賴思琦，尹顯明，楊應(yīng)洪

(1.西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心，四川綿陽(yáng)621010;2.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010)

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(lái)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(guò)渡這一過(guò)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(guò)Profi-Bus-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(kāi)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(guò)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(kāi)始工作前，人工將不同工件和托盤(pán)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(guò)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(guò)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(pán)、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5.5 m×0.45 m×3 m，共有8 列6層48個(gè)倉(cāng)位，每個(gè)倉(cāng)位尺寸為550 mm×450 mm×430 mm，其最大負(fù)載質(zhì)量為30 kg。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(kāi)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1.6 m×0.8 m×3 m，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26 kg。

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(kāi)關(guān)、x/y/z三個(gè)方向的行程開(kāi)關(guān)等;輸出點(diǎn)包括電機(jī)啟動(dòng)、停止、急停開(kāi)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、3 061步，其初始化段部分程序如圖4所示[5]。

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Windows XP，使用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)?？偪刂茊卧ㄟ^(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(wú)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(méi)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(wú)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:

倉(cāng)庫(kù)單元手動(dòng)控制界面見(jiàn)圖5。

圖5 倉(cāng)庫(kù)單元手動(dòng)控制界面

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)，將自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)通過(guò)ProfiBus-DP 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線納入柔性制造系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了從毛坯出庫(kù)、運(yùn)送、加工、工件返回到入庫(kù)的全過(guò)程。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，在某中心生產(chǎn)車間得到了很好的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)建立類似的大型自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)具有重要的借鑒作用。

【1】馬超.基于Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線的柔性制造系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

【2】李作海，姚錫凡.基于RFID的信息集成柔性制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011(4):14－18，23.

【3】吳立.關(guān)于柔性制造的研究[J].機(jī)床與液壓，2010，38(14):9－11.

【4】楊秀建，張強(qiáng)，林清國(guó).一種立體倉(cāng)庫(kù)試驗(yàn)臺(tái)堆垛機(jī)速度控制優(yōu)化方案[J].機(jī)床與液壓，2007，35(1):93－95.

【5】王鋒，王品，李家霽.基于IO接口的柔性制造系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009(12):78－81.

【6】謝志余.柔性制造系統(tǒng)(FMS)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷集成研究[J].機(jī)床與液壓，2011，39(3):142－143，131.