基于Festo智能制造平臺的自動輸送線設(shè)計*

韓 穎，李洋流，張曉冬，賈衛(wèi)平

（大連大學(xué)機械工程學(xué)院， 遼寧大連 116622）

0 引言

自動制造系統(tǒng)集生產(chǎn)加工、部件組裝、搬運分揀等功能，由光、機、電、算、氣、控制、網(wǎng)絡(luò)與機器人于一體，是 “中國制造” 中智能制造及智能化生產(chǎn)線中的重要單元，為無人操作或遠(yuǎn)程操作提供了可行性[1-4]。自動輸送線作為自動制造系統(tǒng)的重要一環(huán)，以其生產(chǎn)的高效率、產(chǎn)品的高精度和高質(zhì)量廣泛應(yīng)用于汽車、電子、家電、輕工、物流和倉儲等領(lǐng)域[5]，尤其是對于尺寸小、異型零件的制造，更是在輸送[6]、供料[7]、分揀[8]、檢測[9-10]、裝配[3]等體現(xiàn)出特有優(yōu)勢。如對于小功率伺服電機的制造，將前端蓋、后端蓋、機殼、轉(zhuǎn)軸等零件的給料、制造、分料、測量等采用了自動生產(chǎn)線[11]設(shè)計，在提高生產(chǎn)率、節(jié)約人力、合格率等方面都有顯著提高；而動力電池的銅排軟連接，將銅排的剪接、疊放、固定夾緊、焊接、套管和烤管等功能設(shè)計了一條自動生產(chǎn)線，大幅提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[12]，對于確保動力電池的質(zhì)量可靠性具有較好的意義。

隨著產(chǎn)品多品種、小批量的個性化需求，自動制造系統(tǒng)在柔性化、智能化等方面提出了新的要求，柔性自動線、柔性單元、仿生特點的智能制造系統(tǒng)[13-14]等得到產(chǎn)業(yè)界和研究者的關(guān)注。如尚武志等[15]提出了一種單元式柔性生產(chǎn)方式的設(shè)計方法，成功應(yīng)用于某世界500強企業(yè)單元式生產(chǎn)方式改造。本文基于Festo智能制造平臺，對自動輸送線裝置和其控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計研究，分別設(shè)計了物料供料、裝配和分揀單元，具有較好的靈活性，可根據(jù)需求組合來滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需求。

1 總體方案

自動輸送線按功能要求設(shè)計為供料單元、裝配單元和分揀單元，各個工作單元之間相互配合。輸送線總體設(shè)計如圖1所示。在輸送線前方有物料存儲裝置，供料單元采用推料機構(gòu)將物料推出到傳送帶上，并進(jìn)行供給；在裝配單元采用裝配機構(gòu)進(jìn)行裝配后，再傳送到下一分揀單元，裝配好的零件將在此單元進(jìn)行質(zhì)量檢測與分揀，合格則運送至下一站，不合格則送入廢料站。

圖1 整體流程

供料單元、分揀單元和裝配單元的控制流程設(shè)計如圖2所示。在每一單元中，由不同傳感器用來檢測零件位置或特征，由氣缸來控制相應(yīng)的動作（推出、吸住或松放）、由PLC系統(tǒng)來控制傳送帶運動。

2 分單元設(shè)計

2.1 供料單元設(shè)計

供料單元的關(guān)鍵部分即為推料機構(gòu)的設(shè)計[16]。對于圓筒狀的輸送元件，可采用工件疊放，從底部推出方式。為保證推出位置準(zhǔn)確，推料機構(gòu)采用導(dǎo)軌來控制軌跡，使用氣缸作為動力源，可以達(dá)到預(yù)定推出效果，供料單元如圖3所示。

圖3 供料單元設(shè)計

2.2 裝配單元設(shè)計

裝配單元中，待裝配零件的拾取、精確定位與裝配是關(guān)鍵問題。選用真空吸盤實現(xiàn)待裝配件的抓取與放下，采用橫、縱兩個氣缸帶動真空吸盤，即實現(xiàn)待裝配件在X軸與Z軸平面內(nèi)的運動，裝配單元如圖4所示。為保證從前一單元運送過來的零件定位，設(shè)計一阻擋撥片將其阻擋在裝配位置。考慮到阻擋撥片需要具備阻擋和放行兩種功能，并且快速切換，因此撥片的運動方式設(shè)計為旋轉(zhuǎn)運動，采用電磁的方式為撥片提供動力。撥片的形狀采用中空的扇形撥片，可確保與零件的最大接觸面積。

圖4 裝配單元設(shè)計

2.3 分揀單元設(shè)計

在分揀單元中，需要把檢測后不合格零件分移到其他位置，兩傳送帶采用相互垂直布局，通過一個分揀撥片將不合格產(chǎn)品運送到存放位置，分揀單元如圖5所示?？紤]到傳送工作的可靠性，在分揀單元進(jìn)入端安裝一距離檢測裝置，由相應(yīng)的阻擋氣缸實現(xiàn)其功能。分揀撥片作用為改變不合格產(chǎn)品的運送軌跡，將其引導(dǎo)向與合格產(chǎn)品傳送帶（簡稱橫向傳送帶）垂直的廢品區(qū)傳送帶，即縱向傳送帶上。分揀撥片需要能夠跨越整個橫向傳送帶，工件過來后會受到分揀撥片給的一個阻擋力，從而改變它的運行方向，因此在與工件接觸的部分，撥片的切面要與縱向傳送帶形成一個鈍角，若兩者垂直，則會停止工件的運行，而不是改變它的運行軌跡。

圖5 分揀單元設(shè)計

2.4 檢測與控制功能元件設(shè)計

根據(jù)工作方案分析和控制流程分析，本系統(tǒng)主要選用了4種傳感器[17]，分別為距離傳感器、對射式光電開關(guān)、漫反射光電開關(guān)和氣缸磁性開關(guān)，確定的型號如表1所示。

表1 傳感器設(shè)計

此外，選擇氣缸以及真空發(fā)生器[18]的參數(shù)如表2～3所示。

表2 氣缸參數(shù)

表3 真空發(fā)生器參數(shù)

控制單元選用西門子S7-300PLC 控制器。該PLC 具有可以匹配不同檔次的CPU、擴展模塊選擇具有多樣性，最多可擴展32個模塊、背板總線集成在模塊內(nèi)等特性。

供料單元中需要控制的輸入點位有4 個，分別為：料倉傳感器、推料氣缸2個磁性開關(guān)、傳送帶末端傳感器。需要控制的輸出點位8 個，分別為：2 個控制指示燈、3 個控制電磁閥輸出、2個傳送帶方向輸出、1個與下級通訊輸出。供料單元的復(fù)位狀態(tài)（初始位置）為推料氣缸在縮回位置，料倉光電常閉，氣缸縮回磁開。程序開始后，M0.2 復(fù)位啟動初始化位M0.1，然后程序開始按照預(yù)定設(shè)計運行。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好后，按下啟動按鈕，開始供料子程序執(zhí)行，如果料倉中有工件，則氣缸頂出將工件推到傳送帶上。傳送帶正向轉(zhuǎn)動將工件運送到末端后，末端光電開始檢測，隨后與下一站通訊，若下一站空閑，則傳送帶繼續(xù)正轉(zhuǎn)將工件運往下一站。

裝配單元中需要控制的輸入點位有8 個，分別為：傳送帶始端光電傳感器、裝配位光電傳感器、傳送帶末端光電傳感器、縱向裝配氣缸2個磁性開關(guān)、橫向裝配氣缸2個磁性開關(guān)、真空發(fā)生器開關(guān)。需要控制的輸出點位13個，分別為：2個控制指示燈、6個控制電磁閥輸出、2個傳送帶方向輸出、1個與下級通訊輸出、1個真空發(fā)生器輸出、1個阻擋撥叉電磁輸出。裝配單元的復(fù)位狀態(tài)（初始位置）為橫、縱氣缸在縮回位置，阻擋撥叉在打開位置，傳送帶始端光電傳感器常閉，2 個氣缸縮回磁開。程序開始后，M0.2 復(fù)位啟動初始化位M0.1，然后程序開始按照預(yù)定設(shè)計運行。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好后，按下啟動按鈕，開始執(zhí)行裝配子程序。如果上一級通訊有工件到達(dá)信號，則傳送帶正轉(zhuǎn)迎接上一站到達(dá)的工件。當(dāng)傳送帶始端光電傳感器檢測到進(jìn)站后，阻擋撥叉電磁得電輸出，阻擋撥叉轉(zhuǎn)動進(jìn)行阻擋操作，此時縱向氣缸電磁閥輸出將縱向氣缸頂出；縱向氣缸伸出磁檢測氣缸伸出到位后，真空發(fā)生器輸出開始控制真空吸盤吸取待裝配的工件，完成后真空開關(guān)檢測，縱向氣缸縮回，縱向氣缸縮回磁檢測氣缸縮回后，橫向氣缸頂出；橫向氣缸伸出磁檢測氣缸伸出到位后，縱向氣缸伸出，檢測伸出到位后，真空吸盤放下工件；然后縱向氣缸縮回，同時阻擋撥叉電磁失電回轉(zhuǎn)，傳送帶正轉(zhuǎn)放行裝配后的工件，將其運送到末端，末端光電開始檢測，隨后與下一站通訊，若下一站空閑，則傳送帶繼續(xù)正轉(zhuǎn)將裝配完的工件運往下一站。

分揀單元中需要控制的輸入點位有6 個，分別為：傳送帶1始端光電傳感器、分揀位光電傳感器、傳送帶1末端光電傳感器、傳送帶2 始端光電傳感器、傳送帶2 末端光電傳感器、距離傳感器。需要控制的輸出點位11 個，分別為：2 個控制指示燈、3 個控制電磁閥輸出、4 個傳送帶方向輸出、1個與下級通訊輸出、1個分揀撥叉電磁輸出。分揀單元的復(fù)位狀態(tài)（初始位置）為阻擋氣缸在縮回位置、分揀撥叉在放行位置，傳送帶1始端光電傳感器常閉，距離傳感器設(shè)定距離值到傳送帶平面。程序開始后，M0.2 復(fù)位啟動初始化位M0.1，然后程序開始按照預(yù)定設(shè)計運行。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好后，按下啟動按鈕，開始執(zhí)行分揀子程序。如果上一級通訊有工件到達(dá)信號，則傳送帶1正轉(zhuǎn)迎接上一站到達(dá)的工件，當(dāng)傳送帶1始端光電傳感器檢測到進(jìn)站后，阻擋氣缸電磁閥得電將阻擋氣缸頂出，工件進(jìn)站后被阻擋氣缸阻擋在距離傳感器下方，此時距離傳感器檢測距離改變；若改變值達(dá)到合格要求范圍，則阻擋氣缸縮回，傳送帶1正轉(zhuǎn)運送工件至傳送帶1末端，末端光電開始檢測；隨后與下一站通訊；若改變值沒有達(dá)到合格要求范圍，則阻擋氣缸縮回，傳送帶1正轉(zhuǎn)運送工件，同時分揀撥叉電磁得電，分揀撥叉轉(zhuǎn)動，瓶子被分揀撥叉引向傳送帶2，傳送帶2 始端光電檢測檢測到工件進(jìn)入后，傳送帶2正轉(zhuǎn)將工件運往廢料站。

3 自動輸送線整體結(jié)構(gòu)

自動輸送線整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。根據(jù)其功能特點，對3個單元采用線性布局，采用相同的單元底座使整體自動輸送線結(jié)構(gòu)更加緊湊。通過固定傳送帶的位置，將上下單元相連，每個單元都是用獨立的PLC進(jìn)行控制。

圖6 自動輸送線結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本次的自動輸送線設(shè)計，以典型的輕質(zhì)量圓筒狀工件為輸送對象，實現(xiàn)供料、裝配和分揀功能。對各分單元的功能實現(xiàn)進(jìn)行了研究，提出了控制流程分析、供料單元、裝配單元和分揀單元設(shè)計及相應(yīng)的控制元件選擇。對整體設(shè)計完成的自動輸送線，在Festo 智能制造實驗平臺上進(jìn)行功能驗證：在供料單元中，可以實現(xiàn)裝配原料的供應(yīng)與傳遞；在裝配單元中，可以實現(xiàn)工件的裝配與傳遞；在分揀單元中，可以實現(xiàn)對裝配完成的工件的分揀工作，因此整體結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足預(yù)期的設(shè)計要求，所選擇的硬件可以滿足各自要求。