柔性制造物流系统的原理及应用

陈 鹏，孙伟进

（上饶职业技术学院，江西 上饶 334109）

1 物流系统概述

柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）简称FMS，是一种高度集成化、智能化、自动化的生产制造系统。它通过微电子、机械部件、液压设备、电气设备、计算机等将加工系统、物流系统、管理系统有机结合，完美解决用户对于产品多样化和个性化的需求与机械自动化之间的矛盾。在柔性制造系统中，物流系统常作为中间一环或者最后一环，通常包括物料搬运、物料运输、物料分拣入库等过程。搬运一般由机械手或者工业机器人完成，物料运输路线基本上都采用直线运输回路。这几个过程所需时间约占整个柔性制造系统生产时间的80%～90%[3]。《中国制造2025》对节能减排有了更高的要求，这也意味着必须更加合理地设计物流系统，以减少设备的空载时间，提高整个柔性制造系统的工作效率。所以，如何设计和开发符合要求的物流系统，将是未来研究柔性制造系统的重要课题和方向。

2 系统的组成和工作原理

2.1 系统的组成

《机电设备的组装与调试》是上饶职业技术学院机电一体化专业的核心课程，学院引入了亚龙YL-235A 光机电一体化装置作为该课程教学实训的主要考核设备。本装置的实训工作台为铝合金导轨式，主要组成单元为机械部件单元、动力单元、计算机与PLC 模块单元、变频器模块单元、触摸屏模块单元、传感器模块单元等[1]。这套实训设备可模拟一个相对完整的物流系统。送料机构、机械手搬运机构、物料传送和分拣机构构成物料系统的机械部分，也称为执行单元，相当于人体的骨骼；计算机、PLC 模块单元和触摸屏单元构成物流系统的控制部分，相当于人体的神经和大脑；传感器模块单元是负责物流系统的各类信号收集和反馈，相当于人体的五官；而驱动电机、变频器、液压与气压单元则为物流系统提供动力和能量，相当于人体的肌肉[4]。如同人体各部分协调运作一样，物流系统的这几个部分相互影响、相互耦合，实现物料的有序运输、分拣和入库。

2.2 系统的工作原理

在触摸屏上按下启动按钮后，该物流系统装置进行复位过程，当装置复位至起始位置时，由PLC 启动送料电机工作同时驱动放料盘的弧形拨块旋转，弧形拨块将物料从送料盘拨动到物料检测位置，此时，物料检测光电传感器开始对物料进行检测。若在送料电机工作几秒之后物料检测光电传感器还没有检测到物料，则意味着送料机构上没有物料或者有故障发生，这时计算机会控制停机并且报警。若物料光电传感器检测到有物料，则会将信号反馈给PLC，机械手臂在气压单元的驱动下伸出手爪下降抓物，然后收回并旋转到给定位置，手爪下降将物料放于传送带上。落料口的物料检测传感器检测到物料信号后反馈给PLC，启动电机并驱动传送带运送物料，机械手旋转返回初始位置，进行下一个搬运流程。在传送带运输物料的过程中，传感器采集物料的材料和颜色特性信号并反馈给PLC，控制相应的电磁阀驱动气缸工作，实现物料的分拣入库[2]。

3 系统在物流企业中的应用

这套亚龙YL-235A 教学实训设备物流系统如若用于物流企业或者生产实际中，为了更好地实现节能减排和减少设备空载时间的目的，提高整个物流系统的工作效率和柔性，还有一些因素和功能需要设计和开发。

3.1 放置物料包裹速度设置

为了满足教学需要，将物料投入料盘的过程通常都是手工放置。但在工厂实践中，为了提高整个制造流程柔性，此过程会被工序代替，这就涉及到放料速度的设计。如果放料速度大于送料速度，会导致物料堆积，另外，过多的物料也会增大圆弧拨块的扭矩，此时需要更大功率的电机提供动力。如果放料速度过慢，又会导致送料机构空载运行，降低整个物流系统的工作效率。所以放料的速度必须充分考虑送料速度、圆弧拨块驱动电机的功率以及料盘的承载能力。

3.2 初级传送物料包裹

在送料机构中，料盘上的物料都是由旋转的圆弧拨块推至送料口。圆弧拨块的扭矩来自于直流电机提供的动力，在实际生产中，如果只靠单一的直流电机必然不能满足制造要求。如若料盘中的物料多且物料的质量达到一定量时超过电机所能提供的扭矩，这时就需要更换大功率的直流电机，会增加整个物流系统的运行时间，破坏系统运行的流畅性。所以，在设计圆弧拨块的扭矩时必须考虑送料的速度以及物料的单体质量。如果把直流电机改成三相异步电机，在料盘底部加装一个质量传感器，采集实时重力信号反馈给计算机，计算机通过控制变频器进而控制电机的扭矩输出，圆弧拨块的扭矩就可随物料的质量变化而变化，使送料机构更加智能化，增加整个系统的柔性。

3.3 搬运物料包裹

亚龙YL-235A 装置的搬运机构可以完成4 个自由度的动作：手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下和手爪松紧。各动作的动力由不同的气缸提供，而气缸都采用双向电控气阀控制。该设备的机械手适用于抓取规则几何形状物料，在生产实践中，为了满足用户对于机械产品多样性与个性化的需求，会有大量奇形怪状的、非标的物料，这时机械手的适用性和实用性会大打折扣。如果为了适用物料搬运而更换机械手，必然会导致整个物流系统中断或增加复杂的工序，拖延整个物流系统流程时间。为了应对物料多样化的问题，搬运机构可以增加机械手自动转换装置。在搬运机构上配备一个机械手中心并建立数据库，在送料机构中增加形状辨别传感器，传感器收集物料的外形形状信号并反馈给计算机，计算机控制机械手中心根据数据库匹配相应的机械手。经过改造后的机械手可以满足各种外形物料的搬运要求，既可以提高机械产品物料的丰富程度，又可以大大节省物流系统的流程时间。另外，搬运手臂的旋转速度和手爪升降速度也必须进行精确设计。速度过慢会导致下一个物流工序传送设备的空载时间增长。速度过快，会出现在落料口的空载，同时也会对整个搬运机构产生一定冲击。所以机械手臂的旋转速度和手爪上下速度必须充分考虑到上道工序送料机构的落料速度，也要考虑到下道工序物料传送和分拣工序的运输速度、分拣速度，尽可能地减少设备空载时间，提高设备的利用率。

3.4 精细化传送及分拣物料包裹

物料的运输和分拣入库是整个物流系统的最后一道工序。该设备传送带速度由三相异步电动机控制，而分拣首先由光纤传感器识别颜色然后激活推料气缸将物料推入仓库中。传送带的速度是影响分拣效率的一个重要因素，它的设计必须考虑到搬运机构的速度和分拣速度，理想状态下3 种速度互相耦合、互相调整。搬运机构速度的变化由速度传感器收集并反馈，此时计算机通过控制变频器的频率变化控制传送带速度的变化，传送带速度信号也由速度传感器收集并反馈给计算机处理并控制分拣速度变化。这样可以在最大程度上提高工作效率。

3.5 物料系统的传感控制

当前的物流系统还达不到真正的智能化、集成化和无人值守等柔性制造要求。整个物流系统的控制都由单元控制器主导。为了提高整个系统的柔性，整个物流系统应该组成一个闭环系统，来料机构、送料机构、搬运机构以及物料传送和分拣机构等单元控制器集成开发，增强各单元控制器之间的耦合程度。当料盘检测到有物料时，计算机自动开启，各单元控制器有序分工、协作、控制，直至物料分拣入库完成。另外，传感器作为整个系统的“五官”，负责各类信号的收集反馈，对系统的控制精度有很大的影响。设备传感器的增加固然可以提高系统的灵活性但也增加了系统的故障率和复杂性，所以得设计开发组合传感器或者智能传感器。

4 结束语

本文以亚龙YL-235A 光机电一体化教学实训设备为例，初步探讨了物料系统中的来料机构、送料机构、搬运机构、与分拣机构以及信息控制的开发方向和设计要点。对设备功能和需求的研究和发掘能够在一定程度上提高物流系统的柔性、增强整个系统的智能化，实现真正意义上的无人值守。本文的研究成果对物流企业和柔性制造企业的设计开发人员有一定的实践和参考意义。下一阶段的工作中，将根据以上研究方向进行速度控制研究、机械手机构和转换研究以及单元控制器集成开发研究，以使整个物流系统满足生产实践的实用价值。