（北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著人類(lèi)科技的進(jìn)步和不斷的發(fā)展，我們的生產(chǎn)效率不斷的提高，創(chuàng)造價(jià)值的速度越來(lái)越快。很多人工的工作都逐漸轉(zhuǎn)變成為機(jī)器去做，這就促進(jìn)了自動(dòng)化這個(gè)行業(yè)的發(fā)展。目前我國(guó)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如火如荼，各地各工廠有條件后都爭(zhēng)相上新自動(dòng)化生產(chǎn)線或?qū)β浜蟮娜斯ぷ鳂I(yè)進(jìn)行自動(dòng)化改造。本文就是依托一家工廠汽車(chē)總裝線的輪胎上線模塊的自動(dòng)化改造來(lái)進(jìn)行研究討論。

該輪胎上線模塊是汽車(chē)總裝線的一部分，用于給總裝線按照順序和節(jié)拍提供輪胎。在自動(dòng)化系統(tǒng)使用之前，老辦法是人工碼放。工人按照總裝線提供的紙質(zhì)的輪胎上線排序單，人工往輸送帶上放置輪胎，后端匯入相關(guān)節(jié)點(diǎn)。這種方法需要耗費(fèi)大量人力，二十四小時(shí)由工人不停的搬運(yùn)輪胎。并且有一定的概率出現(xiàn)放置錯(cuò)誤的情況，而影響了汽車(chē)總裝。為了節(jié)約人力資源，提高正確率，提升自動(dòng)化水平，對(duì)該自動(dòng)化系統(tǒng)的需求提上了日程。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)概述

圖1為該系統(tǒng)設(shè)備俯視圖。

圖上方兩條黑色帶子為原本的兩條皮帶線傳送帶，即為工人手工放置輪胎的傳送帶。兩條皮帶線分別對(duì)應(yīng)兩條汽車(chē)總裝線。

圖1 該系統(tǒng)設(shè)備俯視圖

改造后的該自動(dòng)化上線系統(tǒng)采用龍門(mén)機(jī)械手代替之前的人工碼放為自動(dòng)碼放。原來(lái)的兩條皮帶線不變，每條皮帶線分別配置了一臺(tái)龍門(mén)機(jī)械手。每個(gè)機(jī)械手正下方為8臺(tái)輸送機(jī)站臺(tái)，輸送機(jī)站臺(tái)上分別放置不同種類(lèi)的整托盤(pán)多層碼放好的輪胎，由龍門(mén)機(jī)械手抓取放置到皮帶線，每一個(gè)站臺(tái)上只放置相同種類(lèi)的輪胎。這些多層碼放著輪胎的托盤(pán)由叉車(chē)送往輸送機(jī)站臺(tái)上。抓取后的空托盤(pán)或直接退出或通過(guò)穿梭車(chē)退出系統(tǒng)，以重新利用。

要抓取哪一個(gè)托盤(pán)的輪胎，由上位系統(tǒng)通過(guò)接口系統(tǒng)取來(lái)總裝線車(chē)輛排序單，按照順序發(fā)送作業(yè)給龍門(mén)機(jī)械手，去相應(yīng)的輸送機(jī)站臺(tái)上抓取到皮帶線上。 而下方托盤(pán)上的輪胎需求則由上位系統(tǒng)分析排序單需求提示在條屏上，叉車(chē)根據(jù)提示往輸送線站臺(tái)上補(bǔ)充整托盤(pán)的輪胎。

1.2 物流流程

具體流程如下：

1）供貨商到貨，叉車(chē)工根據(jù)到貨物料進(jìn)行卸車(chē)，并將物料放至?xí)捍娴攸c(diǎn)。

2）系統(tǒng)根據(jù)汽車(chē)總生產(chǎn)線掛線量產(chǎn)生的排序信息以及輸送線輪胎消耗信息，自動(dòng)計(jì)算匯總需求數(shù)據(jù)及輪胎上線順序及上線點(diǎn)位（輸送機(jī)站臺(tái)），顯示在LED屏幕上，叉車(chē)將需求輪胎放至輸送線庫(kù)位。

3）輪胎放至輸送線站臺(tái)后，通過(guò)手持終端綁定輪胎種類(lèi)、站臺(tái)號(hào)以及數(shù)量等信息，給系統(tǒng)記錄站臺(tái)對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確的輪胎庫(kù)存信息。叉車(chē)通過(guò)手持終端對(duì)入貨信息進(jìn)行確認(rèn)。

4）輪胎在站臺(tái)停穩(wěn)后，上位機(jī)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)排序需求信息，給龍門(mén)機(jī)械手發(fā)送抓取作業(yè)，放到皮帶線，皮帶線把輪胎送到總裝線交匯點(diǎn)。

5）抓取空后的空托盤(pán)通過(guò)穿梭車(chē)送出，或直接退出。

1.3 輪胎排序單規(guī)則

輪胎排序單通過(guò)上位系統(tǒng)的接口程序從總裝線排序系統(tǒng)中取來(lái)，按車(chē)輛總裝順序排列。

每輛車(chē)一共5個(gè)輪胎，4個(gè)主輪胎，1個(gè)備用輪胎，主胎和備胎的規(guī)格型號(hào)可能相同也可能不同。調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送給龍門(mén)機(jī)械手抓取作業(yè)，采取先常規(guī)胎后備胎的順序抓取。

1.4 機(jī)械手抓取策略

托盤(pán)上的輪胎根據(jù)型號(hào)不同層數(shù)不同，每層4個(gè)，為2乘2結(jié)構(gòu)。

圖2 機(jī)械手抓取輪胎的順序及系統(tǒng)初始化時(shí)人工碼放順序

龍門(mén)機(jī)械手抓取時(shí)，機(jī)械手根據(jù)指令，X、Y、Z軸方向同時(shí)運(yùn)行至待抓取車(chē)輪位置，同時(shí)可以最多抓取對(duì)角線的兩個(gè)輪胎，根據(jù)指令也可以只抓取一個(gè)輪胎。抓取順序如圖2左側(cè)圖所示。機(jī)械手到達(dá)車(chē)輪上方后，緩慢下降辨識(shí)車(chē)輪碼放狀態(tài)，并進(jìn)行抓取；然后，機(jī)械手通過(guò)X、Y、Z軸方向同時(shí)運(yùn)行至車(chē)輪上線皮帶線，并通過(guò)高度辨識(shí)底部有無(wú)未流轉(zhuǎn)車(chē)輪，隨后將車(chē)輪放下。通過(guò)機(jī)械手傳感器辨識(shí)此次抓取是否成功，反饋調(diào)度系統(tǒng)，自動(dòng)扣減托盤(pán)物料數(shù)量，對(duì)物料抓取后碼放狀態(tài)進(jìn)行記錄，并需識(shí)別常規(guī)胎及備胎的抓取準(zhǔn)確性。依次循環(huán)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由上位機(jī)軟件系統(tǒng)和下位機(jī)PLC電氣控制系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)又分為調(diào)度系統(tǒng)，管理系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)，手持系統(tǒng)，接口系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1 抓取作業(yè)流程

上位系統(tǒng)通過(guò)與總裝線的信息接口，定時(shí)導(dǎo)入排序單到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)匯總排序單，計(jì)算上線需求，向條屏發(fā)送需求信息。同時(shí)，根據(jù)排序單的第一條需求，給PLC發(fā)送抓取作業(yè)，機(jī)械手抓取輪胎放到皮帶線。抓取作業(yè)的大致流程如圖4所示。

圖4 抓取作業(yè)流程

2.2 上位系統(tǒng)與下位系統(tǒng)的接口

上節(jié)中說(shuō)到，上位系統(tǒng)根據(jù)排序單的第一條需求生成一條抓取作業(yè)，由調(diào)度系統(tǒng)發(fā)給控制系統(tǒng)的PLC。PLC收到作業(yè)后，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)了作業(yè)所需的重要字段。該作業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中表的設(shè)計(jì)如表1所示。

發(fā)給PLC的數(shù)據(jù)主要有：機(jī)械手號(hào)，為要發(fā)送到的機(jī)械手的編號(hào)；作業(yè)類(lèi)型，是機(jī)械手的作業(yè)抓取類(lèi)型和方式。起始層列排，為機(jī)械手的抓取輪胎的起始位置。目的層列排，為機(jī)械手抓取輪胎的目的放置位置。作業(yè)狀態(tài)為作業(yè)的狀態(tài)標(biāo)識(shí)，可以識(shí)別到作業(yè)目前進(jìn)行到步驟，上位機(jī)調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)不斷與PLC交互來(lái)更新該字段。

表1 抓取作業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)代表性難點(diǎn)以及解決方案

3.1 對(duì)時(shí)效性要求高

系統(tǒng)需要按照總裝線的節(jié)拍上線輪胎，這就對(duì)時(shí)效性提出了很大的要求。如果系統(tǒng)跟不上總裝線的節(jié)拍，總裝線就得全線停線，造成很大的損失。

這樣就需要對(duì)排序單的處理速度達(dá)到最大化，叉車(chē)往輸送線站臺(tái)上送托盤(pán)不能耽誤，龍門(mén)機(jī)械手的抓取規(guī)則也要設(shè)計(jì)的使得速度最大化。另外，這也要求出故障后系統(tǒng)暫停的處理時(shí)間要極短。對(duì)此，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一些方案和功能來(lái)達(dá)到此要求。

1）合單功能的設(shè)計(jì)

文章1.3中介紹了機(jī)械手抓取規(guī)則的特點(diǎn)，每輛汽車(chē)一共5個(gè)輪胎，這樣就會(huì)有一個(gè)輪胎需要單抓一次。在實(shí)際過(guò)程中，排序單中有很多使用相同輪胎的汽車(chē)是連續(xù)出現(xiàn)的并且主胎與備胎一樣。這樣就可以把相鄰的兩輛汽車(chē)合并來(lái)處理。一共10個(gè)輪胎，每次2個(gè)，正好5次抓完。而如果不合并，就需要抓取6次。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)這種可以合并的情況大約占到了總量的一半。這樣，整個(gè)系統(tǒng)的效率就提高了大約10%，也是一個(gè)不小的進(jìn)步。如圖5所示，為優(yōu)化后的龍門(mén)機(jī)械手的作業(yè)記錄流水，架號(hào)為每一輛汽車(chē)，零件號(hào)為汽車(chē)輪胎的的型號(hào)，數(shù)量為2即為每次抓取兩個(gè)。其中有“合”字樣的，即為前后兩輛車(chē)的輪胎合并在一起抓取。

圖5 機(jī)械手作業(yè)記錄流水

2）初始化功能的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)出能讓工人簡(jiǎn)單快速恢復(fù)或初始化系統(tǒng)的功能。這樣在設(shè)備報(bào)警或故障后能快速初始化所有數(shù)據(jù)。

主要有幾個(gè)方面：

1）輪胎實(shí)物初始化，按照龍門(mén)機(jī)械手的逆序碼放。碼放規(guī)則如圖2右側(cè)圖所示。

2）庫(kù)存數(shù)據(jù)快速初始化。

圖6 輪胎庫(kù)存及庫(kù)存修改功能

該功能可以快速修改輸送機(jī)站臺(tái)上的實(shí)際輪胎數(shù)量，以便處理在某些情況下由于人為原因造成的系統(tǒng)庫(kù)存數(shù)量與實(shí)際庫(kù)存數(shù)量不符。功能如圖6所示。

3）排序單快速初始化。

排序單的狀態(tài)非常重要，實(shí)時(shí)記錄每條排序車(chē)大的狀態(tài)及處理完成數(shù)量，如果與實(shí)際不符，則會(huì)造成多抓或者少抓等完全錯(cuò)誤的后果。

該功能可以讓系統(tǒng)初始化到從一條新的排序開(kāi)始，后臺(tái)自動(dòng)初始化所有相關(guān)數(shù)據(jù)。已達(dá)到快速重新上線的需求。功能如圖7所示。

圖7 排序單狀態(tài)及初始化功能

3.2 對(duì)準(zhǔn)確性要求高

每一個(gè)輪胎都不能出現(xiàn)錯(cuò)誤，這就使得系統(tǒng)對(duì)信息流、接口和排序單的處理以及自我及時(shí)糾錯(cuò)能力提出了很高的要求。不像有的系統(tǒng)有一定的容錯(cuò)率，錯(cuò)誤之后可以有時(shí)間和成本進(jìn)行糾錯(cuò)。該系統(tǒng)要求100%的準(zhǔn)確率，只要是放到皮帶線上的輪胎就必須保證準(zhǔn)確，否則總裝線的組裝就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，或者總裝線停線糾錯(cuò)，成本就很高昂了。

文章3.1中提到的初始化功能，除了能滿(mǎn)足提高效率的要求，也是保證正確率的重要方法。不需要工人手忙腳亂的做很多軟件和硬件的回滾處理，就能保證一個(gè)正確的開(kāi)始。因?yàn)槿斯ぷ龌貪L處理，很容易出錯(cuò)。另外，輸送機(jī)站臺(tái)上的托盤(pán)上，輪胎的碼放規(guī)則的設(shè)計(jì)和龍門(mén)機(jī)械手的抓取規(guī)則也進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，否則抓取過(guò)程就會(huì)卡殼甚至抓錯(cuò)。

3.3 非標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型繁多

系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)適應(yīng)各種非常規(guī)情況，比如輪胎換編碼、產(chǎn)品斷點(diǎn)、排序單為空、排序單輪胎編碼和實(shí)際不一致、一二等品的區(qū)分、出口車(chē)區(qū)分、車(chē)型選擇性跳過(guò)等等。

為此，調(diào)度系統(tǒng)需要準(zhǔn)確而高效的調(diào)動(dòng)整套設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)，管理系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷而清晰的信息處理界面，以達(dá)到任何非常規(guī)情況都能夠準(zhǔn)確而快速的處理。

比如，管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)專(zhuān)門(mén)為快速切換輪胎編碼和產(chǎn)品斷點(diǎn)開(kāi)發(fā)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速導(dǎo)入切換功能，在任何時(shí)間下就能進(jìn)行快速的切換。還有為車(chē)型選擇性跳過(guò)開(kāi)發(fā)了快速跳過(guò)功能等等。

3.4 作業(yè)強(qiáng)度大

系統(tǒng)24小時(shí)運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況測(cè)算，每個(gè)機(jī)械手每小時(shí)要進(jìn)行144次作業(yè)，每天則為3456次。每次作業(yè)還包括多種動(dòng)作，拿上升下降來(lái)舉例，每條作業(yè)要進(jìn)行4次，也就是每天13824次動(dòng)作。另外還有旋轉(zhuǎn)、夾緊松開(kāi)等動(dòng)作。這樣就對(duì)系統(tǒng)的硬件提出了很高要求。

為了保證設(shè)備能完成高負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作，能適應(yīng)高加速變載荷運(yùn)動(dòng)，能維持較低的故障率，對(duì)設(shè)備的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列優(yōu)化：采用有限元分析等方法，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證系統(tǒng)剛度、強(qiáng)度要求的前提下，通過(guò)采用優(yōu)化主梁截面、采用鋁合金立柱等手段，既大幅減輕了設(shè)備質(zhì)量，降低了各軸負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，又仍確保結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)撓度可控；各軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證了設(shè)備運(yùn)動(dòng)響應(yīng)更迅速、能承受更高負(fù)載、定位也更精確，通過(guò)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)函數(shù)，保證了運(yùn)動(dòng)曲線高階可導(dǎo)、設(shè)備運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)；對(duì)相關(guān)機(jī)構(gòu)采用合理的設(shè)計(jì)方案，對(duì)選用精度較低的運(yùn)動(dòng)副的部分設(shè)計(jì)了合理的補(bǔ)償方式，對(duì)精度要求較高的軸承、直線導(dǎo)軌等進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，齒輪副從材料選擇、齒形等幾何參數(shù)設(shè)置、硬度等熱處理工藝要求等各方面進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)緊固件進(jìn)行全面校核，對(duì)其幾何參數(shù)、擰緊力矩、防松方式等均進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定；制定了全面的潤(rùn)滑方案，對(duì)高速輕載運(yùn)動(dòng)副采用集中供油系統(tǒng)，對(duì)低速重載部分則專(zhuān)門(mén)選取極壓潤(rùn)滑脂，保證潤(rùn)滑充分可靠。通過(guò)一系列的設(shè)計(jì)優(yōu)化，設(shè)備可靠性、平穩(wěn)性、響應(yīng)能力均得到提高。