無人化齒輪廠生產布局的研究

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(1.浙江工業(yè)大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江雙環(huán)傳動機械股份有限公司，浙江 臺州 317600)

少人化、無人化是企業(yè)降耗增效的首選途徑，是國家“十二五”重大裝備發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重點內容，是企業(yè)夢寐以求的生產組織模式.齒輪產品用途廣泛，齒輪行業(yè)舉足輕重，但國內齒輪生產勞動密集，人工高昂，因此研究無人化齒輪廠，讓機械代替人工實現(xiàn)無人化生產，將對提高齒輪生產效率和促進齒輪生產企業(yè)轉型具有不可低估的作用.無人化齒輪廠，即無需人操控的全自動齒輪加工廠，借助于RFID射頻識別技術和實時控制技術實現(xiàn)程序化操作、機械化送料、智能化排程等，訂單接收、作業(yè)安排、材料索取、物料搬運、工序操作、質量控制、成品入庫、訂單交付等所有過程由計算機、識別器、機械手、輸送帶等完成，無需工作人員進入生產現(xiàn)場進行操作和管控[1].

自從20世紀80年代，國內外就開始在工業(yè)等許多領域開展無人化應用研究.如美國的K&T公司在上世紀70年代設有兩個無人加工中心UMC；德國BRANKAMP公司實現(xiàn)金屬加工過程在線監(jiān)測無人化作業(yè)；日本藤田公司開展無人化施工[2]；寧夏小巨人機床有限公司在“MTF2013制造未來展示會”上展示了小巨人“少人化、無人化、智能化”理論的最新成果[3]；韓培花從無人工廠利潤源泉的價值視角探討了無人工廠的高額利潤[4]；張靜等提出了無人化超市構建[5]；馬竹梧論述了鋼鐵工業(yè)自動化無人化的新進展[6]；董輝對水平多關節(jié)機械手進行了運動學分析與仿真[7]；陳廣構架了基于RFID技術的機動車輛監(jiān)控系統(tǒng)[8]；李曉等設計出基于RFID技術的托盤租賃系統(tǒng)結構和實施方案[9]；王猛研究與開發(fā)了基于RFID的車間制造信息管理系統(tǒng)[10]；馬紹周對混流生產效率做了研究[11].盡管早期許多生產領域專家致力于無人化齒輪廠研究卻未能獲得重大突破，但隨著RFID產品和實時控制技術不斷成熟，無人化生產已有充分技術支持，在現(xiàn)有技術經濟條件下已可以通過深入探究來建成無人化齒輪廠.

1 齒輪生產工藝分析

在日常生活中，例如乘用車5MT，6MT，AT變速器齒輪等汽摩齒輪是最典型的一類齒輪.汽摩齒輪生產企業(yè)因齒輪種類繁多、規(guī)格不一等，生產工藝往往存在很大差異.表1是某企業(yè)幾種汽摩齒輪從齒坯開始生產的工藝路線.

表1 不同產品類型的齒輪工藝路線

盡管不同汽摩齒輪生產工藝因品種、批量不一可能會采用不同生產工藝，但基于生產工藝相似性，從國內外齒輪生產調查看，比較典型的齒輪生產工藝是：截料-鍛打-正火-粗車-鉆孔-精車-粗磨-拉孔-滾齒-倒凌-剃齒-滲碳淬火-清理-打標-研孔-硬車端面-清洗-雙嚙-包裝等.由于齒輪生產工序較多，工藝流程前段幾個工序生產技術含量要求相對較低，而且可用一些廉價通用設備加工，一般齒輪成品生產企業(yè)，都把前段幾個工序委外生產，而企業(yè)則從拉花鍵孔或滾齒開始組織生產，如圖1所示.

圖1 典型齒輪加工工藝

目前，齒輪生產常見設備有德國卡帕KX300P蝸桿磨齒機、格里森210H干切滾齒機，重慶YS3118CNC5高速滾齒機、英納福RXL160L上下料自動線、LGMazak-QTN100數(shù)控精密車床、臺灣健和JHI-150CNC數(shù)控內圓磨床、北京二機MKS-1320G數(shù)控外圓磨床、日本日進E25-MM2立式珩磨機、DOOSAN-CMV920加工中心和機械手等先進加工設備，這些設備自動化程度較高，適當設計一些輔助機構和控制單元及機械手等就比較容易實現(xiàn)無人化生產.

2 設備操作無人化

汽摩齒輪機加工設備基本上是先進數(shù)控機床和加工中心，其中操作人員充當輔助產品加工，只需在正確時間和正確位置將物料裝上，然后等待機器加工完畢后，再加將物料卸下等.隨著人力成本的日益增加，工業(yè)機器人的廣泛應用，很多企業(yè)越來越傾向于用工業(yè)機器人來代替人的角色，以減少人力成本的支出，而把更多的資金投入到研發(fā)工作中去，提升自身的核心竟爭力，因而針對物料裝卸等設備操作可以引入工業(yè)機器人.

工業(yè)機器人集成方案主要有以下幾類：上下料機器人、搬運堆垛機器人、裝配機器人、拾取包裝機器人等.而無人化物料裝卸可用上下料機器人.上下料機器人系統(tǒng)主要由搬運機器人、工件自動識別系統(tǒng)、自動啟動裝置、自動傳輸裝置組成，實現(xiàn)工件的自動搬運，具有生產效率高、工藝修改靈活和提高工作品質的特點.圖2是采用上下料機器人實現(xiàn)自動化物料裝卸的方案，輸送到進料緩沖區(qū)的物料，經由一個機器人或機械手依次移至滾齒機、倒凌機、剃齒機進行加工，然后放置到出料緩沖區(qū)移送分揀臺，因此可以作為齒輪廠生產布局中設備操作無人化設計方案.

圖2 設備操作無人化方案

3 物料輸送無人化

汽摩齒輪生產中物料輸送通常是由人力完成，根據(jù)生產調度安排配送物料.而實際生產情況中，每個工位的生產情況各不相同，雖然車間在每個工位配有物料需求按鈕，也不能及時的把物料送到有需求的工位上去.針對物料輸送需要改變傳統(tǒng)物流模式，不再借助傳統(tǒng)的人力運輸工具，而是采用自動化物流設備，使物料沿輸送線自動流轉，在需要加工的工位自動裝卸.隨著自動輸送線的應用推廣，其成本也越來越低，企業(yè)在對其內部物流進行現(xiàn)代化改造過程中也更傾向采用自動輸送線.

數(shù)據(jù)是車間生產不可或缺的信息，通過數(shù)據(jù)可以反映出生產車間的問題.而在現(xiàn)實生產中，許多齒輪制造企業(yè)仍采用手工錄入物料信息的作業(yè)，導致收集到的數(shù)據(jù)帶有一定的失真性和滯后性.而RFID技術是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術，它可支持快速讀寫、實時傳輸來管控物料輸送，幫助企業(yè)實現(xiàn)自動化的生產信息管理.況且，隨著RFID技術發(fā)展日趨成熟，產品不斷增多，成本不斷降低，RFID技術完全可以在無人化齒輪工廠中得到廣泛而切實可行的推廣和應用.

基于自動輸送原理和RFID射頻識別技術，在此設計出一種物料輸送無人化的方案，其工作過程表述如下.首先為確保每個工件都能正常順利地進入加工單元中獲得加工，在每個加工單元設有進料緩沖區(qū)和出料緩沖區(qū)，緩沖區(qū)可以是環(huán)型料盤，也可以是盤旋式鏈帶，當物料進入RFID讀寫器工作范圍時，讀寫器掃描電子標簽，系統(tǒng)就根據(jù)工件號從數(shù)據(jù)庫中查詢到工件信息和加工要求.如果工件需要在該加工單元加工，就會通過分揀臺送到進料緩沖區(qū)，等待加工.如果不需要在該單元加工，工件就直接通過傳送帶前往下一道工位.加工完成后，由機械手將物料放在出料緩沖區(qū)，等待運送至下一道工序進行加工，同時機床將工件的加工數(shù)據(jù)通過計算機傳到數(shù)據(jù)庫中，更新電子標簽的工件信息，實現(xiàn)信息的實時傳遞與共享，如圖3所示.

圖3 物料輸送無人化方案

4 生產管理無人化

實現(xiàn)設備操作自動化和物料輸送自動化之后，還需要實現(xiàn)生產批次管理和質量控制等生產管理自動化，實現(xiàn)整個生產過程的智能化調度.為此需要針對無人化生產布局中的各設備生產能力、設備工作狀態(tài)、在制品數(shù)量以及倉庫材料成品和其他要素建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，并在各加工單元、輸送分揀臺、倉儲區(qū)域等設置RFID讀寫器、計算機處理器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)器等，選擇合適數(shù)學邏輯算法研發(fā)實時調度控制系統(tǒng)，如圖4所示.

圖4 生產管理無人化方案

無人化齒輪廠生產管理可以應用一臺數(shù)據(jù)服務器管理生產設備、產品工藝和過程狀態(tài)等數(shù)據(jù)，用一臺生產管理邏輯服務器運行生產管理軟件和進行實時控制，若干臺終端PC電腦和RFID讀寫器分布生產流程所需各環(huán)節(jié)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送等功能，以確保系統(tǒng)達到智能管理目標.

5 無人化齒輪廠生產布局

基于設備操作無人化和物料輸送無人化及生產管理無人化的研究，在此整合獲得一種如圖5所示的無人化齒輪廠生產布局方案，車間可布置多條自動化輸送線并用分揀臺銜接，以便滿足不同規(guī)格、不同工藝產品加工需求，實現(xiàn)多品種小批量產品無人化生產.

根據(jù)多品種小批量生產加工特點，在上料區(qū)采用計算機智能計算和機械化機構將物料按一定要求投放到傳送帶上，傳送帶可采用基于PLC控制而實現(xiàn)分段傳送，以避免某一處發(fā)生故障導致整條生產線停工.傳送帶控制系統(tǒng)和計算機終端相連，可根據(jù)電腦反饋的數(shù)據(jù)信息經RFID讀寫器對傳送帶進行控制.傳送帶速度可根據(jù)線上產品及其加工單元的加工情況進行實時調節(jié).物料隨著傳送帶向前進，當經過讀寫器工作范圍時，讀寫器掃描電子標簽，通過系統(tǒng)識別物料信息，隨后系統(tǒng)將信息反饋給分揀臺.如需經過該加工單元加工的物料，而且進料緩沖區(qū)允許接受物料，當物料經過分揀臺后，由分揀臺改變物料的輸送方向，從而進入該單元的物料緩沖區(qū)，同時系統(tǒng)也將物料信息反饋給機床和機械手，機械手得到相應操作的指令，將物料送入指定的工序加工，待加工完后由機械手將物料取出并放入出料緩沖區(qū)，系統(tǒng)記錄其加工工時并更新物料加工信息.為了更好地實現(xiàn)多品種自動生產，可對夾具進行優(yōu)化改造，對于外圓尺寸相同或相近的零件，如果夾具心軸對這一類的零件都能起到定心的作用，那就不必更換夾具實現(xiàn)多品種產品加工.

圖5 無人化齒輪廠模型布局圖

對于滾-倒-剃工序設有兩組加工單元，當工件從上一道工序加工完后，通過傳送帶上方的讀寫器，把信息傳送給系統(tǒng)后，系統(tǒng)通過控制傳送帶的分揀臺來控制物料流向.如有三種不同類型產品同時存在，先分別將前兩種產品安排在兩組加工單元中加工，系統(tǒng)根據(jù)產品加工個數(shù)和加工時間判斷哪個加工用時少，同時讓第三種產品進入加工用時少的進料緩沖區(qū)，待前一種產品加工后，再進行加工.其他磨內孔-硬車端面-磨外錐加工單元、清洗-壓合-電子束焊-超聲波檢加工單元等作業(yè)過程與滾-倒-剃工序加工單元類似，而對于質量控制可應用合適質量檢測設備和SPC統(tǒng)計過程控制軟件接入生產管理系統(tǒng)監(jiān)控實現(xiàn).當產品包裝完成后送往暫存區(qū)，通過AGV小車之類自動化器具把成品送往自動化立體倉庫，實現(xiàn)自動出入庫，讀寫器通過掃描電子標簽將成品信息傳遞給系統(tǒng).當有新產品新工藝時，可以在空白區(qū)增加新的加工設備來滿足其加工工藝，如果該生產線生產能力不足，也可以通過增加設備或者再建一條自動化生產線來滿足生產能力.

6 結 論

機械化、自動化、少人化、無人化是現(xiàn)代企業(yè)控制人力成本和實現(xiàn)生產轉型的有效途徑.隨著機器人應用快速發(fā)展以及RFID產品和實時控制技術逐步成熟，企業(yè)實現(xiàn)生產無人化基本沒有重大技術障礙.針對某齒輪企業(yè)進行產品分類及工藝優(yōu)化，歸結出可用于工序集成和生產布局的汽摩齒輪典型生產工藝，提出了應用機器人上下料功能和工序集成作業(yè)方法實現(xiàn)各加工單元的設備操作無人化、結合RFID射頻識別技術和輸送分揀機構實現(xiàn)各物料輸送線的物料輸送無人化和借助生產管理信息系統(tǒng)和實時在線控制技術實現(xiàn)各批次產品的生產管理無人化的實施措施，并整合獲得一種基于立體布局閉環(huán)自動輸送線的多品種小批量齒輪混流生產無人化布局方案.由于本文研究取經于類似應用案例和作者實踐經驗，分析結果和設計方案無可非議，只要企業(yè)有決心投資建設，完全能夠實現(xiàn)汽摩齒輪無人化生產.

本文得到了浙江工業(yè)大學機械工程學院專業(yè)學位研究生創(chuàng)新基金項目(CXJJ201201)的資助.

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