基于FMS的自動化立體倉庫設計

賴思琦，尹顯明，楊應洪

(1.西南科技大學工程技術中心，四川綿陽621010;2.西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽621010)

目前，柔性制造系統(tǒng)(FMS)已滲透到制造業(yè)的各個領域，并對生產(chǎn)方式產(chǎn)生了深遠的影響。越來越多的中國加工制造企業(yè)在從傳統(tǒng)的單品種、大批量生產(chǎn)方式向多品種、中小批量及“變種變量”的生產(chǎn)方式過渡這一過程中使用了FMS。自動化立體倉庫單元是柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分，由貨架、碼垛機、出入庫平移臺組成，由PLC控制，并通過Profi-Bus-DP總線與總控制單元進行數(shù)據(jù)交換，接受用戶的控制和管理[1]。

1 柔性制造系統(tǒng)的總體組成和工作流程

1.1 系統(tǒng)總體組成

柔性制造系統(tǒng)由自動化立體倉庫單元、AGV 運載機器人、自動輸送線裝置、CCD形狀檢測系統(tǒng)、六自由度行走搬運機器人、六自由度焊接機器人、數(shù)控車床、加工中心及相應附屬設備組成。系統(tǒng)運用Profibus-DP總線及開發(fā)型組態(tài)軟件等網(wǎng)絡通訊技術，使總控單元對各單元設備進行集成控制，能夠根據(jù)生產(chǎn)任務的變化，通過簡單地改變軟件設置的方法進行調整，以適宜多品種、中小批量生產(chǎn)。其結構如圖1所示[2－3]。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)開始工作前，人工將不同工件和托盤按照事先規(guī)劃好的各零件毛坯區(qū)域送入原料庫貨架。工件或毛坯由碼垛機從自動化立體倉庫的原料倉庫中取出，此時AGV 按照預定軌道運行到取料位置。通過出庫平移臺，毛坯由AGV 送至自動輸送線，經(jīng)六自由度搬運機器人送到柔性制造加工單元中，按照工序流程在數(shù)控車床或加工中心、焊接機械臂上進行加工。加工完成后，由機器人取出工件，通過輸送線和AGV一起運行，將工件放回入庫平移臺上，由碼垛機拾取送入倉庫成品庫貨架。同時，軟件記錄信息，以便管理，進而完成一個工作流程。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 自動化立體倉庫單元設計與控制

2.1 倉庫單元組成及功能

自動化立體倉庫單元由一臺掛壁式碼垛機、兩套倉庫、兩套出入庫平移臺及托盤、倉位傳感器等組成，倉庫單元如圖2所示。

圖2 自動化立體倉庫單元

雙排貨架倉庫由型鋼搭建，螺釘連接固定各部分，底部有地腳固定座。倉庫外形設計為5.5 m×0.45 m×3 m，共有8 列6層48個倉位，每個倉位尺寸為550 mm×450 mm×430 mm，其最大負載質量為30 kg。兩套貨架與掛壁式碼垛機及傳感器組成了自動化立體倉庫單元。倉庫貨架上每個貨位安裝有機械微動開關，并且在貨架的上方裝有巷道裝置。

掛壁式碼垛機采用單立柱地面支撐結構，外形為1.6 m×0.8 m×3 m，由x、y、z 三方向直線運動機構組成，起升、運行采用電機驅動方式。一維水平直線運動機構由底座、直線滑軌、滑輪、電機減速器、傳動鏈條等組成，完成機構的水平運動。二維垂直直線運動機構由立柱、滑軌、傳動鏈、機架、電機減速器組成，完成工件的上下運動。三維直線運動機構由水平支架、滑道、導軌、取貨平板、電機減速器組成，完成工件的前后運動。所有機械件的底座、殼體部分均采用鋼材制作，結構緊湊、質量輕，運轉靈活，其最大負載質量為26 kg。

出入庫平移臺負責在倉庫單元與輸送線之間傳遞工件，由鋁合金型材搭建，直流電機加減速器驅動，上面安裝對射光電傳感器感應工件位置，由同步帶傳送工件，完成出庫、入庫動作[4]。

2.2 電氣控制系統(tǒng)設計

碼垛機的主電路與控制電路如圖3所示。

M1為一維x 水平方向電機，M2為二維y 垂直方向電機，M3為三維z方向電機，M1與M2 均為三相異步電動機，而M3為單相電機。SB1為啟動按鈕，SB2為停止按鈕，SB3為急停按鈕。

碼垛機由歐姆龍PLC控制，型號為CP1HX40DT-D，根據(jù)工序動作需要，共需110個輸入點，29個輸出點，所以使用了4個CPM1A-40EDR 擴展I/O單元。輸入點包括貨架上安裝的微動開關、x/y/z三個方向的行程開關等;輸出點包括電機啟動、停止、急停開關等。PLC 梯形圖分為初始化、主程序、復位、總控調試等，共16段、3 061步，其初始化段部分程序如圖4所示[5]。

2.3 控制軟件設計

柔性制造系統(tǒng)總控制單元由一臺研華IPC-610H工控機作為主控機，主控軟件為操作人員使用的前臺程序，軟件運行平臺為Windows XP，使用組態(tài)王軟件開發(fā)。總控制單元通過ProfiBus-DP總線通訊采集各分站信息，并協(xié)調各個分站動作，同時實現(xiàn)人機交互界面接受用戶控制，其操作分為連續(xù)自動和各分站手動控制兩種方式[6]。

倉庫單元通過歐姆龍PLC的Profibus 通訊模塊與主站控制計算機進行通訊，通過主控軟件的設定，控制碼垛機運行。碼垛機出入庫動作由PLC 來完成，當碼垛機接收到出庫請求時，碼垛機由上至下、由左至右掃描原料庫的各個倉格，并對掃描到的第一個有工件的倉格進行出庫操作，出庫運行狀態(tài)位有效;碼垛機將取到的工件放入出庫傳送帶上后，碼垛機出庫完成，出庫完成狀態(tài)位有效;當碼垛機退回到安全位置后，碼垛機出庫運動完成，碼垛機出庫運行狀態(tài)位無效，至此碼垛機的出庫運動完成。如果原料庫中沒有檢測到工件，則原料庫空狀態(tài)位置1。當碼垛機接收到入庫請求時，碼垛機從傳送帶上取出工件，然后查詢成品中的空位置，把工件放到查詢到的空位置，再使入庫完成狀態(tài)位有效，碼垛機入庫運行狀態(tài)位無效，至此碼垛機的入庫運動完成。其手動控制的部分代碼如下:

倉庫單元手動控制界面見圖5。

圖5 倉庫單元手動控制界面

3 結束語

經(jīng)過詳細分析與設計，將自動化立體倉庫通過ProfiBus-DP 工業(yè)現(xiàn)場總線納入柔性制造系統(tǒng)中，實現(xiàn)了從毛坯出庫、運送、加工、工件返回到入庫的全過程。系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，在某中心生產(chǎn)車間得到了很好的應用和發(fā)展，對建立類似的大型自動化倉庫具有重要的借鑒作用。

【1】馬超.基于Profibus 現(xiàn)場總線的柔性制造系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].合肥:合肥工業(yè)大學，2010.

【2】李作海，姚錫凡.基于RFID的信息集成柔性制造系統(tǒng)設計研究[J].組合機床與自動化加工技術，2011(4):14－18，23.

【3】吳立.關于柔性制造的研究[J].機床與液壓，2010，38(14):9－11.

【4】楊秀建，張強，林清國.一種立體倉庫試驗臺堆垛機速度控制優(yōu)化方案[J].機床與液壓，2007，35(1):93－95.

【5】王鋒，王品，李家霽.基于IO接口的柔性制造系統(tǒng)及其實現(xiàn)[J].組合機床與自動化加工技術，2009(12):78－81.

【6】謝志余.柔性制造系統(tǒng)(FMS)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷集成研究[J].機床與液壓，2011，39(3):142－143，131.