基于FMS的自动化立体仓库设计
发布时间：2014-10-04 15:20
摘要:设计基于柔性制造系统(FMS)的自动化立体仓库单元，包括货架、码垛机、出入库平移台等组成部分的机械结构和电气系统，通过ProfiBus-DP总线实现与总控制单元之间的数据交换，进行监控和管理。实际运行结果证明，所构建的自动化立体仓库单元完全满足柔性制造系统的高效实用要求。
关键词:FMS;自动化立体仓库;ProfiBus-DP总线
目前，柔性制造系统(FMS)已渗透到制造业的各个领域，并对生产方式产生了深远的影响。越来越多的中国加工制造企业在从传统的单品种、大批量生产方式向多品种、中小批量及“变种变量”的生产方式过渡这一过程中使用了FMS。自动化立体仓库单元是柔性制造系统的重要组成部分，由货架、码垛机、出入库平移台组成，由PLC控制，并通过ProfiBus-DP总线与总控制单元进行数据交换，接受用户的控制和管理［1］。
1柔性制造系统的总体组成和工作流程
1.1系统总体组成
柔性制造系统由自动化立体仓库单元、AGV运载机器人、自动输送线装置、CCD形状检测系统、六自由度行走搬运机器人、六自由度焊接机器人、数控车床、加工中心及相应附属设备组成。系统运用
Profibus-DP总线及开发型组态软件等网络通讯技术，使总控单元对各单元设备进行集成控制，能够根据生产任务的变化，通过简单地改变软件设置的方法进行调整，以适宜多品种、中小批量生产。其结构如图1所示［2－3］。
1.2系统工作流程
系统开始工作前，人工将不同工件和托盘按照事先规划好的各零件毛坯区域送入原料库货架。工件或毛坯由码垛机从自动化立体仓库的原料仓库中取出，此时AGV按照预定轨道运行到取料位置。通过出库平移台，毛坯由AGV送至自动输送线，经六自由度搬运机器人送到柔性制造加工单元中，按照工序流程在数控车床或加工中心、焊接机械臂上进行加工。加工完成后，由机器人取出工件，通过输送线和AGV一起运行，将工件放回入库平移台上，由码垛机拾取送入仓库成品库货架。同时，软件记录信息，以便管理，进而完成一个工作流程。
图1系统结构图
2自动化立体仓库单元设计与控制
2.1仓库单元组成及功能
自动化立体仓库单元由一台挂壁式码垛机、两套仓库、两套出入库平移台及托盘、仓位传感器等组成，仓库单元如图2所示。
图2自动化立体仓库单元
双排货架仓库由型钢搭建，螺钉连接固定各部分，底部有地脚固定座。仓库外形设计为5.5m×0.45m×3m，共有8列6层48个仓位，每个仓位尺寸为550mm×450mm×430mm，其最大负载质量为30kg。两套货架与挂壁式码垛机及传感器组成了自动化立体仓库单元。仓库货架上每个货位安装有机械微动开关，并且在货架的上方装有巷道装置。
挂壁式码垛机采用单立柱地面支撑结构，外形为1.6m×0.8m×3m，由x、y、z三方向直线运动机构组成，起升、运行采用电机驱动方式。一维水平直线运动机构由底座、直线滑轨、滑轮、电机减速器、传动链条等组成，完成机构的水平运动。二维垂直直线运动机构由立柱、滑轨、传动链、机架、电机减速器组成，完成工件的上下运动。三维直线运动机构由水平支架、滑道、导轨、取货平板、电机减速器组成，完成工件的前后运动。所有机械件的底座、壳体部分均采用钢材制作，结构紧凑、质量轻，运转灵活，其最大负载质量为26kg。
出入库平移台负责在仓库单元与输送线之间传递工件，由铝合金型材搭建，直流电机加减速器驱动，上面安装对射光电传感器感应工件位置，由同步带传送工件，完成出库、入库动作［4］。
2.2电气控制系统设计码垛机的主电路与控制电路如图3所示。
M1为一维x水平方向电机，M2为二维y垂直方向电机，M3为三维z方向电机，M1与M2均为三相异步电动机，而M3为单相电机。SB1为启动按钮，
SB2为停止按钮，SB3为急停按钮。
码垛机由欧姆龙PLC控制，型号为CP1HX40DT-D，根据工序动作需要，共需110个输入点，29个输出点，所以使用了4个CPM1A-40EDR扩展I/O单元。输入点包括货架上安装的微动开关、x/y/z三个方向的行程开关等;输出点包括电机启动、停止、急停开关等。PLC梯形图分为初始化、主程序、复位、总控调试等，共16段、3061步，其初始化段部分程序如图4所示［5］。
图3仓库单元电路
图4码垛机初始化部分PLC梯形图
2.3控制软件设计
柔性制造系统总控制单元由一台研华IPC-610H工控机作为主控机，主控软件为操作人员使用的前台程序，软件运行平台为WindowsXP，使用组态王软件开发。总控制单元通过ProfiBus-DP总线通讯采集各分站信息，并协调各个分站动作，同时实现人机交互界面接受用户控制，其操作分为连续自动和各分站手动控制两种方式［6］。
仓库单元通过欧姆龙PLC的Profibus通讯模块与主站控制计算机进行通讯，通过主控软件的设定，控制码垛机运行。码垛机出入库动作由PLC来完成，当码垛机接收到出库请求时，码垛机由上至下、由左至右扫描原料库的各个仓格，并对扫描到的第一个有工件的仓格进行出库操作，出库运行状态位有效;码垛机将取到的工件放入出库传送带上后，码垛机出库完成，出库完成状态位有效;当码垛机退回到安全位置后，码垛机出库运动完成，码垛机出库运行状态位无效，至此码垛机的出库运动完成。如果原料库中没有检测到工件，则原料库空状态位置1。当码垛机接收到入库请求时，码垛机从传送带上取出工件，然后查询成品中的空位置，把工件放到查询到的空位置，再使入库完成状态位有效，码垛机入库运行状态位无效，至此码垛机的入库运动完成。其手动控制的部分代码如下:
/////////////
码垛机_电柜上电=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，
1);
码垛机_联机=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，2);码垛机_复位中=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，
8);
码垛机_复位完成=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，
3);
码垛机_报警=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，4);
第4期赖思琦等:基于FMS的自动化立体仓库设计•9•
码垛机_程序运行=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，
9);
码垛机_程序停止=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，
5);
码垛机_总控调试=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，
11);
码垛机_出库中=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，
6);
码垛机_出库完成=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，
13);
码垛机_入库中=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，
7);
码垛机_入库完成=Bit(立体仓库与码垛机_总状态，
14);
码垛机_出库请求=Bit(立体仓库与码垛机_总控制，
6);
码垛机_入库请求=Bit(立体仓库与码垛机_总控制，7);码垛机_1EL正=Bit(码垛机限位与状态，1);码垛机_1ORG=Bit(码垛机限位与状态，2);码垛机_1EL负=Bit(码垛机限位与状态，3);码垛机_2EL正=Bit(码垛机限位与状态，4);码垛机_2ORG=Bit(码垛机限位与状态，5);码垛机_2EL负=Bit(码垛机限位与状态，6);码垛机_3EL正=Bit(码垛机限位与状态，7);码垛机_3ORG=Bit(码垛机限位与状态，8);码垛机_3EL负=Bit(码垛机限位与状态，9);
if(Bit(立体仓库与码垛机_总状态，14))//码垛机入库完成
{单机入库仓位查询=0;//可以查询仓位
BitSet(立体仓库与码垛机_总控制，7，0);
}
//计算单机搬运仓位if(码垛机_总控调试)
{if(((码垛机_单机搬运行==0)＆＆(码垛机_单机搬运列==0))||((码垛机_单机搬运行==0)
＆＆(码垛机_单机搬运列==7)))
{指定仓位为空=0;}
else
{if(!Bit(码垛机限位与状态，16)){指定仓位为空=1;}
}
if(Bit(码垛机限位与状态，16)){指定仓位为空
=0;}
}
………………仓库单元手动控制界面见图5。
图5仓库单元手动控制界面
(下转第13页)
第4期张猛等:基于绿色制造的深孔加工附件设计•13•
图5简易输油器
2应用实例
设计并制造出该深孔加工附件后，将其安装在一台普通车床上进行钻削实验。采用中北大学工艺研究所生产的硬质合金BTA钻头，钻杆选用45无缝钢管;试件材料为正火45钢棒料，尺寸为40mm×100mm，钻削孔径为20mm;选取切削用量:主轴转速v=1000r/min，刀具轴向进给量f=0.05mm/r;切削液选用20#机械油，流量为3mL/min;空气压力为1MPa，流量为0.5m3/min;DF系统的喷嘴间隙调节为0.2mm。
经多次实验，切削过程均很平稳，排屑顺畅，加工完成试件的孔径误差为±0.2～±0.3mm，轴线偏斜度达到1/1000mm，孔壁表面粗糙度达Ra3.2μm以下。结果证明，使用该深孔加工附件，可以在普通机床上加工出满足精度要求的深孔，且切削液的用量极少，加工过程中被完全蒸发，产生的切屑清洁干净，回收利用方便，达到了节约能源、降低成本和减少污染的目的。
3结束语
采用此套深孔加工附件进行深孔加工与传统深孔加工方法相比不仅能降低加工成本，而且能减少对工作场所及环境的污染，提高了综合效益。随着“绿色制造”理念的深入人心，该装置必然有着广阔的推广应用前景。
参考文献:
【1】崔海云，贾育秦，王培霞，等．绿色制造技术在机床全生命周期中的应用［J］．机床与液压，2010，38(24):10－12．
【2】彭海，王水航．亚干式深孔加工中的低温冷风雾化技术［J］．机械制造，2006，44(9):42－44．
【3】朱颖，张汝春．金属切削加工喷雾冷却方法［J］．煤矿机械，2005(6):73－75．
【4】林建忠，阮晓东．流体力学［M］．北京:清华大学出版社，2005．
【5】刘宝运，张小华，金士良，等．射流技术在油液雾化设计中的应用［J］．机床与液压，2008，36(5):85－87．
【6】侯凌云，侯晓春．喷嘴技术手册［M］．北京:中国石化出版社，2002．
【7】王云峰．基于绿色制造的低温气动喷雾冷却的基础研［D］．南京:南京航空航天大学，2005．
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