù)位、總控調(diào)試等，共16段、3061步，其初始化段部分程序如圖4所示［5］。

 

    圖3倉(cāng)庫(kù)單元電路

 

    圖4碼垛機(jī)初始化部分PLC梯形圖

 

    2.3控制軟件設(shè)計(jì)

 

    柔性制造系統(tǒng)總控制單元由一臺(tái)研華IPC-610H工控機(jī)作為主控機(jī)，主控軟件為操作人員使用的前臺(tái)程序，軟件運(yùn)行平臺(tái)為WindowsXP，使用組態(tài)王軟件開發(fā)�？偪刂茊卧ㄟ^ProfiBus-DP總線通訊采集各分站信息，并協(xié)調(diào)各個(gè)分站動(dòng)作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面接受用戶控制，其操作分為連續(xù)自動(dòng)和各分站手動(dòng)控制兩種方式［6］。

 

    倉(cāng)庫(kù)單元通過歐姆龍PLC的Profibus通訊模塊與主站控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，通過主控軟件的設(shè)定，控制碼垛機(jī)運(yùn)行。碼垛機(jī)出入庫(kù)動(dòng)作由PLC來完成，當(dāng)碼垛機(jī)接收到出庫(kù)請(qǐng)求時(shí)，碼垛機(jī)由上至下、由左至右掃描原料庫(kù)的各個(gè)倉(cāng)格，并對(duì)掃描到的第一個(gè)有工件的倉(cāng)格進(jìn)行出庫(kù)操作，出庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)位有效;碼垛機(jī)將取到的工件放入出庫(kù)傳送帶上后，碼垛機(jī)出庫(kù)完成，出庫(kù)完成狀態(tài)位有效;當(dāng)碼垛機(jī)退回到安全位置后，碼垛機(jī)出庫(kù)運(yùn)動(dòng)完成，碼垛機(jī)出庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)位無效，至此碼垛機(jī)的出庫(kù)運(yùn)動(dòng)完成。如果原料庫(kù)中沒有檢測(cè)到工件，則原料庫(kù)空狀態(tài)位置1。當(dāng)碼垛機(jī)接收到入庫(kù)請(qǐng)求時(shí)，碼垛機(jī)從傳送帶上取出工件，然后查詢成品中的空位置，把工件放到查詢到的空位置，再使入庫(kù)完成狀態(tài)位有效，碼垛機(jī)入庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)位無效，至此碼垛機(jī)的入庫(kù)運(yùn)動(dòng)完成。其手動(dòng)控制的部分代碼如下:

 

    /////////////

 

    碼垛機(jī)_電柜上電=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，

 

    1);

 

    碼垛機(jī)_聯(lián)機(jī)=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，2);碼垛機(jī)_復(fù)位中=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，

 

    8);

 

    碼垛機(jī)_復(fù)位完成=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，

 

    3);

 

    碼垛機(jī)_報(bào)警=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，4);

 

    第4期賴思琦等:基于FMS的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)•9•

 

    碼垛機(jī)_程序運(yùn)行=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，

 

    9);

 

    碼垛機(jī)_程序停止=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，

 

    5);

 

    碼垛機(jī)_總控調(diào)試=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，

 

    11);

 

    碼垛機(jī)_出庫(kù)中=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，

 

    6);

 

    碼垛機(jī)_出庫(kù)完成=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，

 

    13);

 

    碼垛機(jī)_入庫(kù)中=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，

 

    7);

 

    碼垛機(jī)_入庫(kù)完成=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，

 

    14);

 

    碼垛機(jī)_出庫(kù)請(qǐng)求=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總控制，

 

    6);

 

    碼垛機(jī)_入庫(kù)請(qǐng)求=Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總控制，7);碼垛機(jī)_1EL正=Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，1);碼垛機(jī)_1ORG=Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，2);碼垛機(jī)_1EL負(fù)=Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，3);碼垛機(jī)_2EL正=Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，4);碼垛機(jī)_2ORG=Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，5);碼垛機(jī)_2EL負(fù)=Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，6);碼垛機(jī)_3EL正=Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，7);碼垛機(jī)_3ORG=Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，8);碼垛機(jī)_3EL負(fù)=Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，9);

 

    if(Bit(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總狀態(tài)，14))//碼垛機(jī)入庫(kù)完成

 

    {單機(jī)入庫(kù)倉(cāng)位查詢=0;//可以查詢倉(cāng)位

 

    BitSet(立體倉(cāng)庫(kù)與碼垛機(jī)_總控制，7，0);

 

    }

 

    //計(jì)算單機(jī)搬運(yùn)倉(cāng)位if(碼垛機(jī)_總控調(diào)試)

 

    {if(((碼垛機(jī)_單機(jī)搬運(yùn)行==0)＆＆(碼垛機(jī)_單機(jī)搬運(yùn)列==0))||((碼垛機(jī)_單機(jī)搬運(yùn)行==0)

 

    ＆＆(碼垛機(jī)_單機(jī)搬運(yùn)列==7)))

 

    {指定倉(cāng)位為空=0;}

 

    else

 

    {if(!Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，16)){指定倉(cāng)位為空=1;}

 

    }

 

    if(Bit(碼垛機(jī)限位與狀態(tài)，16)){指定倉(cāng)位為空

 

    =0;}

 

    }

 

    ………………倉(cāng)庫(kù)單元手動(dòng)控制界面見圖5。

 

    圖5倉(cāng)庫(kù)單元手動(dòng)控制界面

 

    (下轉(zhuǎn)第13頁(yè))

 

    第4期張猛等:基于綠色制造的深孔加工附件設(shè)計(jì)•13•

 

    圖5簡(jiǎn)易輸油器

 

    2應(yīng)用實(shí)例

 

    設(shè)計(jì)并制造出該深孔加工附件后，將其安裝在一臺(tái)普通車床上進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)。采用中北大學(xué)工藝研究所生產(chǎn)的硬質(zhì)合金B(yǎng)TA鉆頭，鉆桿選用45無縫鋼管;試件材料為正火45鋼棒料，尺寸為40mm×100mm，鉆削孔徑為20mm;選取切削用量:主軸轉(zhuǎn)速v=1000r/min，刀具軸向進(jìn)給量f=0.05mm/r;切削液選用20#機(jī)械油，流量為3mL/min;空氣壓力為1MPa，流量為0.5m3/min;DF系統(tǒng)的噴嘴間隙調(diào)節(jié)為0.2mm。

 

    經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，切削過程均很平穩(wěn)，排屑順暢，加工完成試件的孔徑誤差為±0.2～±0.3mm，軸線偏斜度達(dá)到1/1000mm，孔壁表面粗糙度達(dá)Ra3.2μm以下。結(jié)果證明，使用該深孔加工附件，可以在普通機(jī)床上加工出滿足精度要求的深孔，且切削液的用量極少，加工過程中被完全蒸發(fā)，產(chǎn)生的切屑清潔干凈，回收利用方便，達(dá)到了節(jié)約能源、降低成本和減少污染的目的。

 

    3結(jié)束語(yǔ)

 

    采用此套深孔加工附件進(jìn)行深孔加工與傳統(tǒng)深孔加工方法相比不僅能降低加工成本，而且能減少對(duì)工作場(chǎng)所及環(huán)境的污染，提高了綜合效益。隨著“綠色制造”理念的深入人心，該裝置必然有著廣闊的推廣應(yīng)用前景。

 

    參考文獻(xiàn):

 

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    【3】朱穎，張汝春．金屬切削加工噴霧冷卻方法［J］．煤礦機(jī)械，2005(6):73－75．

    【4】林建忠，阮曉東．流體力學(xué)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005．

    【5】劉寶運(yùn)，張小華，金士良，等．射流技術(shù)在油液霧化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．機(jī)床與液壓，2008，36(5):85－87．

    【6】侯凌云，侯曉春．噴嘴技術(shù)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)石化出版社，2002．

    【7】王云峰．基于綠色制造的低溫氣動(dòng)噴霧冷卻的基礎(chǔ)研［D］．南京:南京航空航天大學(xué)，2005．

 

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