，，，

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江雙環(huán)傳動(dòng)機(jī)械股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317600)

少人化、無人化是企業(yè)降耗增效的首選途徑，是國家“十二五”重大裝備發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重點(diǎn)內(nèi)容，是企業(yè)夢(mèng)寐以求的生產(chǎn)組織模式.齒輪產(chǎn)品用途廣泛，齒輪行業(yè)舉足輕重，但國內(nèi)齒輪生產(chǎn)勞動(dòng)密集，人工高昂，因此研究無人化齒輪廠，讓機(jī)械代替人工實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)，將對(duì)提高齒輪生產(chǎn)效率和促進(jìn)齒輪生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)型具有不可低估的作用.無人化齒輪廠，即無需人操控的全自動(dòng)齒輪加工廠，借助于RFID射頻識(shí)別技術(shù)和實(shí)時(shí)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)程序化操作、機(jī)械化送料、智能化排程等，訂單接收、作業(yè)安排、材料索取、物料搬運(yùn)、工序操作、質(zhì)量控制、成品入庫、訂單交付等所有過程由計(jì)算機(jī)、識(shí)別器、機(jī)械手、輸送帶等完成，無需工作人員進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作和管控[1].

自從20世紀(jì)80年代，國內(nèi)外就開始在工業(yè)等許多領(lǐng)域開展無人化應(yīng)用研究.如美國的K&T公司在上世紀(jì)70年代設(shè)有兩個(gè)無人加工中心UMC；德國BRANKAMP公司實(shí)現(xiàn)金屬加工過程在線監(jiān)測(cè)無人化作業(yè)；日本藤田公司開展無人化施工[2]；寧夏小巨人機(jī)床有限公司在“MTF2013制造未來展示會(huì)”上展示了小巨人“少人化、無人化、智能化”理論的最新成果[3]；韓培花從無人工廠利潤源泉的價(jià)值視角探討了無人工廠的高額利潤[4]；張靜等提出了無人化超市構(gòu)建[5]；馬竹梧論述了鋼鐵工業(yè)自動(dòng)化無人化的新進(jìn)展[6]；董輝對(duì)水平多關(guān)節(jié)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真[7]；陳廣構(gòu)架了基于RFID技術(shù)的機(jī)動(dòng)車輛監(jiān)控系統(tǒng)[8]；李曉等設(shè)計(jì)出基于RFID技術(shù)的托盤租賃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)施方案[9]；王猛研究與開發(fā)了基于RFID的車間制造信息管理系統(tǒng)[10]；馬紹周對(duì)混流生產(chǎn)效率做了研究[11].盡管早期許多生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)＜抑铝τ跓o人化齒輪廠研究卻未能獲得重大突破，但隨著RFID產(chǎn)品和實(shí)時(shí)控制技術(shù)不斷成熟，無人化生產(chǎn)已有充分技術(shù)支持，在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下已可以通過深入探究來建成無人化齒輪廠.

1 齒輪生產(chǎn)工藝分析

在日常生活中，例如乘用車5MT，6MT，AT變速器齒輪等汽摩齒輪是最典型的一類齒輪.汽摩齒輪生產(chǎn)企業(yè)因齒輪種類繁多、規(guī)格不一等，生產(chǎn)工藝往往存在很大差異.表1是某企業(yè)幾種汽摩齒輪從齒坯開始生產(chǎn)的工藝路線.

表1 不同產(chǎn)品類型的齒輪工藝路線

盡管不同汽摩齒輪生產(chǎn)工藝因品種、批量不一可能會(huì)采用不同生產(chǎn)工藝，但基于生產(chǎn)工藝相似性，從國內(nèi)外齒輪生產(chǎn)調(diào)查看，比較典型的齒輪生產(chǎn)工藝是：截料-鍛打-正火-粗車-鉆孔-精車-粗磨-拉孔-滾齒-倒凌-剃齒-滲碳淬火-清理-打標(biāo)-研孔-硬車端面-清洗-雙嚙-包裝等.由于齒輪生產(chǎn)工序較多，工藝流程前段幾個(gè)工序生產(chǎn)技術(shù)含量要求相對(duì)較低，而且可用一些廉價(jià)通用設(shè)備加工，一般齒輪成品生產(chǎn)企業(yè)，都把前段幾個(gè)工序委外生產(chǎn)，而企業(yè)則從拉花鍵孔或滾齒開始組織生產(chǎn)，如圖1所示.

圖1 典型齒輪加工工藝

目前，齒輪生產(chǎn)常見設(shè)備有德國卡帕KX300P蝸桿磨齒機(jī)、格里森210H干切滾齒機(jī)，重慶YS3118CNC5高速滾齒機(jī)、英納福RXL160L上下料自動(dòng)線、LGMazak-QTN100數(shù)控精密車床、臺(tái)灣健和JHI-150CNC數(shù)控內(nèi)圓磨床、北京二機(jī)MKS-1320G數(shù)控外圓磨床、日本日進(jìn)E25-MM2立式珩磨機(jī)、DOOSAN-CMV920加工中心和機(jī)械手等先進(jìn)加工設(shè)備，這些設(shè)備自動(dòng)化程度較高，適當(dāng)設(shè)計(jì)一些輔助機(jī)構(gòu)和控制單元及機(jī)械手等就比較容易實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn).

2 設(shè)備操作無人化

汽摩齒輪機(jī)加工設(shè)備基本上是先進(jìn)數(shù)控機(jī)床和加工中心，其中操作人員充當(dāng)輔助產(chǎn)品加工，只需在正確時(shí)間和正確位置將物料裝上，然后等待機(jī)器加工完畢后，再加將物料卸下等.隨著人力成本的日益增加，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，很多企業(yè)越來越傾向于用工業(yè)機(jī)器人來代替人的角色，以減少人力成本的支出，而把更多的資金投入到研發(fā)工作中去，提升自身的核心竟?fàn)幜?，因而針?duì)物料裝卸等設(shè)備操作可以引入工業(yè)機(jī)器人.

工業(yè)機(jī)器人集成方案主要有以下幾類：上下料機(jī)器人、搬運(yùn)堆垛機(jī)器人、裝配機(jī)器人、拾取包裝機(jī)器人等.而無人化物料裝卸可用上下料機(jī)器人.上下料機(jī)器人系統(tǒng)主要由搬運(yùn)機(jī)器人、工件自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)啟動(dòng)裝置、自動(dòng)傳輸裝置組成，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)搬運(yùn)，具有生產(chǎn)效率高、工藝修改靈活和提高工作品質(zhì)的特點(diǎn).圖2是采用上下料機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化物料裝卸的方案，輸送到進(jìn)料緩沖區(qū)的物料，經(jīng)由一個(gè)機(jī)器人或機(jī)械手依次移至滾齒機(jī)、倒凌機(jī)、剃齒機(jī)進(jìn)行加工，然后放置到出料緩沖區(qū)移送分揀臺(tái)，因此可以作為齒輪廠生產(chǎn)布局中設(shè)備操作無人化設(shè)計(jì)方案.

圖2 設(shè)備操作無人化方案

3 物料輸送無人化

汽摩齒輪生產(chǎn)中物料輸送通常是由人力完成，根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度安排配送物料.而實(shí)際生產(chǎn)情況中，每個(gè)工位的生產(chǎn)情況各不相同，雖然車間在每個(gè)工位配有物料需求按鈕，也不能及時(shí)的把物料送到有需求的工位上去.針對(duì)物料輸送需要改變傳統(tǒng)物流模式，不再借助傳統(tǒng)的人力運(yùn)輸工具，而是采用自動(dòng)化物流設(shè)備，使物料沿輸送線自動(dòng)流轉(zhuǎn)，在需要加工的工位自動(dòng)裝卸.隨著自動(dòng)輸送線的應(yīng)用推廣，其成本也越來越低，企業(yè)在對(duì)其內(nèi)部物流進(jìn)行現(xiàn)代化改造過程中也更傾向采用自動(dòng)輸送線.

數(shù)據(jù)是車間生產(chǎn)不可或缺的信息，通過數(shù)據(jù)可以反映出生產(chǎn)車間的問題.而在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，許多齒輪制造企業(yè)仍采用手工錄入物料信息的作業(yè)，導(dǎo)致收集到的數(shù)據(jù)帶有一定的失真性和滯后性.而RFID技術(shù)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它可支持快速讀寫、實(shí)時(shí)傳輸來管控物料輸送，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)信息管理.況且，隨著RFID技術(shù)發(fā)展日趨成熟，產(chǎn)品不斷增多，成本不斷降低，RFID技術(shù)完全可以在無人化齒輪工廠中得到廣泛而切實(shí)可行的推廣和應(yīng)用.

基于自動(dòng)輸送原理和RFID射頻識(shí)別技術(shù)，在此設(shè)計(jì)出一種物料輸送無人化的方案，其工作過程表述如下.首先為確保每個(gè)工件都能正常順利地進(jìn)入加工單元中獲得加工，在每個(gè)加工單元設(shè)有進(jìn)料緩沖區(qū)和出料緩沖區(qū)，緩沖區(qū)可以是環(huán)型料盤，也可以是盤旋式鏈帶，當(dāng)物料進(jìn)入RFID讀寫器工作范圍時(shí)，讀寫器掃描電子標(biāo)簽，系統(tǒng)就根據(jù)工件號(hào)從數(shù)據(jù)庫中查詢到工件信息和加工要求.如果工件需要在該加工單元加工，就會(huì)通過分揀臺(tái)送到進(jìn)料緩沖區(qū)，等待加工.如果不需要在該單元加工，工件就直接通過傳送帶前往下一道工位.加工完成后，由機(jī)械手將物料放在出料緩沖區(qū)，等待運(yùn)送至下一道工序進(jìn)行加工，同時(shí)機(jī)床將工件的加工數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)傳到數(shù)據(jù)庫中，更新電子標(biāo)簽的工件信息，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞與共享，如圖3所示.

圖3 物料輸送無人化方案

4 生產(chǎn)管理無人化

實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作自動(dòng)化和物料輸送自動(dòng)化之后，還需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)批次管理和質(zhì)量控制等生產(chǎn)管理自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的智能化調(diào)度.為此需要針對(duì)無人化生產(chǎn)布局中的各設(shè)備生產(chǎn)能力、設(shè)備工作狀態(tài)、在制品數(shù)量以及倉庫材料成品和其他要素建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在各加工單元、輸送分揀臺(tái)、倉儲(chǔ)區(qū)域等設(shè)置RFID讀寫器、計(jì)算機(jī)處理器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)器等，選擇合適數(shù)學(xué)邏輯算法研發(fā)實(shí)時(shí)調(diào)度控制系統(tǒng)，如圖4所示.

圖4 生產(chǎn)管理無人化方案

無人化齒輪廠生產(chǎn)管理可以應(yīng)用一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器管理生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品工藝和過程狀態(tài)等數(shù)據(jù)，用一臺(tái)生產(chǎn)管理邏輯服務(wù)器運(yùn)行生產(chǎn)管理軟件和進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，若干臺(tái)終端PC電腦和RFID讀寫器分布生產(chǎn)流程所需各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送等功能，以確保系統(tǒng)達(dá)到智能管理目標(biāo).

5 無人化齒輪廠生產(chǎn)布局

基于設(shè)備操作無人化和物料輸送無人化及生產(chǎn)管理無人化的研究，在此整合獲得一種如圖5所示的無人化齒輪廠生產(chǎn)布局方案，車間可布置多條自動(dòng)化輸送線并用分揀臺(tái)銜接，以便滿足不同規(guī)格、不同工藝產(chǎn)品加工需求，實(shí)現(xiàn)多品種小批量產(chǎn)品無人化生產(chǎn).

根據(jù)多品種小批量生產(chǎn)加工特點(diǎn)，在上料區(qū)采用計(jì)算機(jī)智能計(jì)算和機(jī)械化機(jī)構(gòu)將物料按一定要求投放到傳送帶上，傳送帶可采用基于PLC控制而實(shí)現(xiàn)分段傳送，以避免某一處發(fā)生故障導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停工.傳送帶控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)終端相連，可根據(jù)電腦反饋的數(shù)據(jù)信息經(jīng)RFID讀寫器對(duì)傳送帶進(jìn)行控制.傳送帶速度可根據(jù)線上產(chǎn)品及其加工單元的加工情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié).物料隨著傳送帶向前進(jìn)，當(dāng)經(jīng)過讀寫器工作范圍時(shí)，讀寫器掃描電子標(biāo)簽，通過系統(tǒng)識(shí)別物料信息，隨后系統(tǒng)將信息反饋給分揀臺(tái).如需經(jīng)過該加工單元加工的物料，而且進(jìn)料緩沖區(qū)允許接受物料，當(dāng)物料經(jīng)過分揀臺(tái)后，由分揀臺(tái)改變物料的輸送方向，從而進(jìn)入該單元的物料緩沖區(qū)，同時(shí)系統(tǒng)也將物料信息反饋給機(jī)床和機(jī)械手，機(jī)械手得到相應(yīng)操作的指令，將物料送入指定的工序加工，待加工完后由機(jī)械手將物料取出并放入出料緩沖區(qū)，系統(tǒng)記錄其加工工時(shí)并更新物料加工信息.為了更好地實(shí)現(xiàn)多品種自動(dòng)生產(chǎn)，可對(duì)夾具進(jìn)行優(yōu)化改造，對(duì)于外圓尺寸相同或相近的零件，如果夾具心軸對(duì)這一類的零件都能起到定心的作用，那就不必更換夾具實(shí)現(xiàn)多品種產(chǎn)品加工.

圖5 無人化齒輪廠模型布局圖

對(duì)于滾-倒-剃工序設(shè)有兩組加工單元，當(dāng)工件從上一道工序加工完后，通過傳送帶上方的讀寫器，把信息傳送給系統(tǒng)后，系統(tǒng)通過控制傳送帶的分揀臺(tái)來控制物料流向.如有三種不同類型產(chǎn)品同時(shí)存在，先分別將前兩種產(chǎn)品安排在兩組加工單元中加工，系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品加工個(gè)數(shù)和加工時(shí)間判斷哪個(gè)加工用時(shí)少，同時(shí)讓第三種產(chǎn)品進(jìn)入加工用時(shí)少的進(jìn)料緩沖區(qū)，待前一種產(chǎn)品加工后，再進(jìn)行加工.其他磨內(nèi)孔-硬車端面-磨外錐加工單元、清洗-壓合-電子束焊-超聲波檢加工單元等作業(yè)過程與滾-倒-剃工序加工單元類似，而對(duì)于質(zhì)量控制可應(yīng)用合適質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備和SPC統(tǒng)計(jì)過程控制軟件接入生產(chǎn)管理系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn).當(dāng)產(chǎn)品包裝完成后送往暫存區(qū)，通過AGV小車之類自動(dòng)化器具把成品送往自動(dòng)化立體倉庫，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出入庫，讀寫器通過掃描電子標(biāo)簽將成品信息傳遞給系統(tǒng).當(dāng)有新產(chǎn)品新工藝時(shí)，可以在空白區(qū)增加新的加工設(shè)備來滿足其加工工藝，如果該生產(chǎn)線生產(chǎn)能力不足，也可以通過增加設(shè)備或者再建一條自動(dòng)化生產(chǎn)線來滿足生產(chǎn)能力.

6 結(jié) 論

機(jī)械化、自動(dòng)化、少人化、無人化是現(xiàn)代企業(yè)控制人力成本和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的有效途徑.隨著機(jī)器人應(yīng)用快速發(fā)展以及RFID產(chǎn)品和實(shí)時(shí)控制技術(shù)逐步成熟，企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)無人化基本沒有重大技術(shù)障礙.針對(duì)某齒輪企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品分類及工藝優(yōu)化，歸結(jié)出可用于工序集成和生產(chǎn)布局的汽摩齒輪典型生產(chǎn)工藝，提出了應(yīng)用機(jī)器人上下料功能和工序集成作業(yè)方法實(shí)現(xiàn)各加工單元的設(shè)備操作無人化、結(jié)合RFID射頻識(shí)別技術(shù)和輸送分揀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各物料輸送線的物料輸送無人化和借助生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)和實(shí)時(shí)在線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)各批次產(chǎn)品的生產(chǎn)管理無人化的實(shí)施措施，并整合獲得一種基于立體布局閉環(huán)自動(dòng)輸送線的多品種小批量齒輪混流生產(chǎn)無人化布局方案.由于本文研究取經(jīng)于類似應(yīng)用案例和作者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析結(jié)果和設(shè)計(jì)方案無可非議，只要企業(yè)有決心投資建設(shè)，完全能夠?qū)崿F(xiàn)汽摩齒輪無人化生產(chǎn).

本文得到了浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)學(xué)位研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CXJJ201201)的資助.

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