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加工中心/FMS |
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自动化无人工厂的方案设计 |
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作者：巨能机器人 |
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本文介绍巨能机器人为某水泵生产厂家设计的自动化无人加工工厂的方案。自动化工厂由水泵端盖组件生产线、内外轴承组件生产线和水泵座生产线3 条线组合在一起，按照30 米跨的厂房规格进行设计，厂房头部和两侧预留4 米宽的通道，中间为生产线主体，生产线宽度22 米，长63 米，生产线的一端设置有集中的工件收集和检测区，对加工完成的零件进行检测和零件中转管理。作为对方案的验证，巨能机器人试生产了一条水泵端盖的生产线（如图1），经过实际的加工验证，完全达到了设计的要求。 
图1 水泵端盖生产线的一角
生产线为全自动运转模式，采用现场总线CC-LINK 技术，对线上的设备进行实时控制和实时监控，并设有总控室对全线的生产状态进行掌控，生产线的现场设置大屏幕实时显示生产线状态信息。现场总线CC-LINK（Control ＆ Communication Link）技术融合了控制与信息处理的现场总线技术是一种省配线、信息化的网络，它不但具备高实时性、分散控制、与智能设备通信、RAS 等功能，而且依靠与诸多现场设备制造厂商的紧密联系，提供开放式的环境。由于 CC-Link 可以直接连接各种流量计、电磁阀、温控仪等现场设备，降低了配线成本，并且便于接线设计的更改；通过中继器可以在 4.3 公里以内保持 10M 的高速通讯速度， CC-Link 具有性能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本等突出优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link 是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005 年7 月CC-Link 被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。
自动化工厂的总控室不仅可以监控和管理生产线的状态，也可以通过现场总线技术连接到工厂的空调、空压、电力等辅助系统，实现真正意义上的对整个工厂运转的监控和管理。
工艺方案设计
自动化生产工厂的生产纲领是年产20 万件，生产节拍为1 分钟一组套件。水泵端盖组件生产线中水泵端盖部分有三条相同的支线，如果有其中一条出现故障，其他两条可以继续工作，整个生产线不会停下来。相同的设计也用在了水泵座的生产线上，也采用了两条相同配置的支线结构。
1、水泵端盖组件生产线
水泵端盖组件生产线构成包含水泵端盖支线、压环支线、组件支线、集中托盘料道、抽检工位、压装工位、打标工位、工件输出料道、工件检测区、试漏区、包装区等。
1.1 水泵端盖支线的工艺过程
线的布置按照水泵端盖、压环和组件的顺序构成，如图2。水泵端盖零件单线的节拍为3 分钟，3 条线平均下来的节拍为1 分钟，满足年产20 万件的要求。每条支线配备一个20 位料仓，可以一次填装100 个零件，按照3 分钟的节拍，单次填装可以连续工作5 个小时。
图2 全自动方案的工艺布置整体图
水泵端盖毛坯由（2）门式机器人的机械手从（1）自动料仓中抓取出来，快进到第一工序的车床OP10 的工件等待区，当OP10 车床完成第一工序OP10 加工后，机器人进入到车床内部，定点到工件交换区，先将加工完成的零件卸下，机械手头部转动90°后将毛坯件送到车床卡盘中，然后退出车床，快进到（5）翻转工位，该工位完成零件的翻转180°动作，机器人抓取翻转后的零件快进到第二工序的车床OP20 的工件等待区，当车床完成零件的第二工序OP20 的加工后，执行和第一工序相同的动作，将零件进行交换，然后机器人将第二工序完成的零件放到（6）输送托盘上，托盘上有定位装置，将零件进行中心定位。输送托盘将零件输送至加（9）加工中心的上料位置，需要上料时由（8）门式机器人抓取，快进到（7）角定位工位完成零件的角向定位，然后由机械手抓取，送到加工中心的工件等待区，加工中心工序完成零件的第三工序OP30 的加工，第三工序有三个工位，一次装夹后全部3 个工位的加工，当需要上料时，先移动到OP30 的第一工位和加工完成的零件进行交换，然后放到翻转工位进行翻转180°，再将翻转后的零件与第二个工位的零件进行交换，以此类推和其他2 个工位依次进行零件交换，最后把全部加工完成的零件放入到（10）工件清理工位进行清理，然后放到（31）集中输送托盘上，至此水泵端盖零件的全部工序完成。
图3
1.2 压环支线的工艺过程
压环支线生产节拍为1 分钟，配备一个6 工位的料仓，可以一次装填300个零件，单次填装可以连续工作5 个小时。关于压环的加工，也是分两道工序，使用机器人进行装卸。同时在第一工序切断时，我们使用尾座做为辅助机构，即先用尾座撑住准备切断的部分后再进行切断。压环采用5 个零件共用一段毛坯料，第一序车床连续加工5 个零件后，再由机器人进行上料，继续下一个循环的加工。当第一序车床OP10 完成一个压环的第一工序OP10 加工后，（22）尾座气爪移动到工件加工区，内撑卡住压环零件，与主轴一起旋转，机床刀具进行切断加工，然后尾座气爪移开，（23）门式机器人的机器人水平旋转180°后进入到车床内部，与尾座气爪进行工件交换，然后退出机床，车床OP10 开始进行下一零件的加工，机器人同时快进到第二序车床OP20 的待加工区，水平旋转180°，垂直旋转90°，当第二序车床加工完成后，机器人进入到车床内部进行工件交换，完成后进入（26）零件件的清洗工位，对零件进行清理，之后放到（31）集中输送托盘上的有水泵端盖零件和压装工位定位夹具的托盘上，然后机器人回到起始的等待位置，托盘和定位夹具一起移动到压装工位进行压装，压装工位的传感器进行测量，不合格的零件丢入收集箱，合格的零件进入打标工位进行打标后进入下一工位。水泵端盖零件在进入压装工位之前有抽检工位进行质量控制。
图4
1.3 水泵端盖组件支线的工艺过程
水泵端盖组件支线的生产节拍是1 分钟，直接从（31）集中托盘上取料，不需要料仓，可以连续工作。水泵端盖和压环加工完毕后还需要进行压装，压装完毕的工件（水泵端盖组件），还需要进行环形槽部分的挤压和内孔部分的精车（考虑到压装和挤压变形，内孔配合尺寸必须要再精车一次）。由（41）门式机器人从（31）集中料道的托盘上取料，快进到车床的待加工区，当车床完成加工后，进入到车床与加工完成的零件进行交换，然后将加工完成的零件放到（130）检漏工位，由工件由检漏设备压紧，并通上接头打压试漏，对不合格的零件输出到不合格零件收集箱，合格的零件推入到（45）输出料道上输送到工件收集区，进行最终检测和收集，至此水泵端盖组件的全部工序完成。
图5
2、 内外轴承组件生产线
内外轴承组件生产线由触点支线、内轴承支线、外轴承支线和和集中工件检测收集区构成。线的布置按照触点支线、内轴承支线、外轴承支线的顺序构成，如图2。
2.1 触点支线的工艺过程
节拍为20 秒，满足年产60 万件的要求（一个内轴承上需要焊接3个触点）。配备一个棒料输送机，单次填装可以连续工作10 个小时以上。采用专用的自动切割机自动上料，用成型刀具加工端面的圆锥面，锯片刀具切断。棒料输送机将成型的把棒料直接送到自动切割机中进行切断，在每个零件的切断之前由成型刀进行锥面的加工，加工完成后由（57）输送入到（58）输送机，最后进入到下一工序的焊接工位上料器中。
图6
2.2 外轴承零件支线的工艺过程
外轴承零件支线的生产节拍是1 分钟，满足年产20 万件的要求。配备一个棒料输送机，单次装填可以连续工作10 个小时以上。
棒料输送机将外轴承零件的环棒料送入车床进行第一个工序OP10的加工，加工完成后，（71）尾座气爪移动到加工区，内撑夹持外轴承，与主轴一起旋转，机床进行切断加工，切断之后尾座气爪移开，（71）门式机器人的机械手进入机床将尾座气爪上的零件取走，放到焊接工位的上料区，焊接工位的机器人将外轴承零件抓取到焊接工位并定位，并将由触点支线输送过来的触点焊接到外轴承上，焊接完成后由焊接工位的机器人将零件放到第三工序的上料区，由（75）门式机器人和第三序车床OP30 和第四序车床OP40 完成剩下两序的加工，第三序和第四序之间有翻转工位进行翻转，加工全部完成的零件进入（79）输出料道输送到工件收集区进行收集和检查。
图7
2.3 内轴承零件支线的工艺过程
内轴承零件支线的生产节拍是1 分钟，满足年产20 万件的要求。配备一个棒料输送机，单次装填可以连续工作10 个小时以上。
棒料输送机将内轴承零件的环棒料送入车床进行第一个工序OP10的加工，加工完成后，（89）尾座气爪移动到加工区，内撑夹持外轴承，与主轴一起旋转，机床进行切断加工，切断之后尾座气爪移开，（90）门式机器人的机器人进入机床将尾座气爪上的零件取走，放入第二序车床完成剩下工序的加工，加工全部完成的零件进入（93）输出料道，输送到工件收集区进行收集和检查，至此内外轴承组件的全部工序完成。
图8
3、水泵座生产线
水泵座生产线构成包含水泵座生产线、工件输出料道、工件检测区、包装区等，如图2。
3.1 水泵座生产线的工艺过程
水泵座生产线有两条相同的支线构成，单条支线的节拍为2 分钟，两条线平均下来的生产节拍是1 分钟，满足年产20 万件的要求。每个支线配备20P 的料仓，单次填装可以连续工作12 个小时以上。
水泵座毛坯由（104）门式机器人从（103）自动料仓中抓取出来，快进到第一工序的车床OP10 的工件等待区，当车床完成第一工序OP10 加工后，机器人进入到车床内部，定点到工件交换区，先将加工完成的零件卸下，机器人头部转动90°后将毛坯件送到车床卡盘中，然后退出车床，快进到（107）翻转工位，翻转工位完成零件的翻转180°动作，机器人抓取翻转后的零件快进到第二工序的车床的工件等待区，当第二序车床完成零件的第二工序OP20 的加工后，执行和第一工序相同的动作，将零件进行交换，然后机器人将第二工序完成的零件放到（108）输送托盘上，输送托盘移动到加工中心序的上料位置，当需要上料时由（109）门式机器人的机器人抓取，进行OP30 工序的两个工位的加工，期间两个工位需要交换工件时经过（110）翻转工位进行翻转，然后再由机器人进行装夹，最后由机器人将完成的工件放入到（112）工件清理工位进行清理，然后放到（114）输出料道上，输送到工件收集区进行收集和检查，至此水泵座零件的全部工序完成。
图9
4、生产线总控系统和零件转运仓库
生产线采用现场总线技术，对线上的设备进行实时监控，并设有总控室（图10）对全线的生产状态进行掌控，生产线的现场设置大屏幕（图11）实时显示生产线状态信息，生产线的一端设置有集中的工件收集和检测区（图10），对加工完成的零件进行检测和零件中转管理。
设备运转的运转状态通过远程的工控机进行收集，利用模态组件进行集中收集、整理和显示，对设备运转状态进行分析，并提出预警及警报信息。
图10
图11
总结
自动化工厂采用了模块化和现场总线的设计思路，每条生产支线按照工序分成各个独立的单元模块，各个模块之间通过现场总线CC-Link 共享信息，模块之间相互彼此独立，各个模块可以独立运转，同一单元内的机器人和机床也采用分离式的控制，相互各不影响，即使机器人出现故障，机床也可以继续运转，就连中转的料道也设计成独立控制的形式，这种模块化的设计，也有利于设备的维护和检修。正是因为这种模块化的设计，所有设备可以随时转入半自动或全手动的运转模式。
注：
1.年产量是按年时基数3820 小时，设备运行负荷90%，合格率97%计算的结果。
2.零件的切削参数的选择是依据进口刀具公司提供的依据进行选择的。
3．RAS 是Reliability（可靠性）、Availability（有效性）、Serviceability（可维护性）的缩写。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(12/2/2010) |
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佳工网友 段先生
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于11/15/2014 12:56:00 PM评论说：
我是南车株洲电机有限公司的工程师，我们最近在准备设计自动化无人工厂设计及调研，希望得到你们的支持(电话：18773366671)
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