石社軒，史亞貝

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 柔性制造河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 南陽(yáng) 473009)

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活塞柔性生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)方案設(shè)計(jì)*

石社軒，史亞貝

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 柔性制造河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 南陽(yáng) 473009)

根據(jù)生產(chǎn)、科研和教學(xué)的需求，按照先期的設(shè)備布局，設(shè)計(jì)一條發(fā)動(dòng)機(jī)活塞加工的柔性生產(chǎn)線(xiàn)，在先期確立的機(jī)器人地軌主線(xiàn)和滾筒、倍速鏈支線(xiàn)組合方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)的柔性、先進(jìn)性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等目標(biāo)要求，完善了生產(chǎn)線(xiàn)總體方案，提出了生產(chǎn)線(xiàn)電氣控制部分的技術(shù)方案，制定了機(jī)械傳輸部分的技術(shù)方案，確定了機(jī)器人地軌式主線(xiàn)和滾筒式、倍速鏈?zhǔn)街Ь€(xiàn)的類(lèi)型和基本技術(shù)參數(shù)。為下一步建設(shè)施工建設(shè)提供技術(shù)支持和技術(shù)保障。

柔性生產(chǎn)線(xiàn)；技術(shù)方案；設(shè)計(jì)；機(jī)器人

0 引言

柔性生產(chǎn)線(xiàn)以其高度的智能化和柔性化受到推崇，柔性制造河南省工程實(shí)驗(yàn)室根據(jù)生產(chǎn)和科研的需求，建設(shè)一條融合多種傳輸方式的綜合的柔性生產(chǎn)線(xiàn)[1]，生產(chǎn)線(xiàn)的加工對(duì)象是發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等回轉(zhuǎn)類(lèi)零件。關(guān)于生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)，已有文獻(xiàn)[2-7]提出了公理化設(shè)計(jì)、行為化設(shè)計(jì)、線(xiàn)平衡理論等生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)的諸多原則和方法，考慮柔性生產(chǎn)線(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)于具體柔性生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)要具體問(wèn)題具體分析，本文在文獻(xiàn)[1]確定的生產(chǎn)線(xiàn)總體方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步論證生產(chǎn)線(xiàn)具體技術(shù)方案和功能的實(shí)現(xiàn)。

1 柔性生產(chǎn)線(xiàn)的總體布局

機(jī)械加工設(shè)備先期已經(jīng)安裝到位，生產(chǎn)線(xiàn)的總體布局見(jiàn)圖1?；静季质牵褐骶€(xiàn)布置在兩排設(shè)備的中間，圖1上方的車(chē)床由機(jī)器人直接將物料送至工作臺(tái)，下方的幾臺(tái)加工中心物料傳輸通過(guò)支線(xiàn)傳輸至工作臺(tái)，有四條分支線(xiàn)，左側(cè)設(shè)計(jì)有立體倉(cāng)庫(kù)和堆垛機(jī)。車(chē)床一側(cè)右上部設(shè)置三坐標(biāo)檢測(cè)設(shè)備。

圖1 生產(chǎn)線(xiàn)總體方案圖

2 生產(chǎn)線(xiàn)方案確定

該生產(chǎn)線(xiàn)既是非標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)設(shè)備，又是教學(xué)和科學(xué)研究對(duì)象。作為生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)線(xiàn)主要用于生產(chǎn)回轉(zhuǎn)類(lèi)零件，由于用戶(hù)的性質(zhì)，生產(chǎn)線(xiàn)也要求能用于教學(xué)和科研，生產(chǎn)線(xiàn)同時(shí)具有先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性以及較好的柔性。

2.1 生產(chǎn)線(xiàn)功能的實(shí)現(xiàn)

文獻(xiàn)[1]中提出了本生產(chǎn)線(xiàn)的總體方案，生產(chǎn)線(xiàn)的機(jī)械傳輸方式有機(jī)器人、AGV小車(chē)、滾筒式、鏈板式等多種，由于成本的考慮，柔性生產(chǎn)線(xiàn)多采用單一物流傳輸方式的生產(chǎn)線(xiàn)。融機(jī)器人、滾筒和鏈板式等多種機(jī)械傳輸方式于一體的柔性生產(chǎn)線(xiàn)并不多見(jiàn)，考慮到生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，基于適用的原則，本生產(chǎn)線(xiàn)是在充分調(diào)研市場(chǎng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和零部件供應(yīng)商的技術(shù)水平，對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)生產(chǎn)線(xiàn)基本功能。按照生產(chǎn)用的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，機(jī)器人按照150kg運(yùn)載能力設(shè)計(jì)，配套機(jī)床可以用于一般零部件的生產(chǎn)制造，生產(chǎn)線(xiàn)具有連續(xù)生產(chǎn)能力，加工精度能夠滿(mǎn)足精密光學(xué)結(jié)構(gòu)的要求；生產(chǎn)線(xiàn)具有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的功能，各運(yùn)輸分支線(xiàn)可以結(jié)合市場(chǎng)需求重新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，控制器預(yù)留進(jìn)一步研發(fā)的接口。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)成開(kāi)放的系統(tǒng)，具有擴(kuò)展功能。實(shí)現(xiàn)教學(xué)演示、生產(chǎn)和科研的一體化。

(2)柔性化水平。以機(jī)器人作為運(yùn)輸工具的軌道式運(yùn)輸線(xiàn)，能夠滿(mǎn)足10臺(tái)左右的機(jī)床的生產(chǎn)需求，可以滿(mǎn)足不同直徑的活塞加工的需求，除活塞系列外，還可以實(shí)現(xiàn)重量小于60kg、形狀較為復(fù)雜的軸套類(lèi)、箱體類(lèi)金屬材質(zhì)的零件的加工。

(3)先進(jìn)性。一是在機(jī)械傳輸方式上，綜合分析在用的滾筒線(xiàn)、鏈板線(xiàn)、機(jī)器人以及AGV小車(chē)等技術(shù)，確定機(jī)器人搬運(yùn)為主線(xiàn)，多種傳輸方式綜合的生產(chǎn)物流線(xiàn)；二是運(yùn)用PAC的電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)搬運(yùn)機(jī)械手和數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)控制，PAC可以與EMS/ERP等軟件集成，實(shí)現(xiàn)基于PROFIBUS/Ethernet等的高度分散性的工廠(chǎng)自動(dòng)化環(huán)境，達(dá)到對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的控制與調(diào)整。三是采用RFID的數(shù)據(jù)采集技術(shù)；四是運(yùn)用可視化的柔性生產(chǎn)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，可以隨時(shí)直觀了解并監(jiān)控到車(chē)間的生產(chǎn)進(jìn)度狀況、數(shù)控機(jī)床等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

(4)經(jīng)濟(jì)性。一是盡量采用通用和成熟技術(shù)，二是使用本單位有合作關(guān)系的技術(shù)(GEPAC技術(shù))。

2.2 生產(chǎn)線(xiàn)物流系統(tǒng)描述

柔性生產(chǎn)線(xiàn)基本組成部分有自動(dòng)加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、信息系統(tǒng)等。

景觀設(shè)計(jì)中的傳統(tǒng)文化應(yīng)用已經(jīng)成為了熱點(diǎn)，這說(shuō)明傳統(tǒng)文化的魅力不減反增，雖然這種現(xiàn)象是令人可喜的，但是同時(shí)我們也注意到，景觀建筑設(shè)計(jì)中的傳統(tǒng)文化應(yīng)用出現(xiàn)了集中化問(wèn)題，有很多冷門(mén)的傳統(tǒng)文化仍然沒(méi)有很好地引起我們的重視，這也是令我們十分擔(dān)憂(yōu)的問(wèn)題，希望在今后的景觀建筑設(shè)計(jì)中能夠全面地去開(kāi)發(fā)和應(yīng)用傳統(tǒng)文化。

物流線(xiàn)主體由1臺(tái)機(jī)器人、行走軌道及分支線(xiàn)組成。機(jī)器人從上料端取料，通過(guò)行走軌道，移動(dòng)至各個(gè)支線(xiàn)處，放料至分支線(xiàn)，工件隨支線(xiàn)輸送至各個(gè)工位。行走軌道內(nèi)置機(jī)器人控制線(xiàn)路，外側(cè)是行走軌道。分支線(xiàn)結(jié)構(gòu)為雙層滾筒式和鏈板式輸送線(xiàn)，長(zhǎng)度由機(jī)器人和設(shè)備之間的位置確定。

總控系統(tǒng)由電源總控制系統(tǒng)、GE PAC Rx3i主控制器、ERP軟件系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，生產(chǎn)線(xiàn)的所有數(shù)據(jù)均可由總控制臺(tái)收集獲取，可通過(guò)總控調(diào)度分配各個(gè)模塊的工作職能。

軟件系統(tǒng)由企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)、生產(chǎn)物流系統(tǒng)(PLM)等幾部分組成。

3 機(jī)械傳輸系統(tǒng)選型及參數(shù)

機(jī)械傳輸系統(tǒng)包括機(jī)器人及行走軌道、滾筒線(xiàn)、升降機(jī)構(gòu)、物料平臺(tái)等部分，物流傳輸系統(tǒng)一是實(shí)現(xiàn)物料的傳輸，二是實(shí)現(xiàn)地軌機(jī)器人、滾筒和鏈板線(xiàn)之間的良好的銜接。

3.1 機(jī)器人及行走軌道

(1)機(jī)器人采用安川或者ABB機(jī)器人，額定載重大于150kg，工作半徑不小于3.0m，整體采購(gòu)。手爪部分可以根據(jù)工作需要來(lái)設(shè)計(jì)。行走軌道內(nèi)置機(jī)器人控制線(xiàn)路，外側(cè)是行走軌道，如圖2所示。

圖2 機(jī)器人及行走軌道示意圖

(2)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了保證行走機(jī)構(gòu)能夠保持水平，且和地面接觸牢固，行走機(jī)構(gòu)上每隔400mm就設(shè)置一組調(diào)節(jié)地腳，每隔800mm的調(diào)節(jié)地腳就用膨脹螺釘和地面進(jìn)行固定；行走機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向采用直線(xiàn)滑軌，滑塊材質(zhì)GCr15軸承鋼。下鋪鋁合金支撐軌，保證導(dǎo)柱的接縫處沒(méi)有任何偏差；考慮到行走軌道較長(zhǎng)，傳動(dòng)部件采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條進(jìn)行傳動(dòng)。伺服電機(jī)安裝在機(jī)器人的行走固定座上，齒條安裝在固定導(dǎo)軌上。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪在齒條上滾動(dòng)，由于齒條不動(dòng)，在反作用力的情況下，齒輪、伺服電機(jī)就會(huì)向前前進(jìn)或后退，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)器人本體前進(jìn)或后退；行走軌道內(nèi)置機(jī)器人控制線(xiàn)路，為了保證控制線(xiàn)路運(yùn)行順暢，線(xiàn)路外側(cè)套由坦克拖鏈；機(jī)器人及行走軌道控制采用臺(tái)達(dá)伺服系統(tǒng)，可靠保證行走精度。

(3)機(jī)器人手抓采用插齒型設(shè)計(jì)，類(lèi)似于叉車(chē)，方便機(jī)器人插取托盤(pán)。抓取重量不低于100kg。

3.2 滾筒式分支線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾筒線(xiàn)為鋁型材、動(dòng)力積放滾筒式、雙層滾筒式輸送結(jié)構(gòu)。鏈條的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)電機(jī)的變頻調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。滾筒線(xiàn)一端帶有升降裝置(雙層線(xiàn))，如圖3所示。滾筒線(xiàn)上安裝阻擋氣缸和頂升機(jī)構(gòu)。

圖3 滾筒線(xiàn)組成示意圖

(1)滾筒線(xiàn)寬600mm，長(zhǎng)2500mm，雙層機(jī)構(gòu)，滾筒直徑φ60mm。采用交流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙層機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證了機(jī)器人可以連續(xù)供取料,提高了效率。

(2)升降平臺(tái)負(fù)責(zé)將工件托盤(pán)由上層滾筒轉(zhuǎn)移到下層滾筒上，使上料和出料互不干涉。升降平臺(tái)寬500mm，長(zhǎng)600mm，升降高度500mm，由中大直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)方式采用防滑皮帶傳動(dòng)。

(3)阻擋機(jī)構(gòu)是使工件托盤(pán)運(yùn)行到指定位置后停止，其由氣缸驅(qū)動(dòng)，可以上下伸縮，當(dāng)氣缸伸出時(shí)為擋料狀態(tài)，氣缸下降時(shí)為放料狀態(tài)。

3.3 倍速鏈分支傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)

倍速鏈輸送機(jī)主要用于裝配及加工生產(chǎn)線(xiàn)中的物料輸送，其輸送原理是運(yùn)用倍速鏈條的增速功能，使其上承托貨物的工裝板快速運(yùn)行，通過(guò)阻擋器停止于相應(yīng)的操作位置；或通過(guò)相或通過(guò)相應(yīng)指令來(lái)完成積放動(dòng)作及移行、轉(zhuǎn)位、專(zhuān)線(xiàn)等功能。本物流線(xiàn)采用倍速鏈的主要目的在于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)物流線(xiàn)的多樣性，將其作為適用對(duì)象和研究對(duì)象來(lái)對(duì)待。該系統(tǒng)上所配的倍速鏈輸送機(jī)為雙層輸送線(xiàn)，一端帶有升降平臺(tái)，如圖4所示。

圖4 倍速鏈組成示意圖

倍速鏈線(xiàn)寬500mm，長(zhǎng)2500mm，雙層機(jī)構(gòu)，滾子直徑φ24mm，倍速大于2.0。采用臺(tái)灣城邦交流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雙層機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證了機(jī)器人可以連續(xù)供/取料,提高了效率。升降平臺(tái)和和阻擋機(jī)構(gòu)同滾筒支線(xiàn)。

3.4 物料放置平臺(tái)

該物料放置平臺(tái)是用于加工設(shè)備臨時(shí)放置帶有工件的工裝托盤(pán)的。接到上位指令，機(jī)器人將毛坯工裝托盤(pán)從毛坯庫(kù)取出，放置在平臺(tái)上，供加工設(shè)備上下物料使用，見(jiàn)圖5。

圖5 物料放置平臺(tái)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

在前期總體方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一條以機(jī)器人為主線(xiàn)，融合多種傳輸方式的柔性生產(chǎn)線(xiàn)，本生產(chǎn)線(xiàn)的特點(diǎn)是不同傳輸方式之間可以順利銜接，生產(chǎn)線(xiàn)能夠滿(mǎn)足科研、教學(xué)和生產(chǎn)需求。實(shí)現(xiàn)了柔性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的目標(biāo)。以該技術(shù)方案為藍(lán)本的進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)的建設(shè)正在進(jìn)行中。

[1] 石社軒，任燕，史亞貝,等.發(fā)動(dòng)機(jī)活塞柔性制造生產(chǎn)線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2015,37(10)：100-103.

[2] 劉彬，王德權(quán).發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)MES信息系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)件追溯方法的研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2015(3):154-156.

[3] 劉殿有.剛?cè)峤Y(jié)合的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)自動(dòng)線(xiàn)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2015(2)：148-150.

[4] 何自璋，朱永國(guó)，孫士平.基于Pro Model的連桿生產(chǎn)線(xiàn)構(gòu)建與仿真[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2015(2)：138-141.

[5] 劉冠麟.柔性生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2014.

[6] 陳斌.柔性制造系統(tǒng)在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代零部件,2013(6)：60-61.

[7] 吳立杰.基于線(xiàn)平衡理論的鍛鋼活塞生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南:齊魯工業(yè)大學(xué),2013.

(編輯 李秀敏)

Piston Flexible Manufacturing Line Program Designing

SHI She-xuan，SHI Ya-bei

(Flexible Manufacturing Engineering Laboratory of Henan Province,Henan Polytechnic Institute,Nanyang Henan 473009,China)

According to layout of equipment before, designs an engine piston manufacturing flexible line to meet the needs of production, research and teaching. Based on early general program—robot rail mainline and drum, speed chain branch mixed program, to realize the target of flexible, advanced, and practical and economy line, completes general program, proposes line electrical control program, designs mechanical transmission program, determines type and technical parameter of robot rail mainline and drum , speed chain branch. Provides technical support for further construction.

flexible manufacturing line; technical scheme;designing;robot

1001-2265(2016)10-0128-02

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.033

2015-12-16；

2016-02-02

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(142102210369)

石社軒(1968—)，河南伊川縣人，河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，工程師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)制造與性能，(E-mail)ssx08@sina.com。

TH122;TG65

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