某自動化輪胎排序上線系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用研究

（北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著人類科技的進(jìn)步和不斷的發(fā)展，我們的生產(chǎn)效率不斷的提高，創(chuàng)造價值的速度越來越快。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)了自動化這個行業(yè)的發(fā)展。目前我國自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如火如荼，各地各工廠有條件后都爭相上新自動化生產(chǎn)線或?qū)β浜蟮娜斯ぷ鳂I(yè)進(jìn)行自動化改造。本文就是依托一家工廠汽車總裝線的輪胎上線模塊的自動化改造來進(jìn)行研究討論。

該輪胎上線模塊是汽車總裝線的一部分，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。這種方法需要耗費(fèi)大量人力，二十四小時由工人不停的搬運(yùn)輪胎。并且有一定的概率出現(xiàn)放置錯誤的情況，而影響了汽車總裝。為了節(jié)約人力資源，提高正確率，提升自動化水平，對該自動化系統(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。兩條皮帶線分別對應(yīng)兩條汽車總裝線。

圖1 該系統(tǒng)設(shè)備俯視圖

改造后的該自動化上線系統(tǒng)采用龍門機(jī)械手代替之前的人工碼放為自動碼放。原來的兩條皮帶線不變，每條皮帶線分別配置了一臺龍門機(jī)械手。每個機(jī)械手正下方為8臺輸送機(jī)站臺，輸送機(jī)站臺上分別放置不同種類的整托盤多層碼放好的輪胎，由龍門機(jī)械手抓取放置到皮帶線，每一個站臺上只放置相同種類的輪胎。這些多層碼放著輪胎的托盤由叉車送往輸送機(jī)站臺上。抓取后的空托盤或直接退出或通過穿梭車退出系統(tǒng)，以重新利用。

要抓取哪一個托盤的輪胎，由上位系統(tǒng)通過接口系統(tǒng)取來總裝線車輛排序單，按照順序發(fā)送作業(yè)給龍門機(jī)械手，去相應(yīng)的輸送機(jī)站臺上抓取到皮帶線上。 而下方托盤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，叉車根據(jù)提示往輸送線站臺上補(bǔ)充整托盤的輪胎。

1.2 物流流程

具體流程如下：

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

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

3）輪胎放至輸送線站臺后，通過手持終端綁定輪胎種類、站臺號以及數(shù)量等信息，給系統(tǒng)記錄站臺對應(yīng)準(zhǔn)確的輪胎庫存信息。叉車通過手持終端對入貨信息進(jìn)行確認(rèn)。

4）輪胎在站臺停穩(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。

5）抓取空后的空托盤通過穿梭車送出，或直接退出。

1.3 輪胎排序單規(guī)則

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

每輛車一共5個輪胎，4個主輪胎，1個備用輪胎，主胎和備胎的規(guī)格型號可能相同也可能不同。調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送給龍門機(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

托盤上的輪胎根據(jù)型號不同層數(shù)不同，每層4個，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)初始化時人工碼放順序

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

2 系統(tǒng)設(shè)計

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)通過與總裝線的信息接口，定時導(dǎo)入排序單到本地數(shù)據(jù)庫，通過匯總排序單，計算上線需求，向條屏發(fā)送需求信息。同時，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)的動作。數(shù)據(jù)庫中設(shè)計了作業(yè)所需的重要字段。該作業(yè)數(shù)據(jù)庫中表的設(shè)計如表1所示。

發(fā)給PLC的數(shù)據(jù)主要有：機(jī)械手號，為要發(fā)送到的機(jī)械手的編號；作業(yè)類型，是機(jī)械手的作業(yè)抓取類型和方式。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，可以識別到作業(yè)目前進(jìn)行到步驟，上位機(jī)調(diào)度系統(tǒng)通過不斷與PLC交互來更新該字段。

表1 抓取作業(yè)數(shù)據(jù)庫表設(shè)計

3 系統(tǒng)代表性難點以及解決方案

3.1 對時效性要求高

系統(tǒng)需要按照總裝線的節(jié)拍上線輪胎，這就對時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。

這樣就需要對排序單的處理速度達(dá)到最大化，叉車往輸送線站臺上送托盤不能耽誤，龍門機(jī)械手的抓取規(guī)則也要設(shè)計的使得速度最大化。另外，這也要求出故障后系統(tǒng)暫停的處理時間要極短。對此，軟件系統(tǒng)設(shè)計出一些方案和功能來達(dá)到此要求。

1）合單功能的設(shè)計

文章1.3中介紹了機(jī)械手抓取規(guī)則的特點，每輛汽車一共5個輪胎，這樣就會有一個輪胎需要單抓一次。在實際過程中，排序單中有很多使用相同輪胎的汽車是連續(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合并來處理。一共10個輪胎，每次2個，正好5次抓完。而如果不合并，就需要抓取6次。經(jīng)過統(tǒng)計，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，整個系統(tǒng)的效率就提高了大約10%，也是一個不小的進(jìn)步。如圖5所示，為優(yōu)化后的龍門機(jī)械手的作業(yè)記錄流水，架號為每一輛汽車，零件號為汽車輪胎的的型號，數(shù)量為2即為每次抓取兩個。其中有“合”字樣的，即為前后兩輛車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

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

主要有幾個方面：

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

2）庫存數(shù)據(jù)快速初始化。

圖6 輪胎庫存及庫存修改功能

該功能可以快速修改輸送機(jī)站臺上的實際輪胎數(shù)量，以便處理在某些情況下由于人為原因造成的系統(tǒng)庫存數(shù)量與實際庫存數(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，實時記錄每條排序車大的狀態(tài)及處理完成數(shù)量，如果與實際不符，則會造成多抓或者少抓等完全錯誤的后果。

該功能可以讓系統(tǒng)初始化到從一條新的排序開始，后臺自動初始化所有相關(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 對準(zhǔn)確性要求高

每一個輪胎都不能出現(xiàn)錯誤，這就使得系統(tǒng)對信息流、接口和排序單的處理以及自我及時糾錯能力提出了很高的要求。不像有的系統(tǒng)有一定的容錯率，錯誤之后可以有時間和成本進(jìn)行糾錯。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出現(xiàn)錯誤，或者總裝線停線糾錯，成本就很高昂了。

文章3.1中提到的初始化功能，除了能滿足提高效率的要求，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，就能保證一個正確的開始。因為人工做回滾處理，很容易出錯。另外，輸送機(jī)站臺上的托盤上，輪胎的碼放規(guī)則的設(shè)計和龍門機(jī)械手的抓取規(guī)則也進(jìn)行了合理的設(shè)計，否則抓取過程就會卡殼甚至抓錯。

3.3 非標(biāo)準(zhǔn)類型繁多

系統(tǒng)需要動態(tài)適應(yīng)各種非常規(guī)情況，比如輪胎換編碼、產(chǎn)品斷點、排序單為空、排序單輪胎編碼和實際不一致、一二等品的區(qū)分、出口車區(qū)分、車型選擇性跳過等等。

為此，調(diào)度系統(tǒng)需要準(zhǔn)確而高效的調(diào)動整套設(shè)備和數(shù)據(jù)庫，管理系統(tǒng)需要設(shè)計簡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)庫專門為快速切換輪胎編碼和產(chǎn)品斷點開發(fā)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速導(dǎo)入切換功能，在任何時間下就能進(jìn)行快速的切換。還有為車型選擇性跳過開發(fā)了快速跳過功能等等。

3.4 作業(yè)強(qiáng)度大

系統(tǒng)24小時運(yùn)行。根據(jù)實際運(yùn)行情況測算，每個機(jī)械手每小時要進(jìn)行144次作業(yè)，每天則為3456次。每次作業(yè)還包括多種動作，拿上升下降來舉例，每條作業(yè)要進(jìn)行4次，也就是每天13824次動作。另外還有旋轉(zhuǎn)、夾緊松開等動作。這樣就對系統(tǒng)的硬件提出了很高要求。

為了保證設(shè)備能完成高負(fù)荷長時間運(yùn)作，能適應(yīng)高加速變載荷運(yùn)動，能維持較低的故障率，對設(shè)備的硬件系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了一系列優(yōu)化：采用有限元分析等方法，對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計，在保證系統(tǒng)剛度、強(qiáng)度要求的前提下，通過采用優(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)動慣量，又仍確保結(jié)構(gòu)運(yùn)動時撓度可控；各軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動，保證了設(shè)備運(yùn)動響應(yīng)更迅速、能承受更高負(fù)載、定位也更精確，通過優(yōu)化運(yùn)動函數(shù)，保證了運(yùn)動曲線高階可導(dǎo)、設(shè)備運(yùn)動更平穩(wěn)；對相關(guān)機(jī)構(gòu)采用合理的設(shè)計方案，對選用精度較低的運(yùn)動副的部分設(shè)計了合理的補(bǔ)償方式，對精度要求較高的軸承、直線導(dǎo)軌等進(jìn)行了詳細(xì)計算，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，對緊固件進(jìn)行全面校核，對其幾何參數(shù)、擰緊力矩、防松方式等均進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定；制定了全面的潤滑方案，對高速輕載運(yùn)動副采用集中供油系統(tǒng)，對低速重載部分則專門選取極壓潤滑脂，保證潤滑充分可靠。通過一系列的設(shè)計優(yōu)化，設(shè)備可靠性、平穩(wěn)性、響應(yīng)能力均得到提高。