柔性托盤庫的FMS系統(tǒng)的選型與設(shè)計

柔性托盤庫的FMS系統(tǒng)的選型與設(shè)計關(guān)長明瀏晏;賽宗勝瀏殿友;姜立【摘要】針對客戶多品種、中小批量的產(chǎn)品特點和高柔性自動化程度的要求，通過綜合分析了FMS制造系統(tǒng)的技術(shù)特點和其未來的發(fā)展趨勢，最終為客戶設(shè)計制造了一套精益高效的基于柔性托盤庫FMS系統(tǒng)，并詳述了該系統(tǒng)的整體方案設(shè)計流程和系統(tǒng)的組成.【期刊名稱】《制造技術(shù)與機(jī)床》【年(卷)，期】2016(000)005【總頁數(shù)】5頁(P74-78)【關(guān)鍵詞】柔性托盤庫;自動化;制造系統(tǒng)【作者】關(guān)長明瀏晏;賽宗勝瀏殿友;姜立【作者單位】大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，遼寧大連116021;大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，遼寧大連116021;大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，遼寧大連116021;大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，遼寧大連116021;大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，遼寧大連116021【正文語種】中文【中圖分類】TH122隨著〃中國制造2025”的提出，中國制造業(yè)面臨著轉(zhuǎn)型與升級，對加工領(lǐng)域的自動化制造模式提出了新的需求。傳統(tǒng)的自動化方式已經(jīng)不能適應(yīng)一些新的生產(chǎn)模式，以及加工信息數(shù)據(jù)和管理運(yùn)營之間的交互需求。而成熟的柔性制造系統(tǒng)(flexibemanufacturingsystem，縮寫FMS)產(chǎn)品與應(yīng)用技術(shù)，正是解決和適應(yīng)這種需求的最佳模式?；谌嵝酝斜P庫的FMS系統(tǒng)適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的具有高柔性且自動化程度高的制造系統(tǒng)，不僅能夠適應(yīng)產(chǎn)品快速變化的要求，而且能達(dá)到穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。首先，柔性托盤庫結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，空間得到最大化利用，毛坯工件無需堆放在地面而占用地面空間；其次，機(jī)床設(shè)備自動化后可實現(xiàn)至少85%的利用率，幾乎不存在設(shè)定時間，受人為因素影響小，可以實現(xiàn)長時間無人操作；最后，采用自動堆垛機(jī)作為高柔性化的物流技術(shù)裝備，提高了FMS生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，減少了操作人員數(shù)量，降低了人力成本和勞動強(qiáng)度，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。1.1產(chǎn)品說明首先，需要根據(jù)產(chǎn)品的夕卜形、尺寸規(guī)格和加工內(nèi)容進(jìn)行分類。因為產(chǎn)品的數(shù)量決定了所需工裝夾具的數(shù)量。為了節(jié)省制造成本，將相同或相似的產(chǎn)品通過調(diào)整夾具上的零部件，以達(dá)到夾具共用的目的，同時便于產(chǎn)品上線管理。其次，要對產(chǎn)品的鑄造精度和初始基準(zhǔn)精度提出相應(yīng)的要求。因為產(chǎn)品是由毛坯到成品的加工，最終需要達(dá)到產(chǎn)品圖的各項精度要求。故產(chǎn)品毛坯工件在夾具內(nèi)的初始定位基準(zhǔn)則非常重要，必須要符合產(chǎn)品上線的要求。預(yù)加工產(chǎn)品技術(shù)要求內(nèi)容如表1所示。1.2工件加工工藝的排布和夾具的設(shè)計根據(jù)10個不同產(chǎn)品的加工內(nèi)容和加工精度，制定出單個產(chǎn)品由毛坯到成品的整體工藝方案。采用臥式加工中心柔性化生產(chǎn)，使工件的加工工序更為集中，自動化的生產(chǎn)工藝優(yōu)化統(tǒng)一了產(chǎn)品質(zhì)量。通過對這10個產(chǎn)品進(jìn)行加工節(jié)拍的計算，獲得產(chǎn)品單個工序加工最短時間為8min/件，10個產(chǎn)品的平均加工節(jié)拍為22min/(件?臺)，這樣僅需要2臺臥式加工中心即可以滿足15min/件的平均加工節(jié)拍要求。根據(jù)工藝方案的排布繪制夾具簡圖。產(chǎn)品1的夾具示意圖如圖1所示，最終確定這10個工件所需的夾具數(shù)量為28個。夾具全部安裝在托盤上，為避免更換夾具而產(chǎn)生的停機(jī)，對生產(chǎn)造成影響，這就需要夾具便于更換，故在夾具設(shè)計上采用隨行夾緊器定位系統(tǒng)，如圖2所示。其重復(fù)定位精度為3pm,高精、高效、穩(wěn)定可靠。當(dāng)更換其他產(chǎn)品上線時只需要將夾具底板更換即可，夾具裝卸時間不超過3min，并且具備自動找正功能。隨行夾緊器動作原理：通過對液壓油的控制，促使彈簧作用活塞桿向下移動，鋼球在活塞桿的作用下向夕卜擴(kuò)張，從而帶動定位環(huán)向下移動，移動過程中定位環(huán)在錐體部位發(fā)生彈性變形，最終完成隨行夾緊器的強(qiáng)力夾緊和定位。隨行夾緊器結(jié)構(gòu)如圖3所示。1.3機(jī)床選型和特殊配置的選用1.3.1機(jī)床選型根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格尺寸、加工精度和加工內(nèi)容，選擇臥式加工中心，機(jī)床的規(guī)格和主要技術(shù)參數(shù)，如表2所示。1.3.2機(jī)床特殊配置帶U軸的數(shù)控平旋盤(如圖4所示)：為滿足部分工件內(nèi)孔和外圓徑向加工的要求，同時節(jié)省刀具成本考慮而選用。其加工能力范圍中160~400mm，可以在刀具旋轉(zhuǎn)的同時，通過U軸單元驅(qū)動滑板徑向進(jìn)給，讓加工中心可以進(jìn)行車削加工,除此之外也可以與其它數(shù)控軸聯(lián)動插補(bǔ)，完成錐形面和復(fù)雜形面的加工。扭矩監(jiān)控裝置：為保證FMS柔性托盤庫的連續(xù)自動運(yùn)轉(zhuǎn)，需要通過對機(jī)床主軸扭矩的測量，來實現(xiàn)對刀具和切削過程進(jìn)行實時監(jiān)視。⑶Renishaw測頭：工件部分孔系或平面的加工需要重新建立坐標(biāo)系，用測頭對基準(zhǔn)孔或基準(zhǔn)面進(jìn)行檢測，保證工件的加工精度。(4)溫度補(bǔ)償功能：在機(jī)床的主要位置裝有溫度傳感元件，通過數(shù)控系統(tǒng)分析并補(bǔ)償坐標(biāo)的位置實現(xiàn)機(jī)床高精度運(yùn)行。2.1FMS柔性托盤庫設(shè)計方案原則在滿足用戶產(chǎn)品和產(chǎn)能的條件下，采用低成本的初期投資，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，且便于組合布局和擴(kuò)展，實現(xiàn)通用的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，既提高生產(chǎn)效率，又降低了成本。FMS柔性托盤庫不僅要具備足夠的靜態(tài)、動態(tài)、熱態(tài)剛性和穩(wěn)定的精度保持性，而且要采用先進(jìn)技術(shù)，保證具有良好的動態(tài)品質(zhì)。重要部位設(shè)置完整的自動保護(hù)裝置，如加工單元、自動堆垛機(jī)均有托盤在位、身份識別裝置等。同時具備齊全的安全門聯(lián)鎖、安全區(qū)域檢測功能，以及良好的維修特性。2.2基于柔性托盤庫的FMS組成基于柔性托盤庫的生產(chǎn)線平面布置如圖5所示。2.2.1升降式堆垛機(jī)升降式自動堆垛機(jī)是整個FMS生產(chǎn)線系統(tǒng)中的中間環(huán)節(jié)，維系著物料輸送系統(tǒng)、CNC加工單元和儲存料架3個管理節(jié)點，其運(yùn)行速度決定了可以服務(wù)機(jī)床的臺數(shù)。升降式堆垛機(jī)是由一臺配有4個數(shù)控軸并帶有1個鋼架的雙軌道車(RGV)組成，如圖6所示。X軸傳送運(yùn)動：升降式堆垛機(jī)的一側(cè)安裝在倉儲架之間，另一側(cè)安裝在垂直支撐梁上。升降式堆垛機(jī)沿著一個安裝在地面上的、與倉儲架平行的運(yùn)行軌道移動。倉儲架的上部支撐梁上安裝了一個上導(dǎo)軌，由此上導(dǎo)軌支撐升降式堆垛機(jī)的上部。傳動運(yùn)動通過齒條傳動裝置驅(qū)動，并使用絕對編碼器測量定位。Y軸起重傳動：升降運(yùn)動是通過一臺升降車完成的，此升降車又是沿著安裝在桅上的垂直導(dǎo)軌移動的。升降車配備有超重和重量過輕控制器。由兩個滾子鏈進(jìn)行傳動運(yùn)動，使用絕對編碼器測量定位。Z軸負(fù)載處理設(shè)備：負(fù)載處理器設(shè)備安裝在升降車上。負(fù)載處理設(shè)備包括一個可以旋轉(zhuǎn)180°的回轉(zhuǎn)臺、一個在回轉(zhuǎn)臺頂部的直線導(dǎo)軌上移動的傳送車，以及安裝在傳送車上用于傳輸托盤的剛性叉車，如圖7所示。升降式堆垛機(jī)采用高性能AC伺服電動機(jī)可大幅度減少托盤運(yùn)輸?shù)难h(huán)時間，即使是加工時間較短的工件，也能有效降低加工中心的停機(jī)時間，其性能如表3所示。為保證運(yùn)行的平穩(wěn)和安全，在堆垛式升降機(jī)的兩側(cè)分別配有液壓減震器和安全限位開關(guān)用于監(jiān)控傳送運(yùn)動。FMS柔性托盤庫系統(tǒng)中一個托盤循環(huán)需要最多4次單傳輸。托盤通常的循環(huán)路徑為：（1）托盤從倉庫到裝載站一托盤需要卸/裝。（2）托盤從裝載站到倉庫-等待機(jī)床的已裝載托盤。（3）托盤從倉庫到機(jī)床-已裝載的托盤到機(jī)械加工。（4）托盤從機(jī)床到倉庫-已加工的托盤等待卸貨。此系統(tǒng)的升降式堆垛機(jī)傳輸能力是每小時43雙傳輸（即86單傳輸），這就意味著如果堆垛機(jī)服務(wù)于2臺機(jī)床，當(dāng)需要4次傳輸/循環(huán)時，一個托盤的平均加工時間必須不得少于5.6min。2.2.2雙層集裝箱型托盤庫根據(jù)目前的產(chǎn)品數(shù)量和部分產(chǎn)品的增產(chǎn)需求，將FMS柔性托盤庫主系統(tǒng)中托盤位置的數(shù)量設(shè)計為42個，并采用雙層立體式結(jié)構(gòu)布置。由于托盤庫采用了通用的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計，可便于日后的增量和擴(kuò)展，如圖8所示。柔性托盤庫的設(shè)計極大地提升了預(yù)備托盤的數(shù)量，并充分利用了工廠車間的面積。大容量的物料倉儲也為更長時間的、無人化自動運(yùn)行具備了更好條件。托盤作為工件交換和轉(zhuǎn)運(yùn)依靠載體，以實現(xiàn)加工工件的交換和轉(zhuǎn)運(yùn)。每個托盤設(shè)置特定的編碼，工件的裝夾按托盤編碼和工件種類進(jìn)行，加工工件程序的調(diào)用同樣按托盤編碼和工件種類進(jìn)行。搬運(yùn)托盤的升降式堆垛機(jī)動作根據(jù)總控制臺發(fā)出的指令，可自動識別搬運(yùn)托盤的正確與否，確保整套系統(tǒng)的正常運(yùn)行。各個托盤在倉儲架上均具有一個原始位置。冷卻液的處理：廢料傳送盤安裝在加工托盤位置下方。滴落的冷卻液通過管道被導(dǎo)入冷卻液回流槽中，該槽安裝在系統(tǒng)倉儲模塊旁且沿其整個長度敷設(shè)。冷卻液回流槽將之導(dǎo)入排水泵的冷卻液盤中。在通道的另外一側(cè)還有另外一個冷卻液回流槽，用于收集升降式堆垛機(jī)和上下料站滴落的冷卻液。2.2.3FMS控制系統(tǒng)FMS生產(chǎn)線控制器為柔性制造系統(tǒng)總控制中心，通過FMS柔性線控制器(計算機(jī))，進(jìn)行全系統(tǒng)的控制，可自如地安排生產(chǎn)計劃，并能靈活滿足生產(chǎn)計劃變化的需要。作為自動化、省人化系統(tǒng)、FMS柔性制造系統(tǒng)配置必要的控制軟件完成基本功能，具有智能刀具壽命管理系統(tǒng)，智能生產(chǎn)管理與調(diào)度系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)等現(xiàn)代化生產(chǎn)數(shù)字控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)接口可與用戶的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行加工程序、加工信息相互傳遞，整個系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)處理傳輸高速化。同時，F(xiàn)MS柔性線控制器對加工和運(yùn)輸過程中所需各種信息自動采集、處理、反饋，實現(xiàn)加工系統(tǒng)和物流系統(tǒng)的自動控制和作業(yè)協(xié)調(diào)。FMS柔性制造系統(tǒng)運(yùn)行過程：首先需要人工將工件安裝至上下料站的夾具上，之后由系統(tǒng)自動監(jiān)測哪臺加工中心有對應(yīng)的刀具，若其中一臺加工中心被選定，系統(tǒng)則會自動下載數(shù)控程序。升降式堆垛機(jī)負(fù)責(zé)自動將有負(fù)載的托盤運(yùn)送到選定的機(jī)床，此時NC程序自動開啟。若兩臺機(jī)床都在使用，托盤會自行調(diào)配緩沖儲庫上，等待就緒。FMS柔性托盤庫生產(chǎn)線控制器連接工廠的IT系統(tǒng)(MRP,CAD/CAM,etc.)，可以采集各種你所需的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和報告，供管理和分析。網(wǎng)絡(luò)連接簡圖如圖9所示。本文針對客戶的產(chǎn)品類型和產(chǎn)品特點，通過采用技術(shù)柔性化、工藝線路柔性化和生產(chǎn)管理柔性化三方面有機(jī)整體化的設(shè)計理念，為客戶設(shè)計了一套滿足其需求的FMS柔性托盤庫制造系統(tǒng)，并詳述了完整的方案設(shè)計流程。本設(shè)計方案不僅為客戶節(jié)省了地面，而且提高了設(shè)備的使用率和公司的經(jīng)濟(jì)效益。采用智能化機(jī)械與人之間將相互融合，柔性地全面