活塞柔性生產(chǎn)線技術方案設計*

石社軒，史亞貝

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院 柔性制造河南省工程實驗室，河南 南陽 473009)

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活塞柔性生產(chǎn)線技術方案設計*

石社軒，史亞貝

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院 柔性制造河南省工程實驗室，河南 南陽 473009)

根據(jù)生產(chǎn)、科研和教學的需求，按照先期的設備布局，設計一條發(fā)動機活塞加工的柔性生產(chǎn)線，在先期確立的機器人地軌主線和滾筒、倍速鏈支線組合方案的基礎上，根據(jù)生產(chǎn)線建設的柔性、先進性、實用性、經(jīng)濟性等目標要求，完善了生產(chǎn)線總體方案，提出了生產(chǎn)線電氣控制部分的技術方案，制定了機械傳輸部分的技術方案，確定了機器人地軌式主線和滾筒式、倍速鏈式支線的類型和基本技術參數(shù)。為下一步建設施工建設提供技術支持和技術保障。

柔性生產(chǎn)線；技術方案；設計；機器人

0 引言

柔性生產(chǎn)線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驗室根據(jù)生產(chǎn)和科研的需求，建設一條融合多種傳輸方式的綜合的柔性生產(chǎn)線[1]，生產(chǎn)線的加工對象是發(fā)動機活塞等回轉(zhuǎn)類零件。關于生產(chǎn)線的設計，已有文獻[2-7]提出了公理化設計、行為化設計、線平衡理論等生產(chǎn)線設計的諸多原則和方法，考慮柔性生產(chǎn)線是一個復雜的非標準設備，對于具體柔性生產(chǎn)線建設要具體問題具體分析，本文在文獻[1]確定的生產(chǎn)線總體方案的基礎上，進一步論證生產(chǎn)線具體技術方案和功能的實現(xiàn)。

1 柔性生產(chǎn)線的總體布局

機械加工設備先期已經(jīng)安裝到位，生產(chǎn)線的總體布局見圖1?；静季质牵褐骶€布置在兩排設備的中間，圖1上方的車床由機器人直接將物料送至工作臺，下方的幾臺加工中心物料傳輸通過支線傳輸至工作臺，有四條分支線，左側(cè)設計有立體倉庫和堆垛機。車床一側(cè)右上部設置三坐標檢測設備。

圖1 生產(chǎn)線總體方案圖

2 生產(chǎn)線方案確定

該生產(chǎn)線既是非標準生產(chǎn)設備，又是教學和科學研究對象。作為生產(chǎn)設備，生產(chǎn)線主要用于生產(chǎn)回轉(zhuǎn)類零件，由于用戶的性質(zhì)，生產(chǎn)線也要求能用于教學和科研，生產(chǎn)線同時具有先進性、經(jīng)濟性、實用性以及較好的柔性。

2.1 生產(chǎn)線功能的實現(xiàn)

文獻[1]中提出了本生產(chǎn)線的總體方案，生產(chǎn)線的機械傳輸方式有機器人、AGV小車、滾筒式、鏈板式等多種，由于成本的考慮，柔性生產(chǎn)線多采用單一物流傳輸方式的生產(chǎn)線。融機器人、滾筒和鏈板式等多種機械傳輸方式于一體的柔性生產(chǎn)線并不多見，考慮到生產(chǎn)線設計的復雜性，基于適用的原則，本生產(chǎn)線是在充分調(diào)研市場成熟技術的基礎上，基于設計經(jīng)驗和零部件供應商的技術水平，對生產(chǎn)線功能進行設計。

(1)生產(chǎn)線基本功能。按照生產(chǎn)用的自動化生產(chǎn)線標準設計，機器人按照150kg運載能力設計，配套機床可以用于一般零部件的生產(chǎn)制造，生產(chǎn)線具有連續(xù)生產(chǎn)能力，加工精度能夠滿足精密光學結構的要求；生產(chǎn)線具有進一步開發(fā)設計的功能，各運輸分支線可以結合市場需求重新設計開發(fā)，控制器預留進一步研發(fā)的接口。應用軟件設計成開放的系統(tǒng)，具有擴展功能。實現(xiàn)教學演示、生產(chǎn)和科研的一體化。

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

(3)先進性。一是在機械傳輸方式上，綜合分析在用的滾筒線、鏈板線、機器人以及AGV小車等技術，確定機器人搬運為主線，多種傳輸方式綜合的生產(chǎn)物流線；二是運用PAC的電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)線搬運機械手和數(shù)控機床的自動控制，PAC可以與EMS/ERP等軟件集成，實現(xiàn)基于PROFIBUS/Ethernet等的高度分散性的工廠自動化環(huán)境，達到對整個生產(chǎn)線的控制與調(diào)整。三是采用RFID的數(shù)據(jù)采集技術；四是運用可視化的柔性生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)，可以隨時直觀了解并監(jiān)控到車間的生產(chǎn)進度狀況、數(shù)控機床等設備的運行狀態(tài)。

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

2.2 生產(chǎn)線物流系統(tǒng)描述

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

景觀設計中的傳統(tǒng)文化應用已經(jīng)成為了熱點，這說明傳統(tǒng)文化的魅力不減反增，雖然這種現(xiàn)象是令人可喜的，但是同時我們也注意到，景觀建筑設計中的傳統(tǒng)文化應用出現(xiàn)了集中化問題，有很多冷門的傳統(tǒng)文化仍然沒有很好地引起我們的重視，這也是令我們十分擔憂的問題，希望在今后的景觀建筑設計中能夠全面地去開發(fā)和應用傳統(tǒng)文化。

物流線主體由1臺機器人、行走軌道及分支線組成。機器人從上料端取料，通過行走軌道，移動至各個支線處，放料至分支線，工件隨支線輸送至各個工位。行走軌道內(nèi)置機器人控制線路，外側(cè)是行走軌道。分支線結構為雙層滾筒式和鏈板式輸送線，長度由機器人和設備之間的位置確定。

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)線的所有數(shù)據(jù)均可由總控制臺收集獲取，可通過總控調(diào)度分配各個模塊的工作職能。

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

3 機械傳輸系統(tǒng)選型及參數(shù)

機械傳輸系統(tǒng)包括機器人及行走軌道、滾筒線、升降機構、物料平臺等部分，物流傳輸系統(tǒng)一是實現(xiàn)物料的傳輸，二是實現(xiàn)地軌機器人、滾筒和鏈板線之間的良好的銜接。

3.1 機器人及行走軌道

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

圖2 機器人及行走軌道示意圖

(2)行走機構設計。為了保證行走機構能夠保持水平，且和地面接觸牢固，行走機構上每隔400mm就設置一組調(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行固定；行走機構的導向采用直線滑軌，滑塊材質(zhì)GCr15軸承鋼。下鋪鋁合金支撐軌，保證導柱的接縫處沒有任何偏差；考慮到行走軌道較長，傳動部件采用伺服電機驅(qū)動齒輪齒條進行傳動。伺服電機安裝在機器人的行走固定座上，齒條安裝在固定導軌上。電機轉(zhuǎn)動帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪在齒條上滾動，由于齒條不動，在反作用力的情況下，齒輪、伺服電機就會向前前進或后退，進而帶動機器人本體前進或后退；行走軌道內(nèi)置機器人控制線路，為了保證控制線路運行順暢，線路外側(cè)套由坦克拖鏈；機器人及行走軌道控制采用臺達伺服系統(tǒng)，可靠保證行走精度。

(3)機器人手抓采用插齒型設計，類似于叉車，方便機器人插取托盤。抓取重量不低于100kg。

3.2 滾筒式分支線結構設計

滾筒線為鋁型材、動力積放滾筒式、雙層滾筒式輸送結構。鏈條的轉(zhuǎn)速可以通過電機的變頻調(diào)節(jié)來實現(xiàn)調(diào)速。滾筒線一端帶有升降裝置(雙層線)，如圖3所示。滾筒線上安裝阻擋氣缸和頂升機構。

圖3 滾筒線組成示意圖

(1)滾筒線寬600mm，長2500mm，雙層機構，滾筒直徑φ60mm。采用交流減速電機驅(qū)動雙層機構的設計，保證了機器人可以連續(xù)供取料,提高了效率。

(2)升降平臺負責將工件托盤由上層滾筒轉(zhuǎn)移到下層滾筒上，使上料和出料互不干涉。升降平臺寬500mm，長600mm，升降高度500mm，由中大直流減速電機驅(qū)動。傳動方式采用防滑皮帶傳動。

(3)阻擋機構是使工件托盤運行到指定位置后停止，其由氣缸驅(qū)動，可以上下伸縮，當氣缸伸出時為擋料狀態(tài)，氣缸下降時為放料狀態(tài)。

3.3 倍速鏈分支傳輸線設計

倍速鏈輸送機主要用于裝配及加工生產(chǎn)線中的物料輸送，其輸送原理是運用倍速鏈條的增速功能，使其上承托貨物的工裝板快速運行，通過阻擋器停止于相應的操作位置；或通過相或通過相應指令來完成積放動作及移行、轉(zhuǎn)位、專線等功能。本物流線采用倍速鏈的主要目的在于實現(xiàn)生產(chǎn)物流線的多樣性，將其作為適用對象和研究對象來對待。該系統(tǒng)上所配的倍速鏈輸送機為雙層輸送線，一端帶有升降平臺，如圖4所示。

圖4 倍速鏈組成示意圖

倍速鏈線寬500mm，長2500mm，雙層機構，滾子直徑φ24mm，倍速大于2.0。采用臺灣城邦交流減速電機驅(qū)動，雙層機構的設計保證了機器人可以連續(xù)供/取料,提高了效率。升降平臺和和阻擋機構同滾筒支線。

3.4 物料放置平臺

該物料放置平臺是用于加工設備臨時放置帶有工件的工裝托盤的。接到上位指令，機器人將毛坯工裝托盤從毛坯庫取出，放置在平臺上，供加工設備上下物料使用，見圖5。

圖5 物料放置平臺示意圖

4 結束語

在前期總體方案的基礎上，通過市場調(diào)研、根據(jù)經(jīng)驗，設計了一條以機器人為主線，融合多種傳輸方式的柔性生產(chǎn)線，本生產(chǎn)線的特點是不同傳輸方式之間可以順利銜接，生產(chǎn)線能夠滿足科研、教學和生產(chǎn)需求。實現(xiàn)了柔性、經(jīng)濟性和實用性的目標。以該技術方案為藍本的進行生產(chǎn)線的建設正在進行中。

[1] 石社軒，任燕，史亞貝,等.發(fā)動機活塞柔性制造生產(chǎn)線優(yōu)化設計[J].制造業(yè)自動化,2015,37(10)：100-103.

[2] 劉彬，王德權.發(fā)動機裝配線MES信息系統(tǒng)中標準件追溯方法的研究[J].組合機床與自動化加工技術,2015(3):154-156.

[3] 劉殿有.剛?cè)峤Y合的發(fā)動機缸體生產(chǎn)自動線設計[J].組合機床與自動化加工技術,2015(2)：148-150.

[4] 何自璋，朱永國，孫士平.基于Pro Model的連桿生產(chǎn)線構建與仿真[J].組合機床與自動化加工技術,2015(2)：138-141.

[5] 劉冠麟.柔性生產(chǎn)線的設計理論與應用研究[D].長春:吉林大學，2014.

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

[7] 吳立杰.基于線平衡理論的鍛鋼活塞生產(chǎn)線設計[D].濟南:齊魯工業(yè)大學,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

河南省科技攻關項目(142102210369)

石社軒(1968—)，河南伊川縣人，河南工業(yè)職業(yè)技術學院副教授，工程師，研究方向為內(nèi)燃機制造與性能，(E-mail)ssx08@sina.com。

TH122;TG65

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