自動化無人工廠的方案設(shè)計

　　本文介紹巨能機(jī)器人為某水泵生產(chǎn)廠家設(shè)計的自動化無人加工工廠的方案。自動化工廠由水泵端蓋組件生產(chǎn)線、內(nèi)外軸承組件生產(chǎn)線和水泵座生產(chǎn)線3 條線組合在一起，按照30 米跨的廠房規(guī)格進(jìn)行設(shè)計，廠房頭部和兩側(cè)預(yù)留4 米寬的通道，中間為生產(chǎn)線主體，生產(chǎn)線寬度22 米，長63 米，生產(chǎn)線的一端設(shè)置有集中的工件收集和檢測區(qū)，對加工完成的零件進(jìn)行檢測和零件中轉(zhuǎn)管理。作為對方案的驗證，巨能機(jī)器人試生產(chǎn)了一條水泵端蓋的生產(chǎn)線（如圖1），經(jīng)過實際的加工驗證，完全達(dá)到了設(shè)計的要求。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 水泵端蓋生產(chǎn)線的一角

　　生產(chǎn)線為全自動運(yùn)轉(zhuǎn)模式，采用現(xiàn)場總線CC-LINK 技術(shù)，對線上的設(shè)備進(jìn)行實時控制和實時監(jiān)控，并設(shè)有總控室對全線的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行掌控，生產(chǎn)線的現(xiàn)場設(shè)置大屏幕實時顯示生產(chǎn)線狀態(tài)信息�，F(xiàn)場總線CC-LINK（Control ＆ Communication Link）技術(shù)融合了控制與信息處理的現(xiàn)場總線技術(shù)是一種省配線、信息化的網(wǎng)絡(luò)，它不但具備高實時性、分散控制、與智能設(shè)備通信、RAS 等功能，而且依靠與諸多現(xiàn)場設(shè)備制造廠商的緊密聯(lián)系，提供開放式的環(huán)境。由于 CC-Link 可以直接連接各種流量計、電磁閥、溫控儀等現(xiàn)場設(shè)備，降低了配線成本，并且便于接線設(shè)計的更改；通過中繼器可以在 4.3 公里以內(nèi)保持 10M 的高速通訊速度， CC-Link 具有性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡單、節(jié)省成本等突出優(yōu)點(diǎn)。其不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場配線復(fù)雜的問題，同時具有優(yōu)異的抗噪性能和兼容性。CC-Link 是一個以設(shè)備層為主的網(wǎng)絡(luò)，同時也可覆蓋較高層次的控制層和較低層次的傳感層。2005 年7 月CC-Link 被中國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)為中國國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。

　　自動化工廠的總控室不僅可以監(jiān)控和管理生產(chǎn)線的狀態(tài)，也可以通過現(xiàn)場總線技術(shù)連接到工廠的空調(diào)、空壓、電力等輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)真正意義上的對整個工廠運(yùn)轉(zhuǎn)的監(jiān)控和管理。

工藝方案設(shè)計
　　自動化生產(chǎn)工廠的生產(chǎn)綱領(lǐng)是年產(chǎn)20 萬件，生產(chǎn)節(jié)拍為1 分鐘一組套件。水泵端蓋組件生產(chǎn)線中水泵端蓋部分有三條相同的支線，如果有其中一條出現(xiàn)故障，其他兩條可以繼續(xù)工作，整個生產(chǎn)線不會停下來。相同的設(shè)計也用在了水泵座的生產(chǎn)線上，也采用了兩條相同配置的支線結(jié)構(gòu)。

1、水泵端蓋組件生產(chǎn)線
　　水泵端蓋組件生產(chǎn)線構(gòu)成包含水泵端蓋支線、壓環(huán)支線、組件支線、集中托盤料道、抽檢工位、壓裝工位、打標(biāo)工位、工件輸出料道、工件檢測區(qū)、試漏區(qū)、包裝區(qū)等。

1.1 水泵端蓋支線的工藝過程
　　線的布置按照水泵端蓋、壓環(huán)和組件的順序構(gòu)成，如圖2。水泵端蓋零件單線的節(jié)拍為3 分鐘，3 條線平均下來的節(jié)拍為1 分鐘，滿足年產(chǎn)20 萬件的要求。每條支線配備一個20 位料倉，可以一次填裝100 個零件，按照3 分鐘的節(jié)拍，單次填裝可以連續(xù)工作5 個小時。

                                                                            圖2 全自動方案的工藝布置整體圖

　　水泵端蓋毛坯由（2）門式機(jī)器人的機(jī)械手從（1）自動料倉中抓取出來，快進(jìn)到第一工序的車床OP10 的工件等待區(qū)，當(dāng)OP10 車床完成第一工序OP10 加工后，機(jī)器人進(jìn)入到車床內(nèi)部，定點(diǎn)到工件交換區(qū)，先將加工完成的零件卸下，機(jī)械手頭部轉(zhuǎn)動90°后將毛坯件送到車床卡盤中，然后退出車床，快進(jìn)到（5）翻轉(zhuǎn)工位，該工位完成零件的翻轉(zhuǎn)180°動作，機(jī)器人抓取翻轉(zhuǎn)后的零件快進(jìn)到第二工序的車床OP20 的工件等待區(qū)，當(dāng)車床完成零件的第二工序OP20 的加工后，執(zhí)行和第一工序相同的動作，將零件進(jìn)行交換，然后機(jī)器人將第二工序完成的零件放到（6）輸送托盤上，托盤上有定位裝置，將零件進(jìn)行中心定位。輸送托盤將零件輸送至加（9）加工中心的上料位置，需要上料時由（8）門式機(jī)器人抓取，快進(jìn)到（7）角定位工位完成零件的角向定位，然后由機(jī)械手抓取，送到加工中心的工件等待區(qū)，加工中心工序完成零件的第三工序OP30 的加工，第三工序有三個工位，一次裝夾后全部3 個工位的加工，當(dāng)需要上料時，先移動到OP30 的第一工位和加工完成的零件進(jìn)行交換，然后放到翻轉(zhuǎn)工位進(jìn)行翻轉(zhuǎn)180°，再將翻轉(zhuǎn)后的零件與第二個工位的零件進(jìn)行交換，以此類推和其他2 個工位依次進(jìn)行零件交換，最后把全部加工完成的零件放入到（10）工件清理工位進(jìn)行清理，然后放到（31）集中輸送托盤上，至此水泵端蓋零件的全部工序完成。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3

1.2 壓環(huán)支線的工藝過程
　　壓環(huán)支線生產(chǎn)節(jié)拍為1 分鐘，配備一個6 工位的料倉，可以一次裝填300個零件，單次填裝可以連續(xù)工作5 個小時。關(guān)于壓環(huán)的加工，也是分兩道工序，使用機(jī)器人進(jìn)行裝卸。同時在第一工序切斷時，我們使用尾座做為輔助機(jī)構(gòu)，即先用尾座撐住準(zhǔn)備切斷的部分后再進(jìn)行切斷。壓環(huán)采用5 個零件共用一段毛坯料，第一序車床連續(xù)加工5 個零件后，再由機(jī)器人進(jìn)行上料，繼續(xù)下一個循環(huán)的加工。當(dāng)?shù)谝恍蜍嚧睴P10 完成一個壓環(huán)的第一工序OP10 加工后，（22）尾座氣爪移動到工件加工區(qū)，內(nèi)撐卡住壓環(huán)零件，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，機(jī)床刀具進(jìn)行切斷加工，然后尾座氣爪移開，（23）門式機(jī)器人的機(jī)器人水平旋轉(zhuǎn)180°后進(jìn)入到車床內(nèi)部，與尾座氣爪進(jìn)行工件交換，然后退出機(jī)床，車床OP10 開始進(jìn)行下一零件的加工，機(jī)器人同時快進(jìn)到第二序車床OP20 的待加工區(qū)，水平旋轉(zhuǎn)180°，垂直旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)?shù)诙�序車床加工完成后，機(jī)器人進(jìn)入到車床內(nèi)部進(jìn)行工件交換，完成后進(jìn)入（26）零件件的清洗工位，對零件進(jìn)行清理，之后放到（31）集中輸送托盤上的有水泵端蓋零件和壓裝工位定位夾具的托盤上，然后機(jī)器人回到起始的等待位置，托盤和定位夾具一起移動到壓裝工位進(jìn)行壓裝，壓裝工位的傳感器進(jìn)行測量，不合格的零件丟入收集箱，合格的零件進(jìn)入打標(biāo)工位進(jìn)行打標(biāo)后進(jìn)入下一工位。水泵端蓋零件在進(jìn)入壓裝工位之前有抽檢工位進(jìn)行質(zhì)量控制。
　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖4

1.3 水泵端蓋組件支線的工藝過程
　　水泵端蓋組件支線的生產(chǎn)節(jié)拍是1 分鐘，直接從（31）集中托盤上取料，不需要料倉，可以連續(xù)工作。水泵端蓋和壓環(huán)加工完畢后還需要進(jìn)行壓裝，壓裝完畢的工件（水泵端蓋組件），還需要進(jìn)行環(huán)形槽部分的擠壓和內(nèi)孔部分的精車（考慮到壓裝和擠壓變形，內(nèi)孔配合尺寸必須要再精車一次）。由（41）門式機(jī)器人從（31）集中料道的托盤上取料，快進(jìn)到車床的待加工區(qū)，當(dāng)車床完成加工后，進(jìn)入到車床與加工完成的零件進(jìn)行交換，然后將加工完成的零件放到（130）檢漏工位，由工件由檢漏設(shè)備壓緊，并通上接頭打壓試漏，對不合格的零件輸出到不合格零件收集箱，合格的零件推入到（45）輸出料道上輸送到工件收集區(qū)，進(jìn)行最終檢測和收集，至此水泵端蓋組件的全部工序完成。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5

2、 內(nèi)外軸承組件生產(chǎn)線
　　內(nèi)外軸承組件生產(chǎn)線由觸點(diǎn)支線、內(nèi)軸承支線、外軸承支線和和集中工件檢測收集區(qū)構(gòu)成。線的布置按照觸點(diǎn)支線、內(nèi)軸承支線、外軸承支線的順序構(gòu)成，如圖2。

2.1 觸點(diǎn)支線的工藝過程
　　節(jié)拍為20 秒，滿足年產(chǎn)60 萬件的要求（一個內(nèi)軸承上需要焊接3個觸點(diǎn)）。配備一個棒料輸送機(jī)，單次填裝可以連續(xù)工作10 個小時以上。采用專用的自動切割機(jī)自動上料，用成型刀具加工端面的圓錐面，鋸片刀具切斷。棒料輸送機(jī)將成型的把棒料直接送到自動切割機(jī)中進(jìn)行切斷，在每個零件的切斷之前由成型刀進(jìn)行錐面的加工，加工完成后由（57）輸送入到（58）輸送機(jī)，最后進(jìn)入到下一工序的焊接工位上料器中。
　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6
2.2 外軸承零件支線的工藝過程
　　外軸承零件支線的生產(chǎn)節(jié)拍是1 分鐘，滿足年產(chǎn)20 萬件的要求。配備一個棒料輸送機(jī)，單次裝填可以連續(xù)工作10 個小時以上。 

　　棒料輸送機(jī)將外軸承零件的環(huán)棒料送入車床進(jìn)行第一個工序OP10的加工，加工完成后，（71）尾座氣爪移動到加工區(qū)，內(nèi)撐夾持外軸承，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，機(jī)床進(jìn)行切斷加工，切斷之后尾座氣爪移開，（71）門式機(jī)器人的機(jī)械手進(jìn)入機(jī)床將尾座氣爪上的零件取走，放到焊接工位的上料區(qū)，焊接工位的機(jī)器人將外軸承零件抓取到焊接工位并定位，并將由觸點(diǎn)支線輸送過來的觸點(diǎn)焊接到外軸承上，焊接完成后由焊接工位的機(jī)器人將零件放到第三工序的上料區(qū)，由（75）門式機(jī)器人和第三序車床OP30 和第四序車床OP40 完成剩下兩序的加工，第三序和第四序之間有翻轉(zhuǎn)工位進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，加工全部完成的零件進(jìn)入（79）輸出料道輸送到工件收集區(qū)進(jìn)行收集和檢查。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7

2.3 內(nèi)軸承零件支線的工藝過程
　　內(nèi)軸承零件支線的生產(chǎn)節(jié)拍是1 分鐘，滿足年產(chǎn)20 萬件的要求。配備一個棒料輸送機(jī)，單次裝填可以連續(xù)工作10 個小時以上。

　　棒料輸送機(jī)將內(nèi)軸承零件的環(huán)棒料送入車床進(jìn)行第一個工序OP10的加工，加工完成后，（89）尾座氣爪移動到加工區(qū)，內(nèi)撐夾持外軸承，與主軸一起旋轉(zhuǎn)，機(jī)床進(jìn)行切斷加工，切斷之后尾座氣爪移開，（90）門式機(jī)器人的機(jī)器人進(jìn)入機(jī)床將尾座氣爪上的零件取走，放入第二序車床完成剩下工序的加工，加工全部完成的零件進(jìn)入（93）輸出料道，輸送到工件收集區(qū)進(jìn)行收集和檢查，至此內(nèi)外軸承組件的全部工序完成。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8

3、水泵座生產(chǎn)線
　　水泵座生產(chǎn)線構(gòu)成包含水泵座生產(chǎn)線、工件輸出料道、工件檢測區(qū)、包裝區(qū)等，如圖2。

3.1 水泵座生產(chǎn)線的工藝過程
　　水泵座生產(chǎn)線有兩條相同的支線構(gòu)成，單條支線的節(jié)拍為2 分鐘，兩條線平均下來的生產(chǎn)節(jié)拍是1 分鐘，滿足年產(chǎn)20 萬件的要求。每個支線配備20P 的料倉，單次填裝可以連續(xù)工作12 個小時以上。

　　水泵座毛坯由（104）門式機(jī)器人從（103）自動料倉中抓取出來，快進(jìn)到第一工序的車床OP10 的工件等待區(qū)，當(dāng)車床完成第一工序OP10 加工后，機(jī)器人進(jìn)入到車床內(nèi)部，定點(diǎn)到工件交換區(qū)，先將加工完成的零件卸下，機(jī)器人頭部轉(zhuǎn)動90°后將毛坯件送到車床卡盤中，然后退出車床，快進(jìn)到（107）翻轉(zhuǎn)工位，翻轉(zhuǎn)工位完成零件的翻轉(zhuǎn)180°動作，機(jī)器人抓取翻轉(zhuǎn)后的零件快進(jìn)到第二工序的車床的工件等待區(qū)，當(dāng)?shù)诙�序車床完成零件的第二工序OP20 的加工后，執(zhí)行和第一工序相同的動作，將零件進(jìn)行交換，然后機(jī)器人將第二工序完成的零件放到（108）輸送托盤上，輸送托盤移動到加工中心序的上料位置，當(dāng)需要上料時由（109）門式機(jī)器人的機(jī)器人抓取，進(jìn)行OP30 工序的兩個工位的加工，期間兩個工位需要交換工件時經(jīng)過（110）翻轉(zhuǎn)工位進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，然后再由機(jī)器人進(jìn)行裝夾，最后由機(jī)器人將完成的工件放入到（112）工件清理工位進(jìn)行清理，然后放到（114）輸出料道上，輸送到工件收集區(qū)進(jìn)行收集和檢查，至此水泵座零件的全部工序完成。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖9
4、生產(chǎn)線總控系統(tǒng)和零件轉(zhuǎn)運(yùn)倉庫
　　生產(chǎn)線采用現(xiàn)場總線技術(shù)，對線上的設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控，并設(shè)有總控室（圖10）對全線的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行掌控，生產(chǎn)線的現(xiàn)場設(shè)置大屏幕（圖11）實時顯示生產(chǎn)線狀態(tài)信息，生產(chǎn)線的一端設(shè)置有集中的工件收集和檢測區(qū)（圖10），對加工完成的零件進(jìn)行檢測和零件中轉(zhuǎn)管理。

　　設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過遠(yuǎn)程的工控機(jī)進(jìn)行收集，利用模態(tài)組件進(jìn)行集中收集、整理和顯示，對設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行分析，并提出預(yù)警及警報信息。

                                                                圖10
     　 　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖11
總結(jié)
　　自動化工廠采用了模塊化和現(xiàn)場總線的設(shè)計思路，每條生產(chǎn)支線按照工序分成各個獨(dú)立的單元模塊，各個模塊之間通過現(xiàn)場總線CC-Link 共享信息，模塊之間相互彼此獨(dú)立，各個模塊可以獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，同一單元內(nèi)的機(jī)器人和機(jī)床也采用分離式的控制，相互各不影響，即使機(jī)器人出現(xiàn)故障，機(jī)床也可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，就連中轉(zhuǎn)的料道也設(shè)計成獨(dú)立控制的形式，這種模塊化的設(shè)計，也有利于設(shè)備的維護(hù)和檢修。正是因為這種模塊化的設(shè)計，所有設(shè)備可以隨時轉(zhuǎn)入半自動或全手動的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。

注：
　　1.年產(chǎn)量是按年時基數(shù)3820 小時，設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷90%，合格率97%計算的結(jié)果。
　　2.零件的切削參數(shù)的選擇是依據(jù)進(jìn)口刀具公司提供的依據(jù)進(jìn)行選擇的。
　　3.RAS 是Reliability（可靠性）、Availability（有效性）、Serviceability（可維護(hù)性）的縮寫。(end)