基于慧魚模型的柔性制造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

段振華，吳張永，吳 喜，王慶輝，溫成卓

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650093)

傳統(tǒng)的機(jī)械加工是由車、銑、刨、磨、鉆等通用機(jī)床組成的剛性生產(chǎn)線，要改變生產(chǎn)品種非常困難。柔性制造系統(tǒng)是結(jié)合傳統(tǒng)加工工藝，由多臺(tái)(種)數(shù)控機(jī)床或數(shù)組柔性制造單元、計(jì)算機(jī)信息控制系統(tǒng)及物料自動(dòng)儲(chǔ)運(yùn)裝置等組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，能根據(jù)加工對(duì)象變化迅速做出調(diào)整，具有生產(chǎn)效率高、周期短、應(yīng)變能力大、設(shè)備利用率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。為了適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的需要，增加產(chǎn)品的市場競爭力，許多國家都在發(fā)展高度自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)［1］。慧魚模型是在1964年由德國Arthur Fischer博士發(fā)明“六面拼接體”的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種具有高技術(shù)含量、便于展示科學(xué)原理及技術(shù)過程、提供創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)載體的模型。其工業(yè)模型能還原任何技術(shù)過程，模擬實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)和操作控制等，為科研創(chuàng)新及工業(yè)化生產(chǎn)的可行性論證提供保障［2］。

本文基于慧魚模型模塊化設(shè)計(jì)，創(chuàng)建了2臺(tái)機(jī)床和物料儲(chǔ)運(yùn)裝置組成的柔性制造生產(chǎn)線模型。機(jī)床能完成磨削、銑削2個(gè)工序，4條傳送帶組成的物料儲(chǔ)運(yùn)裝置可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，使加工工件運(yùn)送至指定位置。該柔性制造生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工件的連續(xù)加工，適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的需要。

1 柔性制造生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)

基于慧魚模型的柔性制造生產(chǎn)線模型如圖1所示，主要由8個(gè)電機(jī)、7個(gè)行程開關(guān)、5個(gè)光電傳感器和4條傳送帶組成。圖中M1～M8為計(jì)算機(jī)控制的8個(gè)電機(jī)，其中:M4、M6為2個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)工件的磨削加工和銑削加工，是制造單元的核心;M1、M2、M3、M5、M7、M8 為直流伺服電機(jī)，執(zhí)行動(dòng)作后，M2、M7可根據(jù)指令選擇是否改變加工工件的傳送方向，M1、M3、M5、M8根據(jù)指令將加工工件送至指定位置，共同組成柔性制造生產(chǎn)線的傳送單元;S1～S7、L1～L5為慧魚模型智能接口板的12個(gè)輸入:S1～S7為控制系統(tǒng)的7個(gè)行程開關(guān)，L1～L5為控制系統(tǒng)的5個(gè)光電傳感器;C1～C4為柔性制造生產(chǎn)線的4條傳送帶。

圖1 柔性制造生產(chǎn)線模型

2 柔性制造生產(chǎn)線的硬件設(shè)計(jì)

柔性制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的硬件由1臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)作為控制計(jì)算機(jī)，通過慧魚模型智能接口板的I/O通道將驅(qū)動(dòng)部分的伺服電動(dòng)機(jī)與參數(shù)檢測部分的光電開關(guān)、行程開關(guān)相連，共同構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件核心。慧魚模型智能接口板上集成了開關(guān)量輸入、輸出接口，并自帶微處理器，能通過串口與計(jì)算機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)上編好程序后可直接移植到接口板自帶的微處理器內(nèi)［3］。智能接口板上還提供:8個(gè)數(shù)字輸出M1～M8，可以為電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、照明燈等;12個(gè)數(shù)字輸入，可以為光敏傳感器、熱敏傳感器、行程開關(guān)等。

3 柔性制造生產(chǎn)線的軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制程序的開發(fā)是柔性制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，能使生產(chǎn)線模型按照預(yù)訂的程序執(zhí)行動(dòng)作［4］。本文采用慧魚模型專用軟件LLWin3.0圖形化編程技術(shù)開發(fā)控制程序，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)方法［5］，將設(shè)計(jì)的柔性制造生產(chǎn)線分為6個(gè)模塊。

3.1 傳送帶C1控制

輸送帶C1的控制程序流程如圖2所示。L1、L2負(fù)責(zé)檢測傳送帶C1上是否有工件存在;M1用于驅(qū)動(dòng)傳送帶C1直線運(yùn)動(dòng)。

圖2 傳送帶C1控制程序流程

3.2 工件輸入

工件輸入的控制程序流程如圖3所示。M2負(fù)責(zé)控制傳送帶C1上的工件是否輸入;M3用于驅(qū)動(dòng)傳送帶C2直線運(yùn)動(dòng);S1、S3通過工件的位置控制電機(jī)電路的通斷;L3用于檢測傳送帶C2上的工件是否到達(dá)指定位置。

圖3 工件輸入控制程序流程

3.3 磨削加工

磨削加工的控制程序流程如圖4所示。M4負(fù)責(zé)工件的磨削加工;L3、L4負(fù)責(zé)檢測傳送帶C2、傳送帶C3上的工件是否到達(dá)限定位置;VAR1為變量1，用來說明磨削加工是否已經(jīng)完成。

圖4 磨削加工控制程序流程

3.4 銑削加工

銑削加工的控制程序流程如圖5所示。M5負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳送帶C3直線運(yùn)動(dòng);M6負(fù)責(zé)工件的銑削加工;L4、L5負(fù)責(zé)檢測傳送帶C3、C4上的工件是否到達(dá)限定位置;VAR2為變量2，用來說明銑削加工是否已經(jīng)完成。

圖5 銑削加工控制程序流程

3.5 工件輸出

工件輸出的控制程序流程如圖6所示。M7負(fù)責(zé)控制傳送帶C4上的工件是否輸出;S4、S5通過工件的位置控制電機(jī)電路的通斷。

圖6 工件輸出控制程序流程

3.6 傳送帶C4控制

傳送帶C4的控制程序流程如圖7所示。M8用于驅(qū)動(dòng)輸送帶C4直線運(yùn)動(dòng);L5負(fù)責(zé)檢測傳送帶C4上是否有工件存在。

圖7 傳送帶C4控制程序流程

系統(tǒng)工作時(shí)，光電傳感器L1首先檢測進(jìn)料口是否有工件，如果進(jìn)料口有工件且L2位置無工件時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令給電機(jī)M1，驅(qū)動(dòng)傳送帶將工件送至L2位置。當(dāng)光電傳感器L3檢測磨削加工位置無工件時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令給電機(jī)M2，帶動(dòng)上料口開啟，并使電機(jī)M1、M3驅(qū)動(dòng)傳送帶將工件送至磨削加工位置，同時(shí)旋轉(zhuǎn)電機(jī)M4開始對(duì)工件進(jìn)行磨削加工，加工持續(xù)預(yù)定時(shí)間后M4停止。此時(shí)，被加工工件等待光電傳感器L4檢測銑削加工位置是否有工件，如果有工件，被加工工件將等待此處工件加工結(jié)束;如果無工件，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令給電機(jī)M3、M5，驅(qū)動(dòng)傳送帶將被加工工件送至銑削加工位置，旋轉(zhuǎn)電機(jī)M6開始對(duì)工件進(jìn)行銑削加工，加工持續(xù)預(yù)定時(shí)間后M6停止。最后，工件在銑削加工位置等待光電傳感器L5檢測出料口是否有工件，如果無工件，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令給電機(jī)M7，帶動(dòng)下料口開啟，并使M5、M8驅(qū)動(dòng)傳送帶將工件送至出料口，至此整個(gè)加工過程結(jié)束。

4 柔性制造生產(chǎn)線的運(yùn)行結(jié)果

柔性制造生產(chǎn)線模型能夠通過計(jì)算機(jī)軟件的控制，按照編寫的程序要求完成設(shè)計(jì)的工藝過程，其運(yùn)動(dòng)順序、執(zhí)行時(shí)間、控制方向準(zhǔn)確。但生產(chǎn)線由于模型中行程開關(guān)與光電傳感器的制造精度等級(jí)影響，未到達(dá)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行中的啟停位置與控制要求略有偏差。在柔性制造機(jī)床的應(yīng)用過程中，設(shè)計(jì)者可根據(jù)使用要求選擇一定精度的傳感器來改善定位精度的不足。

5 結(jié)束語

針對(duì)一種柔性制造生產(chǎn)線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)，基于慧魚模型模塊化設(shè)計(jì)創(chuàng)建了該系統(tǒng)物理模型，并通過計(jì)算機(jī)控制程序的輸入實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的連續(xù)加工，能適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的需要。同時(shí)，該柔性制造生產(chǎn)線可通過改變慧魚模型的智能接口板來增加或減少模型的硬件組成，也可通過改變計(jì)算機(jī)控制程序來改變整套制造系統(tǒng)的加工順序，完成不同種類、不同流程的加工內(nèi)容，從而達(dá)到柔性制造生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)，為柔性制造機(jī)床的開發(fā)提供了可靠保障。

［1］潘衛(wèi)軍.現(xiàn)代柔性制造技術(shù)及其發(fā)展［J］.裝備制造技術(shù)，2007(12):89 －92.

［2］曲凌.慧魚創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐教程［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2007.

［3］北京中教儀科技有限公司.慧魚工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)［K］.北京:北京中教儀科技有限公司，2007.

［4］鐘約先，林亨.機(jī)械系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［5］曹紅英，鄧娜.基于慧魚模型的無碰撞避障機(jī)器人的研究［J］.儀器儀表用戶，2009，16(2):7 －9.

［6］田志鋒，尚宏利，姚威.自動(dòng)化集成電鍍生產(chǎn)線的生產(chǎn)調(diào)度問題［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011(6):38－44.

［7］雷剛，李方奇.不銹鋼熱連軋生產(chǎn)線中的精軋除鱗改造［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011(2):43－46.