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）

0 引言

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。

1 系統(tǒng)介紹

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)

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

3 WTS系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 手動(dòng)程序設(shè)計(jì)

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 自動(dòng)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

3.3 原點(diǎn)復(fù)位

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)。

3.4 運(yùn)行參數(shù)設(shè)置與模式選擇

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。

4 緊急停止及異常報(bào)警

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。

5 結(jié)束語(yǔ)

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。