陳銳鴻,施志敏
(1.華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,廣州 510800;2.華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院工程研究院,廣州 510800)
工件傳送系統(tǒng)(Workpiece Transport System,WTS)[1]是工廠實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要組成部分,傳輸?shù)姆绞接泻芏喾N,在車間內(nèi)部長(zhǎng)距離的傳輸,通常使用自動(dòng)引導(dǎo)小車(Automatic Guide Car,AGV),對(duì)于物料的配送非常合適,但仍然需要機(jī)械手或人工進(jìn)行上下料,相應(yīng)的運(yùn)行空間也較大[2],對(duì)于生產(chǎn)車間高度集中的地方,AGV具有非常大的局限性,不能有效地施展工作。當(dāng)前在機(jī)床加工實(shí)現(xiàn)了使用工業(yè)機(jī)器人來(lái)取放工件,達(dá)到了單機(jī)的上下料自動(dòng)化[3],由此每臺(tái)機(jī)床仍然需要配備相應(yīng)的人員來(lái)搬運(yùn)加工前和加工后的工件,這個(gè)工作量對(duì)于大型的加工廠來(lái)說(shuō)仍然是非常大。在中國(guó)制造2025的背景下,以實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化為出發(fā)點(diǎn),將各個(gè)加工單元進(jìn)行有效串聯(lián),構(gòu)建一個(gè)智能的無(wú)人車間,采用工件自動(dòng)傳送系統(tǒng)成為首要任務(wù)[4]。本文將組合機(jī)床的工件上下料,機(jī)床間的工件傳送、工件去毛刺、清洗工序通過(guò)傳送系統(tǒng)完成。
傳送系統(tǒng)的構(gòu)成:
1)輥道輸送機(jī)構(gòu)
輥道輸送機(jī)構(gòu)[5]用于傳送工件,采用變頻器加電機(jī)控制各個(gè)區(qū)間的輥道運(yùn)行。由于傳送區(qū)間較長(zhǎng),達(dá)20米,采用6個(gè)電機(jī)傳動(dòng)。輥道之間采用鏈條連接,如圖2所示。
2)擋料機(jī)構(gòu)
圖1 車間布置圖
圖2 工件擋料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
擋料機(jī)構(gòu)[6]是在工件上料時(shí),將后方的來(lái)料阻擋,以騰出上料的空間提供給機(jī)械手上料的一種機(jī)構(gòu),如圖2所示。該機(jī)構(gòu)由工件檢測(cè)傳感器、前阻擋氣缸和后阻擋氣缸及氣缸的上下限位傳感器組成。當(dāng)傳感器檢測(cè)到有工件,且沒(méi)有上料信號(hào)時(shí),后阻擋氣缸下降,下降到位,前阻擋氣缸上升,放出一個(gè)工件。當(dāng)接收到機(jī)械手放料信號(hào)時(shí),前阻擋氣缸不動(dòng)作,待放料區(qū)間的傳感器檢測(cè)到?jīng)]有工件時(shí),發(fā)出一個(gè)可放料信號(hào),機(jī)械手執(zhí)行放料。放料完成后,機(jī)械手提供放料完成信號(hào),傳送帶重新啟動(dòng)工件,工件傳送恢復(fù)正常。
3)上料機(jī)械手
上料區(qū)域控制由阻擋工件進(jìn)行控制,當(dāng)需要空出上料區(qū)域時(shí),通過(guò)阻擋機(jī)構(gòu)將區(qū)域空出,以便提供給機(jī)械手上料使用。機(jī)械手采用三軸桁架結(jié)構(gòu),采用伺服系統(tǒng)控制[8],實(shí)現(xiàn)上料、下料的自動(dòng)化。機(jī)械手運(yùn)行流程如圖3所示。
圖3 工件傳送系統(tǒng)(WTS)工作流程圖
4)工件判別機(jī)構(gòu)
工件判別是指由于車間是同時(shí)操作生產(chǎn)不同的工件,組合機(jī)床工件輸送到下一工位時(shí),需要判別工件的類型,采用大小與高低作為工件的識(shí)別特征。通過(guò)氣缸的限位傳感器,能有效識(shí)別出工件的特征。工件機(jī)構(gòu)采用橫向和縱向兩個(gè)氣缸,分別判別工件的大小和高低,通過(guò)組合來(lái)識(shí)別工件的種類,機(jī)構(gòu)如圖4所示。
5)儲(chǔ)道分流機(jī)構(gòu)
傳送系統(tǒng)末端有不同的分流道,工件識(shí)別后根據(jù)垢分流到相應(yīng)的料道,進(jìn)行再加工。分流機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為阻擋機(jī)構(gòu)和撥料機(jī)構(gòu),將不同的工件分向兩個(gè)不同的儲(chǔ)料道,分流機(jī)構(gòu)采用傳感器檢測(cè)到位,氣缸執(zhí)行撥料的工作方法。
圖4 工件判別機(jī)構(gòu)
WTS的控制器采用的是三菱Q系列PLC,Q系列PLC是三菱的中、大型PLC系列產(chǎn)品,采用模塊化架構(gòu),根據(jù)需要選擇模塊,其性能優(yōu)秀,可以適用于各種復(fù)雜機(jī)械、自動(dòng)生產(chǎn)線的控制[7]。它具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、節(jié)省成本、安裝方便、集成功能強(qiáng)、設(shè)備兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。
三軸機(jī)械手采用QD77MS4定位控制模塊,三菱Q系列PLC采用的是模塊化設(shè)計(jì),其組成有電源模塊、基板、CPU模塊、以及輸入/輸出模塊組成,每一個(gè)模塊都需要安裝在基板上進(jìn)行使用[9]。根據(jù)整個(gè)傳送系統(tǒng)的控制需求對(duì)CPU模塊進(jìn)行選型,其PLC構(gòu)成如圖5所示,表1是PLC各個(gè)模塊選型情況及IO分配。
圖5 PLC模塊組態(tài)
表1 PLC各個(gè)模塊選型情況及IO分配
工件傳送系統(tǒng)配備普洛菲斯PFXGP4402WADW七寸寬屏觸摸屏,用于設(shè)備的操作和顯示設(shè)備報(bào)警。同時(shí)觸摸屏的主菜單可以進(jìn)行不同的操作,如:生產(chǎn)模式選擇、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、警報(bào)處理、機(jī)種切換、IO顯示等功能??刂葡到y(tǒng)原理圖如圖6所示。
圖6 控制系統(tǒng)原理圖
手動(dòng)程序設(shè)計(jì)主要包括:氣缸的手動(dòng)動(dòng)作、可放料的手動(dòng)信號(hào),為了使用各個(gè)氣缸不會(huì)互相干涉,采取觸發(fā)條件+動(dòng)作條件,然后再輸出執(zhí)行氣缸的編程方法。將氣缸的動(dòng)作許可在動(dòng)作條件端設(shè)置。手動(dòng)放料信號(hào)主要是在機(jī)械手調(diào)試或者傳送帶沒(méi)有動(dòng)作時(shí),由人工提供可放料信號(hào)給機(jī)械手,執(zhí)行機(jī)械手的放料程序。手動(dòng)編程方法如圖7所示。
圖7 手動(dòng)控制程序
3.2.1 傳動(dòng)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)
電機(jī)是傳送系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源,因?yàn)樽詣?dòng)程序時(shí),必須保證電機(jī)在運(yùn)行中,當(dāng)自動(dòng)啟動(dòng)后,電機(jī)將工件往前傳送。當(dāng)出現(xiàn)緊急報(bào)警時(shí),傳送帶會(huì)立即停止,如遇工件卡住等情況,電機(jī)的電流會(huì)過(guò)載,發(fā)出報(bào)警停機(jī)。
3.2.2 自動(dòng)程序
阻擋模塊是工件傳送系統(tǒng)與8組機(jī)械手協(xié)同工件,當(dāng)機(jī)械手需要放料時(shí),機(jī)械手發(fā)出信號(hào),工件傳送系統(tǒng)準(zhǔn)備好放料的條件,后擋下,前擋上。工件不放料,機(jī)械手收到可放料信號(hào)后,執(zhí)行放料。
阻擋模塊的自動(dòng)程序分兩種情況,一是沒(méi)有放料信號(hào)時(shí),傳感器檢測(cè)到工件后,按前下后上,工件走過(guò)以后,后下前上的控制流程。二是接收到放料信號(hào)時(shí),后氣缸到達(dá)后限位后,前擋氣缸不動(dòng)作,等待放料完成后,恢復(fù)第一種情況工作。
3.2.3 工件判別程序
工件判別[12],依據(jù)工件的尺寸,在工件判斷機(jī)構(gòu)自動(dòng)地判別工件的種類,然后將工件按設(shè)置的通道分揀。由于工件的高度和大小總是有差異的,根據(jù)工件的組合判斷可以識(shí)別出工件的種類,程序如圖8所示。
圖8 工件種類判別程序
當(dāng)設(shè)備需要啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí),需要先檢測(cè)整個(gè)傳送系統(tǒng)是否處于原點(diǎn),避免程序執(zhí)行時(shí),每個(gè)動(dòng)作未能正確執(zhí)行。系統(tǒng)主要通過(guò)安裝在氣缸上的傳感器檢測(cè)每個(gè)氣缸是否在原點(diǎn),從而確認(rèn)系統(tǒng)是否在原點(diǎn),復(fù)位必須在手動(dòng)狀態(tài)下才能啟動(dòng)。
機(jī)床根據(jù)定單加工不同的工件,在傳送帶后面需要將工件進(jìn)行識(shí)別和分揀,每個(gè)工位需要設(shè)置其要傳送的工件類型,以及不同的工件從不同的出料口輸出。
圖9 機(jī)種切換操作界面
A儲(chǔ)料道和B儲(chǔ)料道工件的選擇,通過(guò)機(jī)種切換功能可以將判別工件分別輸送到指定的通道。圖9是機(jī)種切換操作界面。
緊急停止[10]是在系統(tǒng)出現(xiàn)異?;蛉藶椴僮髟O(shè)備緊急停止的情況下運(yùn)行,以保障設(shè)備和操作人員的安全的功能。緊急停止分為人為操作緊急停止和系統(tǒng)異常停止,人為操作緊急停止包括安全門打開(kāi)、急停按鈕按下;系統(tǒng)異常急停包括變頻器異常、氣壓報(bào)警、傳感器故障、系統(tǒng)未在原點(diǎn)等情況。在系統(tǒng)運(yùn)行前需清除所有異常狀況,才能自動(dòng)運(yùn)行,如果運(yùn)行時(shí)發(fā)生異常,系統(tǒng)需立即停機(jī),并進(jìn)行異常去除。
異常報(bào)警[11]是一個(gè)設(shè)備非常重要的功能,設(shè)備正常時(shí),設(shè)備才可以正常運(yùn)行。設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí),程序能發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào),提示操作人員,設(shè)備異常。設(shè)備的異常有變頻器異常、氣壓異常、氣缸異常、系統(tǒng)不在原點(diǎn)、上次啟動(dòng)判別后的工件未排除、A料道與設(shè)置不符、B料道與設(shè)置不符和工件異常等情況,當(dāng)出現(xiàn)上面任一異?,F(xiàn)象,設(shè)備將發(fā)出異常報(bào)警信號(hào),整個(gè)傳送系統(tǒng)會(huì)立即停止,待異常排除后,按復(fù)位后才能消除報(bào)警。
基于Q系列PLC和CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線多機(jī)床工位間工件傳送系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)多工位串聯(lián),不同工件同時(shí)生產(chǎn)傳送控制系統(tǒng),系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在某汽車配件廠的生產(chǎn)運(yùn)行,效果良好,運(yùn)行穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提升。通過(guò)傳送系統(tǒng)將多個(gè)組合機(jī)床串聯(lián)起來(lái),可以有效改善現(xiàn)有的單機(jī)自動(dòng)化的模式,提升整車間協(xié)同生產(chǎn)的效率,向無(wú)人工廠的模式邁進(jìn)了重要一步。工件傳送系統(tǒng)在多工件組合機(jī)床車間的運(yùn)用,也可以給其他的多工位生產(chǎn)車間提供參考。