空調(diào)外機(jī)出庫(kù)自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

詹玉新 盧干 徐云龍 杜秀芝 崔心惠

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有空調(diào)外機(jī)在下料出庫(kù)中生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，本文根據(jù)某空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)廠房及工藝流程，規(guī)劃并設(shè)計(jì)空調(diào)外機(jī)自動(dòng)化出庫(kù)生產(chǎn)線。該自動(dòng)化出庫(kù)生產(chǎn)由空鏟板輸送線、AGV配送單元、搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)、自動(dòng)纏繞單元、打包帶視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)組成，并對(duì)各部分組成進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與選型。最后基于PLC軟件，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)空調(diào)外機(jī)出庫(kù)生產(chǎn)線的自動(dòng)化。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)表明，該生產(chǎn)線性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，能滿足空調(diào)外機(jī)的自動(dòng)化出庫(kù)生產(chǎn)要求，提高生產(chǎn)效率，減少人工成本。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化生產(chǎn)線；AGV；自動(dòng)纏繞；視覺(jué)識(shí)別

Design of Automatic Production Line for External Units Air Conditioner

Zhang Yuxin Lu Gan Xu Yunlong Du Xiuzhi Cui Xinhui

（College of Electrical Engineering，Chuzhou Vocational and Technical College，Chuzhou，Anhui 239000）

Abstract：To solve low production efficiency of the existing air conditioning external units in the process of unloading and delivery，this paper plans and designs the automatic production line for the delivery of air conditioning external units according to the workshop and technological process of an air conditioning production enterprise.The automatic production is composed of an empty scraper conveyor line，an AGV distribution unit，a handling robot system，an automatic winding unit，and a visual identification system for the packaging belt.The detailed design and selection of each component are also carried out.Finally，based on the PLC software，the control system of the entire production line is designed to realize the automation of the production line of the air conditioner external unit.According to the actual production，the production line can be reliable and stable，which can meet the requirements of automatic delivery production of air conditioning external units，improve production efficiency and reduce labor costs.

Key words：automatic production line;AGV;automatic winding;visual recognition

空調(diào)是千家萬(wàn)戶的必備品之一，部分現(xiàn)有企業(yè)由于生產(chǎn)自動(dòng)化程度低，勞動(dòng)力短缺、人工成本增加等問(wèn)題日益增加，會(huì)逐步影響其企業(yè)效益。隨著中國(guó)2025智能制造及信息化的發(fā)展，自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用越來(lái)越多［1-3］，成品出庫(kù)作為物流行業(yè)的一部分，其自動(dòng)化生產(chǎn)線可有效地提高生產(chǎn)效率，降低人工成本。

張楠等人員研究了自動(dòng)化物流系統(tǒng)在醫(yī)藥制劑生產(chǎn)線中的應(yīng)用［4］，為智能化高效率生產(chǎn)提供了保障。王衛(wèi)兵等研究人員設(shè)計(jì)了應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體粗加工的自動(dòng)化生產(chǎn)線，減少了人工成本，實(shí)現(xiàn)降本增效。［5］詹玉新等研究人員設(shè)計(jì)出了電器盒鉚接自動(dòng)化生產(chǎn)線，結(jié)果表明該生產(chǎn)線在提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率的同時(shí)，能夠降低生產(chǎn)和人工成本。［6］

文章通過(guò)對(duì)空調(diào)外機(jī)出庫(kù)的生產(chǎn)流程分析，設(shè)計(jì)一套空調(diào)外機(jī)出庫(kù)自動(dòng)化生產(chǎn)線，空鏟板通過(guò)AGV輸送到車間內(nèi)，機(jī)器人將空調(diào)外機(jī)成品進(jìn)行碼垛，然后通過(guò)AGV將碼垛好的空調(diào)外機(jī)成品輸送出車間外，實(shí)現(xiàn)空調(diào)外機(jī)成品自動(dòng)出庫(kù)。

1 出庫(kù)流程及產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)

1.1 出庫(kù)流程分析

該空調(diào)外機(jī)出庫(kù)自動(dòng)生產(chǎn)線目的是通過(guò)機(jī)器人將空調(diào)外機(jī)成品進(jìn)行碼垛，然后通過(guò)AGV將滿鏟板成品輸送出車間外對(duì)接線體，完成成品自動(dòng)出庫(kù)，生產(chǎn)節(jié)拍為18秒/件，其中空鏟板通過(guò)AGV小車輸送到車間空鏟板線體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輸送，智能化工廠，其成品出庫(kù)流程如圖1所示。

如圖1所示：空鏟板上料和滿鏟板成品出庫(kù)均是通過(guò)AGV小車配送到對(duì)接線體，一摞空鏟板到位后，機(jī)器人叉取一個(gè)空鏟板放置到碼垛工位，經(jīng)過(guò)視覺(jué)打包帶檢測(cè)合格和條形碼掃描后的成品空調(diào)外機(jī)運(yùn)動(dòng)到待抓取工位，機(jī)器人吸取成品放置到碼垛工位的空鏟板上，碼垛完成后，進(jìn)入自動(dòng)纏繞工位，纏繞后，由AGV小車輸送到滿鏟板出庫(kù)線體，輸送到成品庫(kù)外，完成空調(diào)外機(jī)成品出庫(kù)。

1.2 方案設(shè)計(jì)

依據(jù)空調(diào)外機(jī)成品出庫(kù)流程分析，其自動(dòng)化生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)的三維模型圖如圖2所示。

由圖2可知：該生產(chǎn)線由AGV配送單元1、空鏟板輸送線2、搬運(yùn)機(jī)器人及夾具3、視覺(jué)識(shí)別與條形碼掃描系統(tǒng)4、成品上料線5、自動(dòng)纏繞膜單元6組成。

工作時(shí)，AGV帶動(dòng)一摞（10個(gè)）空鏟板對(duì)接輸送到空鏟板輸送線上，空鏟板輸送線啟動(dòng)，通過(guò)其頂升移栽機(jī)構(gòu)輸送到待拆取位置，這時(shí)機(jī)器人通過(guò)其夾具，將叉取空鏟板按照節(jié)拍要求一個(gè)一個(gè)放置到空調(diào)外機(jī)成品碼垛位置。同時(shí)，一個(gè)空調(diào)外機(jī)通過(guò)成品輸送線輸送到視覺(jué)檢測(cè)及條形碼掃描位置，待檢測(cè)合格及掃描后，給信號(hào)傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人夾具通過(guò)海綿吸盤(pán)，將運(yùn)輸?shù)酱ト∥恢玫目照{(diào)外機(jī)吸取并按照跺型放置到空鏟上，當(dāng)空調(diào)外機(jī)全部碼垛好后，滿鏟板通過(guò)其輸送線運(yùn)動(dòng)到自動(dòng)纏繞單元，進(jìn)行纏繞膜纏繞，纏繞后，AGV接收到信號(hào)，AGV啟動(dòng)，把滿鏟板的空調(diào)外機(jī)運(yùn)動(dòng)到庫(kù)外的對(duì)接線體，以完成空調(diào)成品出庫(kù)。

2 AGV配送單元

2.1 AGV小車

AGV小車，指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)航裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)航路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車。工業(yè)應(yīng)用中不需要駕駛員的搬運(yùn)車，以可充電的蓄電池為其動(dòng)力來(lái)源。一般可通過(guò)電腦來(lái)控制其行進(jìn)路徑以及行為，或利用電磁軌道來(lái)設(shè)立其行進(jìn)路徑，電磁軌道粘貼于地板上，無(wú)人搬運(yùn)車則依靠電磁軌道所帶來(lái)的訊息進(jìn)行移動(dòng)與動(dòng)作。

根據(jù)本生產(chǎn)線生產(chǎn)要求，AGV的配送需求為：

（1）節(jié)拍：144秒/成品鏟板；

（2）運(yùn)輸鏟板尺寸：1400*1400*150mm

（3）負(fù)載：鏟板加物料重量最多400KG

（4）每次運(yùn)送數(shù)量：AGV每次托運(yùn)1個(gè)空鏟板

依據(jù)AGV的配送需求，選用的AGV的小車如圖3所示。

該AGV小車車體所有鋼板的外形、安裝孔等均采用激光切割、數(shù)控折彎（為使各個(gè)部件的尺寸精確度得到保證）后經(jīng)氬弧焊焊接而成，所有焊點(diǎn)均在車體內(nèi)側(cè)，外表面均無(wú)焊點(diǎn)痕跡，車體表面噴塑處理，顏色為象牙白色，外表美觀、結(jié)實(shí)耐用。整車采用聚氨酯減震腳輪，增加車輪的耐磨性并確保使用的過(guò)程中地面少留痕跡。

該AGV小車采用磁性導(dǎo)航方式，單向行走，左右轉(zhuǎn)向，兩輪差速驅(qū)動(dòng)，最小轉(zhuǎn)彎半徑為900mm，直線導(dǎo)引精度和停位精度均為±10mm。當(dāng)驅(qū)動(dòng)單元位于磁道上行走時(shí)，磁傳感器將檢測(cè)到的偏差信號(hào)發(fā)給單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)偏差信號(hào)不斷調(diào)整兩電機(jī)的速度，從而調(diào)整驅(qū)動(dòng)單元的方向，使傳感器位于軌道中心，實(shí)現(xiàn)沿指定軌跡前進(jìn)的功能，磁傳感器如圖4所示。

2.2 AGV配送方案

AGV小車任務(wù)是完成空鏟板的上料和滿鏟板的出庫(kù)，其配送是由控制中心來(lái)協(xié)調(diào)控制。

空鏟板路線：

（1）AGV與背負(fù)滾筒料車在待命點(diǎn)待命，等待呼叫；

（2）當(dāng)線體鏟板庫(kù)需求空鏟板時(shí)，輸出信號(hào)到呼叫盒的另一個(gè)按鍵，呼叫AGV；

（3）AGV從待命點(diǎn)啟動(dòng)，快到鏟板入庫(kù)點(diǎn)時(shí)減速，直到三個(gè)光電傳感器對(duì)接成功，然后驅(qū)動(dòng)抱閘鎖死停止，與入庫(kù)滾筒輸送線進(jìn)行對(duì)接，把一摞（10個(gè)）空鏟板輸送到AGV背負(fù)滾筒上；

（4）AGV自動(dòng)啟動(dòng)，快到空鏟板上線點(diǎn)前減速，直到三個(gè)光電傳感器對(duì)接成功后停止并開(kāi)動(dòng)滾筒，與鏟板進(jìn)行對(duì)接，把AGV背負(fù)滾筒上的空鏟板輸送到空鏟板上線機(jī)上；

（5）AGV回到待命點(diǎn)停止，等待下一次呼叫。

成品出庫(kù)路線：

（1）AGV與背負(fù)滾筒料車在待命點(diǎn)待命，等待呼叫；

（2）當(dāng)線邊滾筒有滿鏟板貨物時(shí)，輸出信號(hào)到呼叫盒，呼叫AGV；

（3）AGV從待命點(diǎn)啟動(dòng)，運(yùn)行到快到上料點(diǎn)前減速，直到三個(gè)光電傳感器對(duì)接成功，然后驅(qū)動(dòng)抱閘鎖死停止；

（4）通過(guò)光電傳感器通訊，開(kāi)動(dòng)滾筒線把線邊滾筒的滿物料鏟板輸送到AGV背負(fù)滾筒上；

（5）AGV自動(dòng)啟動(dòng)，運(yùn)行到快到下料點(diǎn)前減速，直到三個(gè)光電傳感器對(duì)接成功停止，與出庫(kù)動(dòng)力滾筒進(jìn)行對(duì)接，把AGV背負(fù)滾筒上的滿鏟板輸送到出庫(kù)動(dòng)力滾筒線上；

（6）AGV回到待命點(diǎn)停止，等待下一次呼叫。

3 夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝流程及方案設(shè)計(jì)，搬運(yùn)機(jī)器人任務(wù)是拆空鏟板放置到碼垛工位，同時(shí)還能搬運(yùn)成品的空調(diào)外機(jī)，故該機(jī)器人夾具具有叉和吸的復(fù)合功能。根據(jù)空鏟板的形狀特征及成品空調(diào)外機(jī)，該機(jī)器人夾具采用無(wú)桿氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)雙叉指叉取空鏟板，待空鏟板放置完成后，該夾具利用真空負(fù)壓原理，使用海綿吸盤(pán)吸取空調(diào)外機(jī)成品放置在空鏟板上。

為減輕夾具的重量，夾具支架連接可采用鋁型材架，同時(shí)考慮叉取過(guò)程的強(qiáng)度與剛度，叉指材質(zhì)為鋼材質(zhì)，中間挖空一部分，在確保強(qiáng)度與剛度的基礎(chǔ)上，也減輕了夾具的重量，減少機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)載，夾具結(jié)構(gòu)模型圖如圖5所示。

由圖5所示，機(jī)器人夾具由法蘭連接盤(pán)（1）、型材連接板（2）、型材架（3）、吸盤(pán)連接板（4）、海綿吸盤(pán)（5）、移動(dòng)氣缸（6）、氣缸連接板（7）、過(guò)渡板（8）、叉指連接塊（9）、叉指（10）、滑塊連接板（11）、滑塊（12）、滑軌（13）、滑軌座（14）、風(fēng)琴護(hù)罩封板（15）、風(fēng)琴護(hù)罩（16）、緩沖座（17）、擋塊（18）組成。

法蘭連接盤(pán)（1）作為連接機(jī)器人及夾具的連接件，通過(guò)型材連接板（2）與型材架（3）相連接。型材架（3）作為夾具的主結(jié)構(gòu)，支撐夾具上的各零件。當(dāng)一摞空托盤(pán)到位后，夾具兩端的移動(dòng)氣缸（6）向前移動(dòng)，通過(guò)氣缸連接板（7）及過(guò)渡板（8）帶動(dòng)叉指連接塊（9）使得叉指（10）連同滑塊（12）沿著導(dǎo)軌方向向前移動(dòng)，進(jìn)入空鏟板的插孔中，然后機(jī)器人帶動(dòng)夾具及鏟板向上移動(dòng)后，再向后及向下移動(dòng)，把空托盤(pán)放置在碼垛位置，然后移動(dòng)氣缸（6）向后移動(dòng)，叉指（10）縮回，完成空鏟板的拆卸及放置。當(dāng)空鏟板放置到位后，夾具上的海綿吸盤(pán)工作，利用真空負(fù)壓原理吸取到位的箱體按照跺型及程序碼垛到空鏟板上，完成箱體的碼垛。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該空調(diào)外機(jī)出庫(kù)自動(dòng)生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)以三菱F系列［7］PLC作為總站控制，AGV、空鏟板輸送線、機(jī)器人及夾具、視覺(jué)識(shí)別及條形掃碼機(jī)、成品上料線、自動(dòng)纏繞單元等單元設(shè)備為從站，氣缸、電磁閥、傳感器、電機(jī)、磁性開(kāi)關(guān)為輸入輸出信號(hào)接口，各個(gè)單元設(shè)備之間通過(guò)總線與PLC連接。PLC作為控制系統(tǒng)核心，對(duì)來(lái)自各單元的輸入信號(hào)進(jìn)行分析和處理，并將所需的輸出傳遞給各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行系統(tǒng)所需的動(dòng)作和任務(wù)，以傳遞和輸送信號(hào)，并執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。根據(jù)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案，其控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合某企業(yè)空調(diào)外機(jī)生產(chǎn)出庫(kù)要求，設(shè)計(jì)一套空調(diào)外機(jī)出庫(kù)自動(dòng)化生產(chǎn)線，用AGV配送空鏟板和滿鏟板，機(jī)器人對(duì)空鏟板下料和空調(diào)外機(jī)成品搬運(yùn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并對(duì)AGV選型設(shè)計(jì)及夾具設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析，最后通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)表明，該生產(chǎn)線符合設(shè)計(jì)要求，能提高生產(chǎn)效率，減少人工成本。

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（責(zé)任編輯 孫 慧）