重大智能制造裝備——裝配物料輸送系統(tǒng)Ship

Intelligent

Manufacturing5.3裝配物料輸送系統(tǒng)【學習目標】了解物料輸送系統(tǒng)的原理及現(xiàn)狀?！局攸c】了解物料輸送系統(tǒng)的原理。【建議學時】2課時。智能裝配機器人5.3裝配物料輸送系統(tǒng)「本節(jié)導讀」Introduction配工藝的自動化柔性化很大程度上取決于一個好的供料系統(tǒng)。盡管各種上料裝置是相對獨立的，但它只是整個系統(tǒng)的一部分。因為自動裝配要求有較高生產率，各種裝配零件從散裝狀態(tài)到待裝狀態(tài)必須經過一個處理過程，即能在正確的位置、準確的時刻、以正確的空間狀態(tài)從行列中分離出來，移置到裝配機相應工位上。本節(jié)通過解讀物料輸送系統(tǒng)的原理及現(xiàn)狀，闡述物料輸送系統(tǒng)技術特點及優(yōu)勢，讓同學更好的了解物料輸送系統(tǒng)在工業(yè)制造中所承擔角色的重要性。裝配工藝的自動化柔性化很大程度上取決于一個好的供料系統(tǒng)。盡管各種上料裝置是相對獨立的，但它只是整個系統(tǒng)的一部分。因為自動裝配要求有較高生產率，各種裝配零件從散裝狀態(tài)到待裝狀態(tài)必須經過一個處理過程，即能在正確的位置、準確的時刻、以正確的空間狀態(tài)從行列中分離出來，移置到裝配機相應工位上。供料系統(tǒng)包括上料裝置、輸料裝置、操縱機構等，對裝配零件進行定向整理與規(guī)則運動。供料

過程與裝配零件的結構特性和狀態(tài)特性有直接關系。裝配零件的結構特性指幾何形狀、尺寸數(shù)據(jù)、

物理特性等；裝配零件的狀態(tài)特性包括靜止狀態(tài)下的穩(wěn)定性、安全性、可布置性和運動狀態(tài)下的方

向穩(wěn)定性。供料的可靠性還受零件的質量、清潔程度的影響，如幾何形狀超差，切削液、電鍍殘余

物等，如果附著物帶入供料裝置中會引起損壞或停機。對易變形件，須把它們存放在具有一定尺寸

限制的容器中，防止底部零件由于自重作用而變形。還要注意解決大公差件、互鎖性零件、高敏件、低剛度件、幾何形狀不穩(wěn)定及特殊物理化學性質零件的定向輸送問題。供料系統(tǒng)對自動裝配系統(tǒng)有

很大影響，其開發(fā)費用和時間占有較大比例，其可靠性是影響自動裝配過程故障率的主要因素。供

料系統(tǒng)的自動化是當前制造企業(yè)追求的目標，當前需要在全面信息集成和高度自動化環(huán)境下，以制

造工藝過程的相關知識為依據(jù)，高效、合理地利用全部儲運裝置將物料準時、準確和保質地運送到

位。5.3.1物料供輸自動化一、物料系統(tǒng)及其功用物流是物料的流動過程。物流按物料性質不同可分為工件流、工具流和配套流三種。其中工件流由原材料、半成品、成品構成；工具流由刀具、夾具構成；配套流由托盤、輔助材料、備件等構成。在自動化制造系統(tǒng)中，物流系統(tǒng)是指工件流、工具流和配套流的移動與存儲，它主要完成物料的存儲、輸送、裝卸、管理等功能。存儲功能在制造系統(tǒng)中，有許多物料處于等待狀態(tài)，即不處在加工和使用狀態(tài)，這些物料需要存儲和緩存。輸送功能完成物料在各工作地點之間的傳輸，滿足制造工藝過程和處理順序的需求。裝卸功能實現(xiàn)加工設備及輔助設備上、下料的自動化，以提高勞動生產率。管理功能物料在輸送過程中是不斷變化的，因此需要對物料進行有效的識別和管理。5.3.1物料供輸自動化二、物流系統(tǒng)的組成及分類物流供輸系統(tǒng)的組成及分類如圖所示。單機自動供料裝置完成單機自動上、下料任務，由儲料器、隔料器、上料器、輸料槽、定位裝置等組成。自動線輸送系統(tǒng)完成自動線上的物料輸送任務，由各種連續(xù)輸送機、通用懸掛小車、有軌導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，由自動導向小車、積放式懸掛小車、積放式有軌導向小車、搬運機器人、自動化倉庫等組成。5.3.1物料供輸自動化物流供輸系統(tǒng)的組成及分類三、物料供輸?shù)纳a能力可以用以下幾個標準來說明：①零件方面：零件整理的程度、運動特性等。②空間方面：到連接位置的可通過性等。③運動方面：運動的數(shù)量和方向等。④操作方面：連接表面的數(shù)量、操作力等。⑤數(shù)量方面：給料的數(shù)量和節(jié)奏。5.3.1物料供輸自動化圖給料過程的數(shù)量特征(a)單件供給(b)成組供給(c)連續(xù)供給四、物流系統(tǒng)應滿足的要求應實現(xiàn)可靠、無損傷和快速的物料流動。應具有一定的柔性，即靈活性、可變性和可重組性。能夠實現(xiàn)“零庫存”生產目標。采用有效的計算機管理，提高物流系統(tǒng)的效率，減少建設投資。應具有可擴展性、人性化和智能化。5.3.1物料供輸自動化一、傳送設備（1）傳送設備傳送設備的功能是在裝配工位之間、裝配工位與料倉和中轉站之間傳送工件托盤、基礎件和其他零件。這種傳送運動根據(jù)裝配過程的要求可以是間歇的，也可以是連續(xù)的。傳送設備的集中程度影響系統(tǒng)的成本。在傳送系統(tǒng)中，方向需要變化的傳送鏈的每個環(huán)節(jié)都是通過萬向接頭連接的。在水平面和垂直面內都可以彎成圓弧形。在垂直傳送時傳送鏈的某些環(huán)節(jié)上裝有攜帶爪。傳送鏈的傳送速度可以達到5~60m/min。小質量的零件使用雙帶傳送系統(tǒng)傳送是很可靠的。工件托盤位于兩

股傳送帶上面，裝配操作時一般要從傳送帶上取下來。負荷極限為30kg，傳送帶連續(xù)運轉。對于大的工件托盤可以使用滾道，輥子可以由鏈或平帶帶動。連接設備的安置可以根據(jù)裝配系統(tǒng)的具體要求采用頂置式、下置式或通過式傳送系統(tǒng)。結構形式一經確定，傳送運動的方式也就基本確定了。5.3.2裝配物料輸送系統(tǒng)傳遞設備把倉庫、傳送系統(tǒng)和裝配機械連接起來需要一定的設備。該類設備用來自動化地傳送工件、工件托盤和部件，稱為傳遞設備。傳遞過程的主要功能有：換位、傳遞、在某些情況下還包括臨時儲存。換位就是指物體的運動，與耦合對象脫開。傳遞就是再傳送系統(tǒng)內部從一段變換到另外一段。為了使工件托盤與原來的傳送段分離就需要一個傳遞單元，傳遞單元從一個傳送段接受工件托盤并把它遣送到另一個橫向運動的傳送段，工件托盤從那里獲取能量沿橫向繼續(xù)運動。在選擇傳遞設備時必須說明在質量和數(shù)量方面的要求：①連接單元的參數(shù)，如尺寸、外形、質量、體積、工件的可疊性、敏感性和包裝密度。②地點和路徑參數(shù)，如來源地、目的地、兩地之間的高度差和距離，最小路徑寬度，可使用的能量。③功率參數(shù)，如傳遞效率、運動速度、每分鐘件數(shù)等。輔助系統(tǒng)輔助系統(tǒng)是具有補充功能的設備。它們可以保證物流系統(tǒng)的暢通?；剞D單元、轉向單元和往復運動單元也都屬于輔

助系統(tǒng)。轉向單元或用在一條裝配線中間使一直壓在下面的面翻到上面來，或用在裝配線末以包裝產品。對于較大

的平面型的產品適宜采用吸盤來抓取。如果是敏感的表面(易損壞)，還可以在吸盤和工件表面之間襯一層柔軟透氣的織物。5.3.2裝配物料輸送系統(tǒng)二、帶式輸送系統(tǒng)帶式輸送系統(tǒng)是一種利用連續(xù)運動和具有撓性

的輸送帶來輸送物料的輸送系統(tǒng)。帶式輸送系

統(tǒng)如圖所示。它主要由輸送帶、驅動裝置、傳

動滾筒、托輥、張緊裝置等組成。輸送帶是一

種環(huán)形封閉形式，它兼有輸送和承載兩種功能。傳動滾筒依靠摩擦力帶動輸送帶運動，輸送帶

全長靠許多托輥支承，并且由張緊裝置拉緊。

帶式輸送系統(tǒng)主要輸送散狀物料，但也能輸送

單件質量不大的工件。5.3.2裝配物料輸送系統(tǒng)1-上托輥；2-工件；3-輸送帶；4-傳動滾筒；5-張緊輪；6-下托輥；

7-電動機；8-減速器；9-傳動鏈條帶式輸送系統(tǒng)輸送帶根據(jù)輸送的物料不同，輸送帶可采用橡膠帶、塑料帶、繩芯帶、鋼網帶等，而橡膠帶按用途又可分為強力型、普通型、輕型、井巷型和耐熱型5種。輸送帶兩端可使用機械接頭、冷粘接頭和硫化接頭連接。機械接頭的強度僅為帶體強度的35%~40%，故應用日漸減少。冷粘接頭的強度可達帶體強度的70%左右，應用日趨增多。硫化接頭的強度能達到帶體強度的85%~90%，接頭壽命最長。輸送帶的寬度應比成件物料的寬度大50~100mm。物料對輸送帶的比壓應小于5kPa。滾筒及驅動裝置滾筒分為傳動滾筒及改向滾筒兩大類。傳動滾筒與驅動裝置相連，其外表面可以使金屬表面，也可包上橡膠層來增加摩擦因數(shù)。改向滾筒用來改變輸送帶的運行方向和增加輸送帶在傳動滾筒上的包角。驅動裝置主要由電動機、聯(lián)軸器、減速器、傳動滾筒等組成。輸送帶通常在有負載下啟動，因此應選擇啟動力矩大的電動機。減速器一般可采用蝸輪減速器、行星擺線針輪減速器或圓柱齒輪減速器。將電動機、減速器、傳動滾筒做成一體的滾筒稱之為電動滾筒，電動滾筒是一種專為輸送帶提供動

力的部件。5.3.2裝配物料輸送系統(tǒng)（3）托輥帶式輸送系統(tǒng)常用于遠距離輸送物料，為了防止物料重力和輸送帶自重造成的帶下垂，須在輸送帶下安置許多托輥。托輥的數(shù)量依帶長而定，輸送大件成件物料時，上托輥間距應小于成件物料在輸送方向上的尺寸之半，下托輥間距可取上托輥間距的2倍左右。托輥結構應根據(jù)所輸送物料的種類來選擇，如圖所示常見的幾種托輥結構形式。托輥按作用分為承載托輥，如圖（a）~（c）;空載托輥，如圖（d）~（f）;調心托輥,如圖（g）~（i）。5.3.2裝配物料輸送系統(tǒng)（4）張緊裝置張緊裝置的作用是使輸送帶產生一定

的預張力，避免帶在傳動滾筒上打滑；同時控制輸送帶在托輥間的撓度，減

小輸送阻力。張緊裝置按結構特點分

為螺桿式、彈簧螺桿式、墜垂式、絞

車式等，圖4-33所示是墜垂式張緊裝置，它的張緊滾筒裝在一個能在機架

上移動的小車上，利用重錘拉緊小車，這種張緊裝置可方便地調整張緊力的

大小。5.3.2裝配物料輸送系統(tǒng)垂墜式張緊裝置示意圖5.3.2裝配物料輸送系統(tǒng)三、鏈式輸送系統(tǒng)鏈式輸送系統(tǒng)由鏈條、鏈輪、電動機、減速器、聯(lián)軸器等組成，如圖所示。長距離輸送的鏈式輸送系統(tǒng)應增加張緊裝置和鏈條支承導軌。（1）鏈條輸送鏈條有彎片鏈、套筒滾柱鏈、叉形鏈、焊接鏈、可拆鏈、履帶鏈、齒形鏈等結構形式。與傳動鏈相比，輸送鏈鏈條較長、重量大。一般將輸送鏈的節(jié)距設計成普通傳動鏈的2倍或3倍以上，這樣可以減少鉸鏈個數(shù)，減輕鏈條重量，提高輸送性能。在鏈式輸送系統(tǒng)中，物料一般通過鏈條上的附件帶動前進。附件可用鏈條上的零件擴展而形成，同時可以配置二級附件(如托架、料斗、運載機構等)。鏈式輸送系統(tǒng)5.3.2裝配物料輸送系統(tǒng)鏈式輸送系統(tǒng)三、鏈式輸送系統(tǒng)鏈式輸送系統(tǒng)由鏈條、鏈輪、電動機、減速器、聯(lián)軸器等組成，如圖所示。長距離輸送的鏈式輸送系統(tǒng)應增加張緊裝置和鏈條支承導軌。（2）鏈輪鏈輪的基本參數(shù)、齒形及公差、齒槽

形狀、軸向齒廓、鏈輪公差等依據(jù)國

家標準GB/T8350-2008《輸送鏈、附件和鏈輪》設計。鏈輪齒數(shù)Z對輸送鏈性能的影響較大，Z太小，會使鏈條運行平穩(wěn)性變差，而且會使沖擊、振動、噪聲和磨損加大。鏈輪的齒數(shù)過大，

則會導致機構龐大。5.3.3導向小車鏈式牽引的有軌導向小車1-牽引鏈條；2-載重小車；3-軌道一、有軌導向小車有軌導向小車(Rail

GuidedVehicle，RGV)是依靠鋪設在地面上的軌道進行導向并運送工件的輸送系統(tǒng)。RGV具有移動速度大、加速性能好、承載能力大的優(yōu)點；其缺點是軌道不宜改動、柔性差、車間空間利用率低、噪聲大。圖所示是一種鏈式牽引的有軌導向小車，它由牽引件、載重小車、軌道、驅動裝置、張緊裝置等組成。在載

重小車的底盤前后各裝一個導向銷，地面下鋪設一條

有軌道的地溝，小車的導向銷嵌入軌道中，保證小車

沿著軌道運動。小車前面的導向銷除導向外，還作為

牽引銷牽引小車移動。牽引銷可上下滑動，當牽引銷

處于下位時，由牽引件帶動小車運行；當牽引銷處于

上位時，其脫開牽引件推爪，小車停止運行。二、自動導向小車具自動導向小車(automated

guided

vehicle，AGV)是一種由計算機控制，按照一定程序自動完成運輸任務的運輸工具。自動導向小車是柔性物流系統(tǒng)中物料運輸工的發(fā)展趨勢。相比歐美國家和日本的AGV行

業(yè)發(fā)展，中國對AGV的研究和應用工作開展

相對緩慢。以汽車領域AGV使用情況為例，

中國汽車領域AGV保有密度僅為70臺/萬名工人，美國、日本等發(fā)達國家均超1000臺/萬名工人，AGV在中國社會經濟領域使用程度仍

有待加深。5.3.3導向小車部分國家汽車領域AGV使用密度情況，2019年中國自20世紀60年代開始自主研發(fā)AGV，2014年以來，銷量才開始大幅增長。主要原因是AGV在中國的售價較高，企業(yè)考慮成本

因素并未大規(guī)模采用。例如，1臺激光導引后叉式AGV的售價約為120萬人民幣，相當于

3.5個歐美工人一年的工資費用，相當于24個中國工人一年的工資費用總和。中國國產高端激光導引AGV產品售價約為100萬元人民幣，中低端產品售價亦需40萬元人民幣，售價普遍較高，因此在人力成本廉價的年代，AGV產品并未在中國大規(guī)模普及，僅大規(guī)模集中應用于大型工業(yè)生產制造企業(yè)。2014年以后，中國人口紅利進一步消退，人工成本不斷上升，

AGV的市場價值逐漸被挖掘。5.3.3導向小車中國AGV機器人與機器人市場占比關系，2019年AGV主要由車架、蓄電池、充電裝置、電氣系統(tǒng)、驅動裝置、轉向裝置、自動認址和精確停位系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通信單元和自動導向系統(tǒng)等組成。5.3.3導向小車以機器人為中心的輸送形式1-車削中心；2-數(shù)控銑床；3-鉆床；4-緩沖站；5-加工中心自動導向小車（1）AGV的特點①較高的柔性只要改變一下導向程序，就可以方便地改變、修改和擴充AGV的移動路線。與RGV相比，AGV改造的工作量要小得多。②實時監(jiān)視和控制計算機能實時地對AGV進行監(jiān)控，實現(xiàn)AGV與計算機的雙向通信。不管小車在何處或處于何種狀態(tài)(靜止或運動)，計算機都可以用調頻法通過發(fā)送器向任一特定的小車發(fā)出命令，只有頻率相同的小車才能響應這個命令。另一方面，小車也能向計算機發(fā)回信息，報告小車的狀態(tài)、小車故障、蓄電池狀態(tài)等。5.3.3導向小車③安全可靠AGV能以低速運行，自動導向小車運行速度一般為10~70m/min。AGV通常備有微處理器控制系統(tǒng)，能與本區(qū)的其他控制器進行通信，可以防止相互碰撞。有的AGV還安裝了定位精度傳感器或定位中心裝置，可保證定位精度達到±30mm，精確定位的AGV可達到士3mm。此外，AGV還可備有報警信號燈、揚聲器、緊停按鈕、防火安全聯(lián)鎖裝置，以保證運輸?shù)陌踩浴＂芫S護方便維護工作包括對小車蓄電池的再充電和對小車電動機、車上控制器、通信裝置、安全報警裝置的常規(guī)檢測等。大多數(shù)AGV備有蓄電池狀況自動預報設施，當蓄電池的儲備能量降到需要充電的規(guī)定值時，AGV會自動去充電站充電，

一般AGV可連續(xù)工作8h而無須充電。5.3.3導向小車（2）AGV的分類按導向方式不同，可將AGV分為以下幾種類型：①線導小車線導小車是利用電磁感應制導原理進行導向的。它需在行車路線的地面下埋設環(huán)形感應電纜來制導小車運動。目前，線導小車在工廠中應用最廣泛。②光導小車光導小車是采用光電制導原理進行導向的。它需在行車路線上涂上能反光的熒光線條，小車上的光敏傳感器接受反射光來制導小車運動，這樣小車線路易于改變，但對地面環(huán)境要求高。③遙控小車遙控小車沒有傳送信息的電纜，而是以無線電發(fā)送/接收設備來傳送控制命令和信息。遙控小車的活動范圍和行車路線基本上不受限制，與線導、光導小車相比柔性最好。目前，這項技術還不十分成熟，正處在試驗研究階段。5.3.3導向小車（3）AGV車輪的布置圖所示是線導AGV車輪布置示意圖。圖(a)所示是一種三車輪的AGV，它的前輪既是轉向輪又是驅動輪，這種AGV一般只能向前運動。圖(b)所示是一種差速轉向的AGV，它有四個車輪，中間兩個是驅動輪，利用兩個驅動輪的速度差實現(xiàn)轉向，四個車輪的承載能力較大，并可以前后移動。圖

(c)所示是一種獨立多輪轉向的AGV，它的四個車輪都兼有轉向和驅動功能，故這種AGV轉向最靈活方便，可沿任意方向運動。5.3.3導向小車圖AGV車輪的布置（4

）AGV自動導向系統(tǒng)目前，車間的AGV自動導向系統(tǒng)以電磁式為主，圖所示是舵輪轉向AGV的自動導向原理。在小車行車路線的地面上開設一條寬3

~

10

mm、深10

~

20

mm的槽，

槽內鋪設直徑為41

mm的絕緣導向線，表面用環(huán)氧樹脂灌封。給導向線提供低頻(<15

k

Hz)、低壓<40

V)、電流為200

~

400

m

A的交流電，則在導向線周圍形成

交變磁場。小車導向輪的兩側裝有導向感應線圈，隨導向輪一起轉動。當導向輪偏離導向線或導向線轉彎時，由于兩個線圈偏離導向線的距離不等，所以線圈中的感應電動勢也不相等。對兩個電動勢進行比較，產生差值電壓AU，差值電壓AU經過交流電壓放大器、功率放大器兩級放大和整流等環(huán)節(jié)，控制直流導向電動機的旋轉方向，達到導向的目的。5.3.3導向小車圖AGV的自動導向原理導向感性線圈；2-交流電壓放大器；3-整流器；運算放大器；功率放大器；6-直流導向電動機；7-減速器；8-導向輪；9-導向線AGV自動認址與精確停位系統(tǒng)自動認址與精確停位系統(tǒng)的任務是使小車能將物料準確地送到位。自動認址系統(tǒng)首先需要在工位

上安置地址信息發(fā)送元件，一般直接在導向線兩側埋設認址的感應線圈。感應線圈地址碼是將每

個地址進行編碼，再將若干線圈以不同方式連接，產生不同方向的磁通，用“0”和"1"表示地址碼。上述地址信號由安裝在小車上的接收線圈接收，經放大、整形送入計數(shù)電路或邏輯判別電路，判斷正確后，發(fā)出命令使小車減速、停車，或前后微量調整，達到精確停位。AGV的導向控制系統(tǒng)AGV上對稱設置兩個導向傳感器，接收到地面導向線的電磁感應信號后，兩導向傳感器信號經比較、放大處理后，可得到AGV的偏差方向和偏差量。此綜合信號經一階微分處理后得到反映AGV偏角的量，經二階微分處理后得到反映AGV偏角變化速度的量。將AGV的偏差、偏角和偏角變化速度三個量加權放大后，用以控制和驅動AGV的轉向系統(tǒng)，使AGV能實時地消除車體與導向線路的偏離。5.3.3導向小車（7）AGV的管理AGV系統(tǒng)的管理就是為了確保系統(tǒng)可靠運行，最大限度地提高物料的通過量，使生產效益達到最高水平。它一般包括三方面的內容，即交通管制、車輛調度和系統(tǒng)監(jiān)控。①交通管制在多車系統(tǒng)中必須有交通管制，這樣才能避免小車之間的相互碰撞。目前應用最