關(guān)長(zhǎng)明　劉　晏　賽宗勝　劉殿友　姜　立

(大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，遼寧 大連 116021)

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柔性托盤庫(kù)的FMS系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)

關(guān)長(zhǎng)明劉晏賽宗勝劉殿友姜立

(大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，遼寧 大連 116021)

針對(duì)客戶多品種、中小批量的產(chǎn)品特點(diǎn)和高柔性自動(dòng)化程度的要求，通過綜合分析了FMS制造系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和其未來的發(fā)展趨勢(shì)，最終為客戶設(shè)計(jì)制造了一套精益高效的基于柔性托盤庫(kù)FMS系統(tǒng)，并詳述了該系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)流程和系統(tǒng)的組成。

柔性托盤庫(kù)；自動(dòng)化；制造系統(tǒng)

隨著“中國(guó)制造2025”的提出，中國(guó)制造業(yè)面臨著轉(zhuǎn)型與升級(jí)，對(duì)加工領(lǐng)域的自動(dòng)化制造模式提出了新的需求。傳統(tǒng)的自動(dòng)化方式已經(jīng)不能適應(yīng)一些新的生產(chǎn)模式，以及加工信息數(shù)據(jù)和管理運(yùn)營(yíng)之間的交互需求。而成熟的柔性制造系統(tǒng)(flexibe manufacturing system，縮寫FMS)產(chǎn)品與應(yīng)用技術(shù)，正是解決和適應(yīng)這種需求的最佳模式。

基于柔性托盤庫(kù)的FMS系統(tǒng)適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的具有高柔性且自動(dòng)化程度高的制造系統(tǒng)，不僅能夠適應(yīng)產(chǎn)品快速變化的要求，而且能達(dá)到穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。首先，柔性托盤庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，空間得到最大化利用，毛坯工件無需堆放在地面而占用地面空間；其次，機(jī)床設(shè)備自動(dòng)化后可實(shí)現(xiàn)至少85%的利用率，幾乎不存在設(shè)定時(shí)間，受人為因素影響小，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無人操作；最后，采用自動(dòng)堆垛機(jī)作為高柔性化的物流技術(shù)裝備，提高了FMS生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，減少了操作人員數(shù)量，降低了人力成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1　以產(chǎn)品及產(chǎn)能為中心制定初步設(shè)計(jì)方案

1.1產(chǎn)品說明

首先，需要根據(jù)產(chǎn)品的外形、尺寸規(guī)格和加工內(nèi)容進(jìn)行分類。因?yàn)楫a(chǎn)品的數(shù)量決定了所需工裝夾具的數(shù)量。為了節(jié)省制造成本，將相同或相似的產(chǎn)品通過調(diào)整夾具上的零部件，以達(dá)到夾具共用的目的，同時(shí)便于產(chǎn)品上線管理。其次，要對(duì)產(chǎn)品的鑄造精度和初始基準(zhǔn)精度提出相應(yīng)的要求。因?yàn)楫a(chǎn)品是由毛坯到成品的加工，最終需要達(dá)到產(chǎn)品圖的各項(xiàng)精度要求。故產(chǎn)品毛坯工件在夾具內(nèi)的初始定位基準(zhǔn)則非常重要，必須要符合產(chǎn)品上線的要求。預(yù)加工產(chǎn)品技術(shù)要求內(nèi)容如表1所示。

表1產(chǎn)品技術(shù)要求

產(chǎn)品數(shù)量外形尺寸材質(zhì)加工要求平均加工節(jié)拍10個(gè)<400mm×400mm鑄鋁從毛坯到成品15min/件

1.2工件加工工藝的排布和夾具的設(shè)計(jì)

(1)根據(jù)10個(gè)不同產(chǎn)品的加工內(nèi)容和加工精度，制定出單個(gè)產(chǎn)品由毛坯到成品的整體工藝方案。采用臥式加工中心柔性化生產(chǎn)，使工件的加工工序更為集中，自動(dòng)化的生產(chǎn)工藝優(yōu)化統(tǒng)一了產(chǎn)品質(zhì)量。通過對(duì)這10個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行加工節(jié)拍的計(jì)算，獲得產(chǎn)品單個(gè)工序加工最短時(shí)間為8 min/件，10個(gè)產(chǎn)品的平均加工節(jié)拍為22 min/(件·臺(tái))，這樣僅需要2臺(tái)臥式加工中心即可以滿足15 min/件的平均加工節(jié)拍要求。

(2)根據(jù)工藝方案的排布繪制夾具簡(jiǎn)圖。產(chǎn)品1的夾具示意圖如圖1所示，最終確定這10個(gè)工件所需的夾具數(shù)量為28個(gè)。

夾具全部安裝在托盤上，為避免更換夾具而產(chǎn)生的停機(jī)，對(duì)生產(chǎn)造成影響，這就需要夾具便于更換，故在夾具設(shè)計(jì)上采用隨行夾緊器定位系統(tǒng)，如圖2所示。其重復(fù)定位精度為3 μm，高精、高效、穩(wěn)定可靠。當(dāng)更換其他產(chǎn)品上線時(shí)只需要將夾具底板更換即可，夾具裝卸時(shí)間不超過3 min，并且具備自動(dòng)找正功能。

隨行夾緊器動(dòng)作原理：通過對(duì)液壓油的控制，促使彈簧作用活塞桿向下移動(dòng)，鋼球在活塞桿的作用下向外擴(kuò)張，從而帶動(dòng)定位環(huán)向下移動(dòng)，移動(dòng)過程中定位環(huán)在錐體部位發(fā)生彈性變形，最終完成隨行夾緊器的強(qiáng)力夾緊和定位。隨行夾緊器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3機(jī)床選型和特殊配置的選用

1.3.1機(jī)床選型

根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格尺寸、加工精度和加工內(nèi)容，選擇臥式加工中心，機(jī)床的規(guī)格和主要技術(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2機(jī)床設(shè)備規(guī)格和主要技術(shù)參數(shù)

托盤規(guī)格/(mm×mm)500×500主軸最高轉(zhuǎn)速/(r/min)12000主電動(dòng)機(jī)額定功率/kW25X/Y/Z快移速度/(m/min)54X/Y/Z定位精度/(mm)0.008X/Y/Z重復(fù)定位精度/(mm)0.004刀具容量/把120

1.3.2機(jī)床特殊配置

(1)帶U軸的數(shù)控平旋盤(如圖4所示)：為滿足部分工件內(nèi)孔和外圓徑向加工的要求，同時(shí)節(jié)省刀具成本考慮而選用。其加工能力范圍φ160～400 mm，可以在刀具旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過U軸單元驅(qū)動(dòng)滑板徑向進(jìn)給，讓加工中心可以進(jìn)行車削加工，除此之外也可以與其它數(shù)控軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)，完成錐形面和復(fù)雜形面的加工。

(2)扭矩監(jiān)控裝置：為保證FMS柔性托盤庫(kù)的連續(xù)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要通過對(duì)機(jī)床主軸扭矩的測(cè)量，來實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具和切削過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。

(3)Renishaw測(cè)頭：工件部分孔系或平面的加工需要重新建立坐標(biāo)系，用測(cè)頭對(duì)基準(zhǔn)孔或基準(zhǔn)面進(jìn)行檢測(cè)，保證工件的加工精度。

(4)溫度補(bǔ)償功能：在機(jī)床的主要位置裝有溫度傳感元件，通過數(shù)控系統(tǒng)分析并補(bǔ)償坐標(biāo)的位置實(shí)現(xiàn)機(jī)床高精度運(yùn)行。

2　基于柔性托盤庫(kù)的自動(dòng)加工生產(chǎn)線方案的制定

2.1FMS柔性托盤庫(kù)設(shè)計(jì)方案原則

在滿足用戶產(chǎn)品和產(chǎn)能的條件下，采用低成本的初期投資，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，且便于組合布局和擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)通用的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，既提高生產(chǎn)效率，又降低了成本。FMS柔性托盤庫(kù)不僅要具備足夠的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、熱態(tài)剛性和穩(wěn)定的精度保持性，而且要采用先進(jìn)技術(shù)，保證具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。重要部位設(shè)置完整的自動(dòng)保護(hù)裝置，如加工單元、自動(dòng)堆垛機(jī)均有托盤在位、身份識(shí)別裝置等。同時(shí)具備齊全的安全門聯(lián)鎖、安全區(qū)域檢測(cè)功能，以及良好的維修特性。

2.2基于柔性托盤庫(kù)的FMS組成

基于柔性托盤庫(kù)的生產(chǎn)線平面布置如圖5所示。

2.2.1升降式堆垛機(jī)

升降式自動(dòng)堆垛機(jī)是整個(gè)FMS生產(chǎn)線系統(tǒng)中的中間環(huán)節(jié)，維系著物料輸送系統(tǒng)、CNC加工單元和儲(chǔ)存料架3個(gè)管理節(jié)點(diǎn)，其運(yùn)行速度決定了可以服務(wù)機(jī)床的臺(tái)數(shù)。

升降式堆垛機(jī)是由一臺(tái)配有4個(gè)數(shù)控軸并帶有1個(gè)鋼架的雙軌道車 (RGV)組成,如圖6所示。

X軸傳送運(yùn)動(dòng)：升降式堆垛機(jī)的一側(cè)安裝在倉(cāng)儲(chǔ)架之間，另一側(cè)安裝在垂直支撐梁上。升降式堆垛機(jī)沿著一個(gè)安裝在地面上的、與倉(cāng)儲(chǔ)架平行的運(yùn)行軌道移動(dòng)。倉(cāng)儲(chǔ)架的上部支撐梁上安裝了一個(gè)上導(dǎo)軌，由此上導(dǎo)軌支撐升降式堆垛機(jī)的上部。傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)通過齒條傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，并使用絕對(duì)編碼器測(cè)量定位。

Y軸起重傳動(dòng)：升降運(yùn)動(dòng)是通過一臺(tái)升降車完成的，此升降車又是沿著安裝在桅上的垂直導(dǎo)軌移動(dòng)的。升降車配備有超重和重量過輕控制器。由兩個(gè)滾子鏈進(jìn)行傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使用絕對(duì)編碼器測(cè)量定位。

Z軸負(fù)載處理設(shè)備：負(fù)載處理器設(shè)備安裝在升降車上。負(fù)載處理設(shè)備包括一個(gè)可以旋轉(zhuǎn) 180°的回轉(zhuǎn)臺(tái)、一個(gè)在回轉(zhuǎn)臺(tái)頂部的直線導(dǎo)軌上移動(dòng)的傳送車，以及安裝在傳送車上用于傳輸托盤的剛性叉車,如圖7所示。

升降式堆垛機(jī)采用高性能AC伺服電動(dòng)機(jī)可大幅度減少托盤運(yùn)輸?shù)难h(huán)時(shí)間，即使是加工時(shí)間較短的工件，也能有效降低加工中心的停機(jī)時(shí)間，其性能如表3所示。為保證運(yùn)行的平穩(wěn)和安全，在堆垛式升降機(jī)的兩側(cè)分別配有液壓減震器和安全限位開關(guān)用于監(jiān)控傳送運(yùn)動(dòng)。

表3堆垛式升降機(jī)性能

X/Y/Z軸速度/(m/s)2.6/0.5/0.4X/Y/Z最大加速度/(m/s2)0.7/0.4/0.4X/Y/Z重復(fù)精度/(mm)±2B軸旋轉(zhuǎn)180°所需時(shí)間/s5將一個(gè)托盤裝至升降式堆垛機(jī)上所用時(shí)間/s12裝載的最大旋轉(zhuǎn)直徑/mm1100裝載的最大高度(包括托盤)/mm1300額定承載(含托盤)/t1.3

FMS柔性托盤庫(kù)系統(tǒng)中一個(gè)托盤循環(huán)需要最多4次單傳輸。托盤通常的循環(huán)路徑為：(1)托盤從倉(cāng)庫(kù)到裝載站→托盤需要卸/裝。(2)托盤從裝載站到倉(cāng)庫(kù)→等待機(jī)床的已裝載托盤。(3)托盤從倉(cāng)庫(kù)到機(jī)床→已裝載的托盤到機(jī)械加工。(4)托盤從機(jī)床到倉(cāng)庫(kù)→已加工的托盤等待卸貨。

此系統(tǒng)的升降式堆垛機(jī)傳輸能力是每小時(shí)43雙傳輸(即86單傳輸)，這就意味著如果堆垛機(jī)服務(wù)于2臺(tái)機(jī)床，當(dāng)需要4次傳輸/循環(huán)時(shí)，一個(gè)托盤的平均加工時(shí)間必須不得少于5.6 min。

2.2.2雙層集裝箱型托盤庫(kù)

根據(jù)目前的產(chǎn)品數(shù)量和部分產(chǎn)品的增產(chǎn)需求，將FMS柔性托盤庫(kù)主系統(tǒng)中托盤位置的數(shù)量設(shè)計(jì)為42個(gè)，并采用雙層立體式結(jié)構(gòu)布置。由于托盤庫(kù)采用了

通用的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，可便于日后的增量和擴(kuò)展，如圖8所示。柔性托盤庫(kù)的設(shè)計(jì)極大地提升了預(yù)備托盤的數(shù)量，并充分利用了工廠車間的面積。大容量的物料倉(cāng)儲(chǔ)也為更長(zhǎng)時(shí)間的、無人化自動(dòng)運(yùn)行具備了更好條件。

托盤作為工件交換和轉(zhuǎn)運(yùn)依靠載體，以實(shí)現(xiàn)加工工件的交換和轉(zhuǎn)運(yùn)。每個(gè)托盤設(shè)置特定的編碼，工件的裝夾按托盤編碼和工件種類進(jìn)行，加工工件程序的調(diào)用同樣按托盤編碼和工件種類進(jìn)行。搬運(yùn)托盤的升降式堆垛機(jī)動(dòng)作根據(jù)總控制臺(tái)發(fā)出的指令，可自動(dòng)識(shí)別搬運(yùn)托盤的正確與否，確保整套系統(tǒng)的正常運(yùn)行。各個(gè)托盤在倉(cāng)儲(chǔ)架上均具有一個(gè)原始位置。

冷卻液的處理：廢料傳送盤安裝在加工托盤位置下方。滴落的冷卻液通過管道被導(dǎo)入冷卻液回流槽中，該槽安裝在系統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)模塊旁且沿其整個(gè)長(zhǎng)度敷設(shè)。冷卻液回流槽將之導(dǎo)入排水泵的冷卻液盤中。在通道的另外一側(cè)還有另外一個(gè)冷卻液回流槽，用于收集升降式堆垛機(jī)和上下料站滴落的冷卻液。

2.2.3FMS控制系統(tǒng)

FMS生產(chǎn)線控制器為柔性制造系統(tǒng)總控制中心，通過FMS柔性線控制器(計(jì)算機(jī))，進(jìn)行全系統(tǒng)的控制，可自如地安排生產(chǎn)計(jì)劃，并能靈活滿足生產(chǎn)計(jì)劃變化的需要。作為自動(dòng)化、省人化系統(tǒng)、FMS柔性制造系統(tǒng)配置必要的控制軟件完成基本功能，具有智能刀具壽命管理系統(tǒng)，智能生產(chǎn)管理與調(diào)度系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)等現(xiàn)代化生產(chǎn)數(shù)字控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)接口可與用戶的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行加工程序、加工信息相互傳遞，整個(gè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)處理傳輸高速化。同時(shí)，F(xiàn)MS柔性線控制器對(duì)加工和運(yùn)輸過程中所需各種信息自動(dòng)采集、處理、反饋，實(shí)現(xiàn)加工系統(tǒng)和物流系統(tǒng)的自動(dòng)控制和作業(yè)協(xié)調(diào)。

FMS柔性制造系統(tǒng)運(yùn)行過程：首先需要人工將工件安裝至上下料站的夾具上，之后由系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)哪臺(tái)加工中心有對(duì)應(yīng)的刀具，若其中一臺(tái)加工中心被選定，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)下載數(shù)控程序。升降式堆垛機(jī)負(fù)責(zé)自動(dòng)將有負(fù)載的托盤運(yùn)送到選定的機(jī)床，此時(shí)NC程序自動(dòng)開啟。若兩臺(tái)機(jī)床都在使用，托盤會(huì)自行調(diào)配緩沖儲(chǔ)庫(kù)上，等待就緒。

FMS柔性托盤庫(kù)生產(chǎn)線控制器連接工廠的IT系統(tǒng) (MRP, CAD/CAM, etc.)，可以采集各種你所需的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和報(bào)告，供管理和分析。網(wǎng)絡(luò)連接簡(jiǎn)圖如圖9所示。

3　結(jié)語

本文針對(duì)客戶的產(chǎn)品類型和產(chǎn)品特點(diǎn)，通過采用技術(shù)柔性化、工藝線路柔性化和生產(chǎn)管理柔性化三方面有機(jī)整體化的設(shè)計(jì)理念，為客戶設(shè)計(jì)了一套滿足其需求的FMS柔性托盤庫(kù)制造系統(tǒng)，并詳述了完整的方案設(shè)計(jì)流程。本設(shè)計(jì)方案不僅為客戶節(jié)省了地面，而且提高了設(shè)備的使用率和公司的經(jīng)濟(jì)效益。采用智能化機(jī)械與人之間將相互融合，柔性地全面協(xié)調(diào)從接受訂貨單至生產(chǎn)、銷售這一企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的全部活動(dòng)，得到了用戶的認(rèn)可和高度的評(píng)價(jià)。

[1]李洪.機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京:北京出版社,1990.

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[5]周耀輝.立體倉(cāng)庫(kù)電控系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2006.

Selection and design of FMS system based on flexible pallet magazine

GUAN Changming, LIU Yan, SAI Zongsheng, LIU Dianyou, JIANG Li

(Technical Center, Dalian Machine Tool Group Corp, Dalian 116021, CHN)

According to the requirements of customers for the multi variety and small batch product characteristics and high flexibility degree of automation,through a comprehensive analysis of the technical features of FMS flexible manufacturing system and its future development trend, and eventually for the customers design and manufacture a lean and efficient FMS system based on flexible pallet magazine, and detail the composition of the system's overall design process and system.

flexible pallet magazine; automation; manufacturing system

中國(guó)分類號(hào)：TH122B