自動(dòng)化制造的控制系統(tǒng)

第3章制造系統(tǒng)物料儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化本章教學(xué)要點(diǎn)，導(dǎo)入案例（看書說明）在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中，伴隨著制造過程的進(jìn)行，貫穿著各種物料的流動(dòng)和儲(chǔ)運(yùn)，簡(jiǎn)稱物流。物流系統(tǒng)是機(jī)械制造系統(tǒng)的重要組成部分，它將制造系統(tǒng)中的物料（如毛坯、半成品、成品、工夾具等）及時(shí)準(zhǔn)確地送到指定加工位置、倉(cāng)庫(kù)或裝卸站。在制造系統(tǒng)中，物料首先輸入到物流系統(tǒng)，然后由物料輸送系統(tǒng)送至指定位置。物流系統(tǒng)的自動(dòng)化是當(dāng)前制造企業(yè)追求的目標(biāo)?，F(xiàn)代物流系統(tǒng)在全面信息集成和高度自動(dòng)化環(huán)境下，以制造工藝過程的知識(shí)為依據(jù)，高效、合理地利用全部?jī)?chǔ)運(yùn)裝置將物料準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確和保質(zhì)地運(yùn)送到位。物料儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化概述物料儲(chǔ)運(yùn)在制造系統(tǒng)中的地位在制造業(yè)中，原材料從入廠，經(jīng)過冷熱加工、裝配、檢驗(yàn)、涂裝及包裝等各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，到產(chǎn)品出廠，機(jī)床作業(yè)時(shí)間僅占5%，工件處于等待和傳輸狀態(tài)的時(shí)間占95%。而物料傳輸與存儲(chǔ)費(fèi)用占整個(gè)產(chǎn)品加工費(fèi)用的30%?40%。物流系統(tǒng)是生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)組成有機(jī)整體的紐帶，又是生產(chǎn)過程維持延續(xù)的基礎(chǔ)。因此，對(duì)物流系統(tǒng)的優(yōu)化有助于降低生產(chǎn)成本、壓縮庫(kù)存、加快資金周轉(zhuǎn)、提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。物料儲(chǔ)運(yùn)的概念及其作用美國(guó)物料儲(chǔ)運(yùn)工業(yè)協(xié)會(huì)（MHIA）將物料儲(chǔ)運(yùn)定義為：“在制造或分銷過程（包括消耗和廢棄）中對(duì)物料的移動(dòng)、儲(chǔ)存、保護(hù)和控制”。物料供輸必須以安全、高效、低成本、及時(shí)、準(zhǔn)確（將正確的物料以正確的數(shù)量送到正確的地點(diǎn)）的方式進(jìn)行，同時(shí)對(duì)物料沒有損傷。物料儲(chǔ)運(yùn)，即物流是物料的流動(dòng)過程。物流按其物料性質(zhì)不同，可分為工件流、工具流和配套流。其中，工件流主要由原材料、半成品、成品構(gòu)成；工具流由刀具、夾具構(gòu)成；配套流由托盤、輔助材料、備件等構(gòu)成。在制造系統(tǒng)中，各種物料的流動(dòng)貫穿于整個(gè)制造過程。在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中，物流系統(tǒng)是指對(duì)工件、工具和配套裝置及材料進(jìn)行移動(dòng)與存儲(chǔ)的系統(tǒng)，主要完成物料的存儲(chǔ)、輸送、裝卸、管理等功能。（1）存儲(chǔ)功能。在制造系統(tǒng)中，有許多工件處于等待狀態(tài)，即不處在加工和處理狀態(tài)，這些工件需要存儲(chǔ)或緩存。（2）輸送功能。完成工件在各工位之間的傳輸，滿足工件加工工藝過程和處理順序的要求。（3）裝卸功能。實(shí)現(xiàn)加工設(shè)備及輔助設(shè)備上下料的自動(dòng)化，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。（4）管理功能。物料在輸送過程中是不斷變化的，因此需對(duì)物料進(jìn)行有效的識(shí)別和管理。自動(dòng)化物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的組成及其分類現(xiàn)代物流系統(tǒng)由管理層、控制層和執(zhí)行層三大部分組成，各部分功能如圖3.1所示。管理層是計(jì)算機(jī)物流管理軟件系統(tǒng)，是物流系統(tǒng)的中樞。它主要完成以下工作：①接收上級(jí)系統(tǒng)的指令（如生產(chǎn)計(jì)劃等），并將此計(jì)劃下發(fā)；②調(diào)度運(yùn)輸作業(yè)：根據(jù)運(yùn)輸任務(wù)的緊急程度和調(diào)度原則，決定運(yùn)輸任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別。根據(jù)當(dāng)前運(yùn)輸任務(wù)的執(zhí)行情況形成運(yùn)輸指令和最佳運(yùn)輸路線；③管理立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存：庫(kù)存管理、入庫(kù)管理、出庫(kù)管理和出/入庫(kù)協(xié)調(diào)管理；④統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)運(yùn)行情況：統(tǒng)計(jì)分析物流設(shè)備利用率、物料庫(kù)存狀況、設(shè)備運(yùn)行狀況等；⑤物流系統(tǒng)信息處理?？刂茖邮俏锪飨到y(tǒng)的重要組成部分。它接收來自管理層的指令，控制物流設(shè)備完成指令所規(guī)定的任務(wù)。控制層本身數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)，主要是接收管理層的命令。控制層的另一任務(wù)，是實(shí)時(shí)監(jiān)控物流系統(tǒng)的狀態(tài)。例如物流設(shè)備情況、物料運(yùn)輸情況、物流系統(tǒng)各局部協(xié)調(diào)配合情況等。將監(jiān)測(cè)的情況反饋給管理層，為管理層的調(diào)度決策提供參考。執(zhí)行層由自動(dòng)化的物流設(shè)備組成。物流設(shè)備的控制器接受控制層的指令，控制物流設(shè)備，執(zhí)行各種操作。執(zhí)行層一般包括：①存儲(chǔ)設(shè)施：包括各種倉(cāng)庫(kù)、緩沖站及其相關(guān)設(shè)備；②自動(dòng)輸送設(shè)備：包括各類輸送機(jī)、各種輸送小車、隨行夾具返回裝置、搬運(yùn)機(jī)器人及機(jī)械手；③輔助設(shè)備：如各種托盤交換裝置等。根據(jù)管理層、控制層和執(zhí)行層的不同分工，物流系統(tǒng)對(duì)各個(gè)層次的要求是不同的。對(duì)管理層要求具有較高的智能，對(duì)控制層要求具有較高的實(shí)時(shí)性，對(duì)執(zhí)行層則要求較高的可靠性。物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的分類如圖3.2所示。剛性自動(dòng)化物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)完成剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線中機(jī)床的自動(dòng)上下料任務(wù)及物料的存儲(chǔ)與輸送，由儲(chǔ)料器、隔料器、上料器、輸料槽、定向定位裝置等組成。自動(dòng)線輸送系統(tǒng)完成自動(dòng)線上的物料輸送任務(wù)，由各種連續(xù)輸送機(jī)、通用懸掛小車、有軌導(dǎo)向小車及隨行夾具返回裝置等組成。FMS物流系統(tǒng)完成FMS物料的傳輸，由自動(dòng)導(dǎo)向小車、積放式懸掛小車、積放式有軌導(dǎo)向小車、搬運(yùn)機(jī)器人、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)等組成。自動(dòng)化物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求(1)應(yīng)實(shí)現(xiàn)可靠、無(wú)損傷和快速地物料流動(dòng)。(2)應(yīng)具有一定的柔性，即靈活性、可變性和可重組性。(3)實(shí)現(xiàn)“零庫(kù)存”生產(chǎn)目標(biāo)。采用有效的計(jì)算機(jī)管理，提高物流系統(tǒng)的效率，減少建設(shè)投資。(5)應(yīng)具有可擴(kuò)展性、人性化和智能化。3.2剛性自動(dòng)化物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)3.2.1概述剛性自動(dòng)化的物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)由自動(dòng)供料裝置、裝卸站、工件傳送系統(tǒng)和機(jī)床工件交換裝置等部分組成。按原材料或毛坯形式的不同，自動(dòng)供料裝置一般可分為卷料供料裝置、棒料供料裝置和件料供料裝置三大類。前兩類自動(dòng)供料裝置多屬于沖壓機(jī)床和專用自動(dòng)機(jī)床的專用部件。件料自動(dòng)供料裝置一般可以分為料倉(cāng)式供料裝置和料斗式供料裝置兩種形式。裝卸站是不同自動(dòng)化生產(chǎn)線之間的橋梁和接口，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線上物料的輸入和輸出功能。工件傳送系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)線內(nèi)部不同工位之間或不同工位與裝卸站之間工件的傳輸與交換功能，其基本形式有鏈?zhǔn)捷斔拖到y(tǒng)、輥式輸送系統(tǒng)、帶式輸送系統(tǒng)，詳見本章3.3節(jié)。機(jī)床工件交換裝置主要指各種上下料機(jī)械手及機(jī)床自動(dòng)供料裝置，其作用是將輸料道來的工件通過上料機(jī)械手安裝于加工設(shè)備上，加工完畢后，通過下料機(jī)械手取下，放置在輸料槽上輸送到下一個(gè)工位。3.2.2自動(dòng)供料裝置自動(dòng)供料裝置一般由儲(chǔ)料器、輸料槽、定向定位裝置和上料器組成。儲(chǔ)料器儲(chǔ)存一定數(shù)量的工件，根據(jù)加工設(shè)備的需求自動(dòng)輸出工件，經(jīng)輸料槽和定向定位裝置傳送到指定位置，再由上料器將工件送入機(jī)床加工位置。儲(chǔ)料器一般設(shè)計(jì)成料倉(cāng)式或料斗式。料倉(cāng)式儲(chǔ)料器需人工將工件按一定方向擺放在倉(cāng)內(nèi)；料斗式儲(chǔ)料器只需將工件倒入料斗，由料斗自動(dòng)完成定向。料倉(cāng)或料斗一般儲(chǔ)存小型工件，較大的工件可采用機(jī)械手或機(jī)器人來完成供料過程。1.料倉(cāng)料倉(cāng)的作用是儲(chǔ)存工件。根據(jù)工件的形狀特征、儲(chǔ)存量的大小以及與上料機(jī)構(gòu)的配合方式的不同，料倉(cāng)具有不同的結(jié)構(gòu)形式。由于工件的重量和形狀尺寸變化較大，料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有固定模式，一般人們把料倉(cāng)分成自重式和外力作用式兩種結(jié)構(gòu)，如圖3.3所示。圖3.3(a)、(b)是工件自重式料倉(cāng)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。圖3.3(a)將料倉(cāng)設(shè)計(jì)成螺旋式，可在不加大外形尺寸的條件下多容納工件，同時(shí)增大工件下滑的摩擦力，減小沖擊；圖3.3(b)將料倉(cāng)設(shè)計(jì)成料斗式，它設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但料倉(cāng)中的工件容易形成拱形面而阻塞出料口，一般應(yīng)設(shè)計(jì)拱形消除機(jī)構(gòu)，拱形消除機(jī)構(gòu)一般采用倉(cāng)壁振動(dòng)器。倉(cāng)壁振動(dòng)器使倉(cāng)壁產(chǎn)生局部、高頻微振動(dòng)，破壞工件間的摩擦力和工件與倉(cāng)壁間的摩擦力，從而保證工件連續(xù)地由料倉(cāng)中排出。圖3.3(c)、(d)、(e)、(f)、(g)和(h)為外力作用式料倉(cāng)。圖3.3(c)為重錘垂直壓送式料倉(cāng)，它適合易與倉(cāng)壁黏附的小零件；圖3.3(d)為重錘水平壓送式料倉(cāng)；圖3.3(e)為扭力彈簧壓送工件的料倉(cāng)；圖3.3(f)為利用工件與平帶間的摩擦力供料的料倉(cāng)；圖3.3(g)為鏈條傳送工件的料倉(cāng)，鏈條可連續(xù)或間歇傳動(dòng)；圖3.3 (h)為利用同步齒形帶傳送的料倉(cāng)。(e)扭力彈簧壓送式 ⑴摩擦式 @)鏈條傳送式 (h)齒形帶傳送式圖3.3料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)形式2.料斗裝置和自動(dòng)定向方法料斗上料裝置帶有定向機(jī)構(gòu)，工件在料斗中自動(dòng)完成定向，但并不是所有工件在送出料斗之前都能完成定向。沒有定向的工件在料斗出口處被分離，返回料斗重新定向，或由二次定向機(jī)構(gòu)再次定向。因此料斗的供料率會(huì)發(fā)生變化，為了保證正常生產(chǎn)，應(yīng)使料斗的平均供料率大于機(jī)床的生產(chǎn)率。料斗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)工件特征(如幾何形狀、尺寸、重心位置等)選擇合適的定向方式，然后確定料斗的形式。常用的工件自動(dòng)定向方法分為機(jī)械式定向方法和振動(dòng)式定向方法，相應(yīng)的料斗裝置為機(jī)械傳動(dòng)式料斗裝置和振動(dòng)式料斗裝置。機(jī)械傳動(dòng)式料斗裝置具有自動(dòng)定向機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)裝料過程完全自動(dòng)化。振動(dòng)式料斗裝置的工作原理是借助于電磁力—彈簧系統(tǒng)產(chǎn)生的微小振動(dòng)依靠慣性力和摩擦力的綜合作用驅(qū)使工件向前運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)中自動(dòng)定向。3.輸料槽根據(jù)工件的輸送方式(靠自重或強(qiáng)制輸送)和工件的形狀來確定輸料槽的結(jié)構(gòu)形式。一般靠工件自重輸送的自流式輸料槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但可靠性較差；半自流式或強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)式輸料槽可靠性高。4.工件的二次定向機(jī)構(gòu)有些外形復(fù)雜的工件，不可能在料斗內(nèi)一次定向完成，因此需在料斗外的輸料槽中進(jìn)行二次定向。常用的二次定向機(jī)構(gòu)如圖3.4所示。(a) (b) (c) (d)圖3.4二次定向機(jī)構(gòu)圖3.4(a)所示機(jī)構(gòu)適用于重心偏置的工件，工件向前送料的過程中，只有工件較重端朝下落入輸料槽。圖3.4(b)所示機(jī)構(gòu)適用于一端開口的套類工件，開口向左的工件，利用鉤子的作用，工件改變方向落入輸料槽；開口向右的工件推開鉤子返回料斗。圖3.4(c)所示機(jī)構(gòu)適用于重心偏置的盤類工件，工件向前運(yùn)動(dòng)經(jīng)過缺口時(shí)，如果重心偏向缺口一