柔性制造物流系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

陳 鵬，孫偉進(jìn)

（上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 上饒 334109）

1 物流系統(tǒng)概述

柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System）簡(jiǎn)稱FMS，是一種高度集成化、智能化、自動(dòng)化的生產(chǎn)制造系統(tǒng)。它通過(guò)微電子、機(jī)械部件、液壓設(shè)備、電氣設(shè)備、計(jì)算機(jī)等將加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，完美解決用戶對(duì)于產(chǎn)品多樣化和個(gè)性化的需求與機(jī)械自動(dòng)化之間的矛盾。在柔性制造系統(tǒng)中，物流系統(tǒng)常作為中間一環(huán)或者最后一環(huán)，通常包括物料搬運(yùn)、物料運(yùn)輸、物料分揀入庫(kù)等過(guò)程。搬運(yùn)一般由機(jī)械手或者工業(yè)機(jī)器人完成，物料運(yùn)輸路線基本上都采用直線運(yùn)輸回路。這幾個(gè)過(guò)程所需時(shí)間約占整個(gè)柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)時(shí)間的80%～90%[3]?！吨袊?guó)制造2025》對(duì)節(jié)能減排有了更高的要求，這也意味著必須更加合理地設(shè)計(jì)物流系統(tǒng)，以減少設(shè)備的空載時(shí)間，提高整個(gè)柔性制造系統(tǒng)的工作效率。所以，如何設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)符合要求的物流系統(tǒng)，將是未來(lái)研究柔性制造系統(tǒng)的重要課題和方向。

2 系統(tǒng)的組成和工作原理

2.1 系統(tǒng)的組成

《機(jī)電設(shè)備的組裝與調(diào)試》是上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電一體化專業(yè)的核心課程，學(xué)院引入了亞龍YL-235A 光機(jī)電一體化裝置作為該課程教學(xué)實(shí)訓(xùn)的主要考核設(shè)備。本裝置的實(shí)訓(xùn)工作臺(tái)為鋁合金導(dǎo)軌式，主要組成單元為機(jī)械部件單元、動(dòng)力單元、計(jì)算機(jī)與PLC 模塊單元、變頻器模塊單元、觸摸屏模塊單元、傳感器模塊單元等[1]。這套實(shí)訓(xùn)設(shè)備可模擬一個(gè)相對(duì)完整的物流系統(tǒng)。送料機(jī)構(gòu)、機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、物料傳送和分揀機(jī)構(gòu)構(gòu)成物料系統(tǒng)的機(jī)械部分，也稱為執(zhí)行單元，相當(dāng)于人體的骨骼；計(jì)算機(jī)、PLC 模塊單元和觸摸屏單元構(gòu)成物流系統(tǒng)的控制部分，相當(dāng)于人體的神經(jīng)和大腦；傳感器模塊單元是負(fù)責(zé)物流系統(tǒng)的各類信號(hào)收集和反饋，相當(dāng)于人體的五官；而驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器、液壓與氣壓?jiǎn)卧獎(jiǎng)t為物流系統(tǒng)提供動(dòng)力和能量，相當(dāng)于人體的肌肉[4]。如同人體各部分協(xié)調(diào)運(yùn)作一樣，物流系統(tǒng)的這幾個(gè)部分相互影響、相互耦合，實(shí)現(xiàn)物料的有序運(yùn)輸、分揀和入庫(kù)。

2.2 系統(tǒng)的工作原理

在觸摸屏上按下啟動(dòng)按鈕后，該物流系統(tǒng)裝置進(jìn)行復(fù)位過(guò)程，當(dāng)裝置復(fù)位至起始位置時(shí)，由PLC 啟動(dòng)送料電機(jī)工作同時(shí)驅(qū)動(dòng)放料盤(pán)的弧形撥塊旋轉(zhuǎn)，弧形撥塊將物料從送料盤(pán)撥動(dòng)到物料檢測(cè)位置，此時(shí)，物料檢測(cè)光電傳感器開(kāi)始對(duì)物料進(jìn)行檢測(cè)。若在送料電機(jī)工作幾秒之后物料檢測(cè)光電傳感器還沒(méi)有檢測(cè)到物料，則意味著送料機(jī)構(gòu)上沒(méi)有物料或者有故障發(fā)生，這時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)控制停機(jī)并且報(bào)警。若物料光電傳感器檢測(cè)到有物料，則會(huì)將信號(hào)反饋給PLC，機(jī)械手臂在氣壓?jiǎn)卧尿?qū)動(dòng)下伸出手爪下降抓物，然后收回并旋轉(zhuǎn)到給定位置，手爪下降將物料放于傳送帶上。落料口的物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)到物料信號(hào)后反饋給PLC，啟動(dòng)電機(jī)并驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)送物料，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)返回初始位置，進(jìn)行下一個(gè)搬運(yùn)流程。在傳送帶運(yùn)輸物料的過(guò)程中，傳感器采集物料的材料和顏色特性信號(hào)并反饋給PLC，控制相應(yīng)的電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸工作，實(shí)現(xiàn)物料的分揀入庫(kù)[2]。

3 系統(tǒng)在物流企業(yè)中的應(yīng)用

這套亞龍YL-235A 教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備物流系統(tǒng)如若用于物流企業(yè)或者生產(chǎn)實(shí)際中，為了更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和減少設(shè)備空載時(shí)間的目的，提高整個(gè)物流系統(tǒng)的工作效率和柔性，還有一些因素和功能需要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

3.1 放置物料包裹速度設(shè)置

為了滿足教學(xué)需要，將物料投入料盤(pán)的過(guò)程通常都是手工放置。但在工廠實(shí)踐中，為了提高整個(gè)制造流程柔性，此過(guò)程會(huì)被工序代替，這就涉及到放料速度的設(shè)計(jì)。如果放料速度大于送料速度，會(huì)導(dǎo)致物料堆積，另外，過(guò)多的物料也會(huì)增大圓弧撥塊的扭矩，此時(shí)需要更大功率的電機(jī)提供動(dòng)力。如果放料速度過(guò)慢，又會(huì)導(dǎo)致送料機(jī)構(gòu)空載運(yùn)行，降低整個(gè)物流系統(tǒng)的工作效率。所以放料的速度必須充分考慮送料速度、圓弧撥塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率以及料盤(pán)的承載能力。

3.2 初級(jí)傳送物料包裹

在送料機(jī)構(gòu)中，料盤(pán)上的物料都是由旋轉(zhuǎn)的圓弧撥塊推至送料口。圓弧撥塊的扭矩來(lái)自于直流電機(jī)提供的動(dòng)力，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果只靠單一的直流電機(jī)必然不能滿足制造要求。如若料盤(pán)中的物料多且物料的質(zhì)量達(dá)到一定量時(shí)超過(guò)電機(jī)所能提供的扭矩，這時(shí)就需要更換大功率的直流電機(jī)，會(huì)增加整個(gè)物流系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，破壞系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性。所以，在設(shè)計(jì)圓弧撥塊的扭矩時(shí)必須考慮送料的速度以及物料的單體質(zhì)量。如果把直流電機(jī)改成三相異步電機(jī)，在料盤(pán)底部加裝一個(gè)質(zhì)量傳感器，采集實(shí)時(shí)重力信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)控制變頻器進(jìn)而控制電機(jī)的扭矩輸出，圓弧撥塊的扭矩就可隨物料的質(zhì)量變化而變化，使送料機(jī)構(gòu)更加智能化，增加整個(gè)系統(tǒng)的柔性。

3.3 搬運(yùn)物料包裹

亞龍YL-235A 裝置的搬運(yùn)機(jī)構(gòu)可以完成4 個(gè)自由度的動(dòng)作：手臂伸縮、手臂旋轉(zhuǎn)、手爪上下和手爪松緊。各動(dòng)作的動(dòng)力由不同的氣缸提供，而氣缸都采用雙向電控氣閥控制。該設(shè)備的機(jī)械手適用于抓取規(guī)則幾何形狀物料，在生產(chǎn)實(shí)踐中，為了滿足用戶對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品多樣性與個(gè)性化的需求，會(huì)有大量奇形怪狀的、非標(biāo)的物料，這時(shí)機(jī)械手的適用性和實(shí)用性會(huì)大打折扣。如果為了適用物料搬運(yùn)而更換機(jī)械手，必然會(huì)導(dǎo)致整個(gè)物流系統(tǒng)中斷或增加復(fù)雜的工序，拖延整個(gè)物流系統(tǒng)流程時(shí)間。為了應(yīng)對(duì)物料多樣化的問(wèn)題，搬運(yùn)機(jī)構(gòu)可以增加機(jī)械手自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置。在搬運(yùn)機(jī)構(gòu)上配備一個(gè)機(jī)械手中心并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，在送料機(jī)構(gòu)中增加形狀辨別傳感器，傳感器收集物料的外形形狀信號(hào)并反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手中心根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)匹配相應(yīng)的機(jī)械手。經(jīng)過(guò)改造后的機(jī)械手可以滿足各種外形物料的搬運(yùn)要求，既可以提高機(jī)械產(chǎn)品物料的豐富程度，又可以大大節(jié)省物流系統(tǒng)的流程時(shí)間。另外，搬運(yùn)手臂的旋轉(zhuǎn)速度和手爪升降速度也必須進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。速度過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致下一個(gè)物流工序傳送設(shè)備的空載時(shí)間增長(zhǎng)。速度過(guò)快，會(huì)出現(xiàn)在落料口的空載，同時(shí)也會(huì)對(duì)整個(gè)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定沖擊。所以機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)速度和手爪上下速度必須充分考慮到上道工序送料機(jī)構(gòu)的落料速度，也要考慮到下道工序物料傳送和分揀工序的運(yùn)輸速度、分揀速度，盡可能地減少設(shè)備空載時(shí)間，提高設(shè)備的利用率。

3.4 精細(xì)化傳送及分揀物料包裹

物料的運(yùn)輸和分揀入庫(kù)是整個(gè)物流系統(tǒng)的最后一道工序。該設(shè)備傳送帶速度由三相異步電動(dòng)機(jī)控制，而分揀首先由光纖傳感器識(shí)別顏色然后激活推料氣缸將物料推入倉(cāng)庫(kù)中。傳送帶的速度是影響分揀效率的一個(gè)重要因素，它的設(shè)計(jì)必須考慮到搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的速度和分揀速度，理想狀態(tài)下3 種速度互相耦合、互相調(diào)整。搬運(yùn)機(jī)構(gòu)速度的變化由速度傳感器收集并反饋，此時(shí)計(jì)算機(jī)通過(guò)控制變頻器的頻率變化控制傳送帶速度的變化，傳送帶速度信號(hào)也由速度傳感器收集并反饋給計(jì)算機(jī)處理并控制分揀速度變化。這樣可以在最大程度上提高工作效率。

3.5 物料系統(tǒng)的傳感控制

當(dāng)前的物流系統(tǒng)還達(dá)不到真正的智能化、集成化和無(wú)人值守等柔性制造要求。整個(gè)物流系統(tǒng)的控制都由單元控制器主導(dǎo)。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的柔性，整個(gè)物流系統(tǒng)應(yīng)該組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，來(lái)料機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)以及物料傳送和分揀機(jī)構(gòu)等單元控制器集成開(kāi)發(fā)，增強(qiáng)各單元控制器之間的耦合程度。當(dāng)料盤(pán)檢測(cè)到有物料時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)開(kāi)啟，各單元控制器有序分工、協(xié)作、控制，直至物料分揀入庫(kù)完成。另外，傳感器作為整個(gè)系統(tǒng)的“五官”，負(fù)責(zé)各類信號(hào)的收集反饋，對(duì)系統(tǒng)的控制精度有很大的影響。設(shè)備傳感器的增加固然可以提高系統(tǒng)的靈活性但也增加了系統(tǒng)的故障率和復(fù)雜性，所以得設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)組合傳感器或者智能傳感器。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以亞龍YL-235A 光機(jī)電一體化教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備為例，初步探討了物料系統(tǒng)中的來(lái)料機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、與分揀機(jī)構(gòu)以及信息控制的開(kāi)發(fā)方向和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。對(duì)設(shè)備功能和需求的研究和發(fā)掘能夠在一定程度上提高物流系統(tǒng)的柔性、增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的智能化，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)人值守。本文的研究成果對(duì)物流企業(yè)和柔性制造企業(yè)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員有一定的實(shí)踐和參考意義。下一階段的工作中，將根據(jù)以上研究方向進(jìn)行速度控制研究、機(jī)械手機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)換研究以及單元控制器集成開(kāi)發(fā)研究，以使整個(gè)物流系統(tǒng)滿足生產(chǎn)實(shí)踐的實(shí)用價(jià)值。