摘要:設計基于柔性制造系統(tǒng)(FMS)的自動化立體倉庫單元，包括貨架、碼垛機、出入庫平移臺等組成部分的機械結構和電氣系統(tǒng)，通過ProfiBus-DP總線實現(xiàn)與總控制單元之間的數(shù)據(jù)交換，進行監(jiān)控和管理。實際運行結果證明，所構建的自動化立體倉庫單元完全滿足柔性制造系統(tǒng)的高效實用要求。

    關鍵詞:FMS;自動化立體倉庫;ProfiBus-DP總線

 

    目前，柔性制造系統(tǒng)(FMS)已滲透到制造業(yè)的各個領域，并對生產方式產生了深遠的影響。越來越多的中國加工制造企業(yè)在從傳統(tǒng)的單品種、大批量生產方式向多品種、中小批量及“變種變量”的生產方式過渡這一過程中使用了FMS。自動化立體倉庫單元是柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分，由貨架、碼垛機、出入庫平移臺組成，由PLC控制，并通過ProfiBus-DP總線與總控制單元進行數(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)由自動化立體倉庫單元、AGV運載機器人、自動輸送線裝置、CCD形狀檢測系統(tǒng)、六自由度行走搬運機器人、六自由度焊接機器人、數(shù)控車床、加工中心及相應附屬設備組成。系統(tǒng)運用

 

    Profibus-DP總線及開發(fā)型組態(tài)軟件等網絡通訊技術，使總控單元對各單元設備進行集成控制，能夠根據(jù)生產任務的變化，通過簡單地改變軟件設置的方法進行調整，以適宜多品種、中小批量生產。其結構如圖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)域送入原料庫貨架。工件或毛坯由碼垛機從自動化立體倉庫的原料倉庫中取出，此時AGV按照預定軌道運行到取料位置。通過出庫平移臺，毛坯由AGV送至自動輸送線，經六自由度搬運機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、焊接機械臂上進行加工。加工完成后，由機器人取出工件，通過輸送線和AGV一起運行，將工件放回入庫平移臺上，由碼垛機拾取送入倉庫成品庫貨架。同時，軟件記錄信息，以便管理，進而完成一個工作流程。

 

    圖1系統(tǒng)結構圖

 

    2自動化立體倉庫單元設計與控制

 

    2.1倉庫單元組成及功能

 

    自動化立體倉庫單元由一臺掛壁式碼垛機、兩套倉庫、兩套出入庫平移臺及托盤、倉位傳感器等組成，倉庫單元如圖2所示。

 

    圖2自動化立體倉庫單元

 

    雙排貨架倉庫由型鋼搭建，螺釘連接固定各部分，底部有地腳固定座。倉庫外形設計為5.5m×0.45m×3m，共有8列6層48個倉位，每個倉位尺寸為550mm×450mm×430mm，其最大負載質量為30kg。兩套貨架與掛壁式碼垛機及傳感器組成了自動化立體倉庫單元。倉庫貨架上每個貨位安裝有機械微動開關，并且在貨架的上方裝有巷道裝置。

 

    掛壁式碼垛機采用單立柱地面支撐結構，外形為1.6m×0.8m×3m，由x、y、z三方向直線運動機構組成，起升、運行采用電機驅動方式。一維水平直線運動機構由底座、直線滑軌、滑輪、電機減速器、傳動鏈條等組成，完成機構的水平運動。二維垂直直線運動機構由立柱、滑軌、傳動鏈、機架、電機減速器組成，完成工件的上下運動。三維直線運動機構由水平支架、滑道、導軌、取貨平板、電機減速器組成，完成工件的前后運動。所有機械件的底座、殼體部分均采用鋼材制作，結構緊湊、質量輕，運轉靈活，其最大負載質量為26kg。

 

    出入庫平移臺負責在倉庫單元與輸送線之間傳遞工件，由鋁合金型材搭建，直流電機加減速器驅動，上面安裝對射光電傳感器感應工件位置，由同步帶傳送工件，完成出庫、入庫動作［4］。

 

    2.2電氣控制系統(tǒng)設計碼垛機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，M2為二維y垂直方向電機，M3為三維z方向電機，M1與M2均為三相異步電動機，而M3為單相電機。SB1為啟動按鈕，

 

    SB2為停止按鈕，SB3為急停按鈕。

 

    碼垛機由歐姆龍PLC控制，型號為CP1HX40DT-D，根據(jù)工序動作需要，共需110個輸入點，29個輸出點，所以使用了4個CPM1A-40EDR擴展I/O單元。輸入點包括貨架上安裝的微動開關、x/y/z三個方向的行程開關等;輸出點包括電機啟動、停止、急停開關等。PLC梯形圖分為初始化、主程序、復位、總控調試等，共16段、3061步，其初始化段部分程序如圖4所示［5］。

 

    圖3倉庫單元電路

 

    圖4碼垛機初始化部分PLC梯形圖

 

    2.3控制軟件設計

 

    柔性制造系統(tǒng)總控制單元由一臺研華IPC-610H工控機作為主控機，主控軟件為操作人員使用的前臺程序，軟件運行平臺為WindowsXP，使用組態(tài)王軟件開發(fā)�？偪刂茊卧�通過ProfiBus-DP總線通訊采集各分站信息，并協(xié)調各個分站動作，同時實現(xiàn)人機交互界面接受用戶控制，其操作分為連續(xù)自動和各分站手動控制兩種方式［6］。

 

    倉庫單元通過歐姆龍PLC的Profibus通訊模塊與主站控制計算機進行通訊，通過主控軟件的設定，控制碼垛機運行。碼垛機出入庫動作由PLC來完成，當碼垛機接收到出庫請求時，碼垛機由上至下、由左至右掃描原料庫的各個倉格，并對掃描到的第一個有工件的倉格進行出庫操作，出庫運行狀態(tài)位有效;碼垛機將取到的工件放入出庫傳送帶上后，碼垛機出庫完成，出庫完成狀態(tài)位有效;當碼垛機退回到安全位置后，碼垛機出庫運動完成，碼垛機出庫運行狀態(tài)位無效，至此碼垛機的出庫運動完成。如果原料庫中沒有檢測到工件，則原料庫空狀態(tài)位置1。當碼垛機接收到入庫請求時，碼垛機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，再使入庫完成狀態(tài)位有效，碼垛機入庫運行狀態(tài)位無效，至此碼垛機的入庫運動完成。其手動控制的部分代碼如下:

 

    /////////////

 

    碼垛機_電柜上電=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，

 

    1);

 

    碼垛機_聯(lián)機=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，2);碼垛機_復位中=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，

 

    8);

 

    碼垛機_復位完成=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，

 

    3);

 

    碼垛機_報警=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，4);

 

    第4期賴思琦等:基于FMS的自動化立體倉庫設計•9•

 

    碼垛機_程序運行=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，

 

    9);

 

    碼垛機_程序停止=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，

 

    5);

 

    碼垛機_總控調試=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，

 

    11);

 

    碼垛機_出庫中=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，

 

    6);

 

    碼垛機_出庫完成=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，

 

    13);

 

    碼垛機_入庫中=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，

 

    7);

 

    碼垛機_入庫完成=Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，

 

    14);

 

    碼垛機_出庫請求=Bit(立體倉庫與碼垛機_總控制，

 

    6);

 

    碼垛機_入庫請求=Bit(立體倉庫與碼垛機_總控制，7);碼垛機_1EL正=Bit(碼垛機限位與狀態(tài)，1);碼垛機_1ORG=Bit(碼垛機限位與狀態(tài)，2);碼垛機_1EL負=Bit(碼垛機限位與狀態(tài)，3);碼垛機_2EL正=Bit(碼垛機限位與狀態(tài)，4);碼垛機_2ORG=Bit(碼垛機限位與狀態(tài)，5);碼垛機_2EL負=Bit(碼垛機限位與狀態(tài)，6);碼垛機_3EL正=Bit(碼垛機限位與狀態(tài)，7);碼垛機_3ORG=Bit(碼垛機限位與狀態(tài)，8);碼垛機_3EL負=Bit(碼垛機限位與狀態(tài)，9);

 

    if(Bit(立體倉庫與碼垛機_總狀態(tài)，14))//碼垛機入庫完成

 

    {單機入庫倉位查詢=0;//可以查詢倉位

 

    BitSet(立體倉庫與碼垛機_總控制，7，0);

 

    }

 

    //計算單機搬運倉位if(碼垛機_總控調試)

 

    {if(((碼垛機_單機搬運行==0)＆＆(碼垛機_單機搬運列==0))||((碼垛機_單機搬運行==0)

 

    ＆＆(碼垛機_單機搬運列==7)))

 

    {指定倉位為空=0;}

 

    else

 

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

 

    }

 

    if(Bit(碼垛機限位與狀態(tài)，16)){指定倉位為空

 

    =0;}

 

    }

 

    ………………倉庫單元手動控制界面見圖5。

 

    圖5倉庫單元手動控制界面

 

    (下轉第13頁)

 

    第4期張猛等:基于綠色制造的深孔加工附件設計•13•

 

    圖5簡易輸油器

 

    2應用實例

 

    設計并制造出該深孔加工附件后，將其安裝在一臺普通車床上進行鉆削實驗。采用中北大學工藝研究所生產的硬質合金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:主軸轉速v=1000r/min，刀具軸向進給量f=0.05mm/r;切削液選用20#機械油，流量為3mL/min;空氣壓力為1MPa，流量為0.5m3/min;DF系統(tǒng)的噴嘴間隙調節(jié)為0.2mm。

 

    經多次實驗，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，軸線偏斜度達到1/1000mm，孔壁表面粗糙度達Ra3.2μm以下。結果證明，使用該深孔加工附件，可以在普通機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)，產生的切屑清潔干凈，回收利用方便，達到了節(jié)約能源、降低成本和減少污染的目的。

 

    3結束語

 

    采用此套深孔加工附件進行深孔加工與傳統(tǒng)深孔加工方法相比不僅能降低加工成本，而且能減少對工作場所及環(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用前景。

 

    參考文獻:

 

    【1】崔海云，賈育秦，王培霞，等．綠色制造技術在機床全生命周期中的應用［J］．機床與液壓，2010，38(24):10－12．

    【2】彭海，王水航．亞干式深孔加工中的低溫冷風霧化技術［J］．機械制造，2006，44(9):42－44．

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

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

    【5】劉寶運，張小華，金士良，等．射流技術在油液霧化設計中的應用［J］．機床與液壓，2008，36(5):85－87．

    【6】侯凌云，侯曉春．噴嘴技術手冊［M］．北京:中國石化出版社，2002．

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

 

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