第四章 工件储运及管理系统

第四节 工件储运管理系统
自动化制造系统的工件储运管理系统的功能主要 包括： 对工件物流系统各部分的控制； 控制信息的处理； 对AGV及自动化仓库的管理。
一、物流系统的控制
一般来说，工件物流系统由自动化仓库、物料识 别装置、物流运输系统和上下料站组成、其中主要 部分是自动化仓库和运输系统，它们通常由专业厂 提供。用户只需通过通信接口，对其动作进行控制 并接收反馈信息。 物流系统的控制功能体系如图5-3所示。
二、AGV的管理
1) 交通管制 在多车系统中，为了避免车辆之间 的碰撞，系统必须具备交通管制功能。当前最广泛 流行的AGV交通管制与火车运行相似，采用区间控制 法。它将导引回路划分为若干个区间，由软件进行 控制，使任何时刻只允许一辆车位于给定的区间内。 2) 车辆调度 实现最大物料传输目标的小车调配。 3) 系统监控 为了保证系统的正常运行，对传输 系统的监控。目前实现监视可有两个途径：定位器 面板和工业摄像机。
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图3-14 AGV外形图
◎电磁导向方式原理（图6）
在地面上埋设引导电缆，并通以5～ 10kHz 的低压电流。 小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方时， 右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这些信号 的强弱，控制小车的舵轮。 引导电缆被划分为若干段， 小车调度系统采用分段控制 转向舵 的方法，随时根据每个小车 反馈回的位置信号修正控制 信号 比较放大电路 拾取 指令，保证每段路径上只有 线圈 一台小车运行，以防止小车 运行中相互距离过近而出现 引导电 缆 事故。这种方式要在地面开 数厘米深的沟，路径的变动 仍不方便，而且，由于建筑 物强度等方面的限制，不能 图6 电磁引导原理 在楼层上使用。
2.自动小车 自动小车分为有轨和无轨两种，所谓有轨是指有 地面或空间的机械式导向轨道。 地面有轨小车 高架有轨小车
无 轨 小 车 也 叫 自 动 导 引 小 车 （ Automatic Guided Vehicle—AGV）。 AGV优点： 1)较高的柔性 没有机械轨道，很容易改变、修正和扩充 AGV的移动路线及增减运行的车辆数量。 2)实时监视和控制 控制计算机可以实时地对其监视与控 制。当作业计划改变时，可以灵活地调度小车的运行或为紧 急需要服务 3)安全可靠 AGV通常由微处理器控制，能与控制器通讯， 定位精度高，具有安全保护装置等。 4)维护方便。在各种FMS中得到了广泛应用。 无轨小车按引导方式和控制方法的分类见表2。
当自动化制造系统规模较小，而又不要求无人化 运行时，也可以利用缓冲存储。即物流系统内各环 节(装卸站，输送系统、物料交换站、缓冲存储器等) 的储存能力来满足系统运行的需要，而不设置自动 化仓库。
四、立体仓库布局形式的选择
立体仓库布局形式的选择主要与仓序的存储数量、 进出库频率、系统的总体布局、外部设备以及存放物 料的规格等有关。 图 装有物料的标准料箱或托盘进、出高层货架的形式 有下面两种： （1）贯通式：物料从巷道一端入库，从另一端出库。 布局简单，便于管理和维护，但物流进出需经过巷道 全长。 （2）同端出入式：优点是能缩短出入库时间。尤其 在库存量不大，且采用自由货位存储时，可将物料存 放在出入端较近处。仓库与作业区的接口只有一个， 便于集中管理。
3. 工业机器人
图3-16 工业机器人的典型结构
图3-17 机器人用于零件装配
4. 托盘及托盘交换装置
在FMS中广泛采用托盘和托盘交换装置，实现工件 自动更换，缩短辅助时间。 (1)托盘 托盘（也称为托板）是操作者在装卸站安装夹具 和工件的底板，是工件和夹具与输送设备和加工设 备之间的接口。托盘有箱式、板式等多种结构，箱 式托盘不进入机床的工作空间，主要用于小型工件 及回转体工件的储存和运输。板式托盘主要用于较 大型非回转体工件，通常单件安装，随工件进入机 床工作空间。 托盘有标准形式或自行设计的非标准形式。
环线 运行
单向 运行
双向 运行 双向 运行
利用直线双向运行的组合，形成封闭循 环，提高柔性和设备利用率
全为双向运行，有很大柔性，输送设备 的利用率和容错性高，但控制与调度复杂， 主要采用无轨小车，用于较大规模的FMS
网线 运行
三、工件输送设备的选择
在自动化制造系统内担任输送任务的有有轨小车 和无轨自动导引小车等。有轨小车只沿安装在地面 上的固定轨道运行，通常适用于机床台数较少且加 上设备成直线布局的工件输送系统。无轨小车输送 系统，多用在设备成环行或网络形布局的系统。 加工回转体工件的自动化制造系统，除采用自动 导引小车搬运工件外，还常用机器人作为机床上下 工件的搬运工具。同时由于机器人工作灵活性强， 具有视觉和触觉能力，以及工作精度高等一系列优 点，近年来在自动化制造系统中应用越来越广。 加工板金类工件的自动化制造系统，通常采用带 吸盘的输送装置来搬运板料。 几种常用工件输送设备的适用范围见表5-2。
托盘缓冲站的安放位置应尽可能靠近机床，以减 少工件的输送时间。
（4）托盘夹具
通常为通用零部件加上少量专用零部件组成的组合夹具。 设计和选用MAS用的托盘夹具原则： 1)为简化定位和安装，夹具的每个定位面相对机床的坐标 原点尺寸固定。 2)夹具元件数尽可能少，元件的强度和刚度要高，使用方 便、合理，应设有能将工件托起一定高度的等高块元件，便 于冲洗和清除切屑。 3)夹具与托盘一起移动、上托、下沉和旋转时，应不与机 床发生干涉。架式夹具为好。 5)当工件结构尺寸较小时，应尽可能在一个夹具上装夹多 个(或多种)夹具数量或种类、提高机床的利用率。
二、工件输送型式选择
自动化制造系统，特别是柔性制造，一般采用自 动化物流系统。近年来允许大量人工介入的简单物 流系统应用越来越多，这是因为其投资少，见效快 ，可靠性也相对较高的缘故，在我国现阶段比较合 适。
典型输送线路
直线 运行 单向 运行 双向 运行
主要依靠机床的数控功能实现柔性，输 送装置多为输送带，主要用于 FML 或自动 装配线 系统柔性低，容错性差，常需另设缓冲 站，输送装置采用双向输送带、有轨小车 或移动式机器人，主要用于小型FMS 利用直线单向运行的组合，形成封闭循 环实现柔性，提高输送设备的利用率
仓库的存储数量可由下式计算： N＞T×n／t＋a＋b N――中央仓库存储数量，N的单位为个 T――无人化生产时间，单位为 h ，若系统每天运转 24h，且8h由工人备料，则T=16， n――系统中机床台数，n的单位为台 t—— 托盘上所装工件的平均加工时间， t 的单位为 h/托盘 a——待用托盘数，单位为个 b—— 储存刀具所用托盘数， b 的单位为个。若系统 具有中央刀库则b＝0 如果考虑系统内缓冲存储的存放数量，中央仓库的 库存数可适量减少。 出入库频率P(每分钟托盘出入次数)可由下式估算 P＝n/t
表2 无轨小车引导方式的分类 电磁引导方 式 光学引导方 式 自主导向方 式
有径引导 方式
电缆导向方式 磁带导向方式
连续导向带方式 断续导向带方式 地图导向方式 惯性导向方式 超声波灯台方式 激光灯台方式 遥控方式 栅板符号方式 直角棱镜设置方式 记号追踪方式
无径引导 方式
无径引导 方式
地面援助方 式
运输小车
料架
码垛机
出入库装卸站
图6-7 自动仓库
立体仓库由 存放货架、搬 运设备和输入 输出站组成。 所使用的自动 存取搬运设备 为码垛式起重 机。
图3-23 码垛起重机
三、仓库形式的选择
自动化仓库一般分为立体库和平面库两类。除了 大型工件往往采用平面库外常用立体库。 平面库是在车间输送平面内的布局形式，通常有 直线型和环型两种。 图
选用指标见下页
关于AGV，选用时主要考虑以下指标： 1 ）外形尺寸 一般长度从 750—2500mm ，宽 450— 1500mm，高550一650mm 2）载重量 50一2000kg 3）运行速度 10一70m／min 4）转弯半径 5）蓄电池的电压以及每两次充电之间的平均寿命 6 ）安全 设备是否有安全杠、警报扬声器及警告 灯。全速行驶时的紧急刹车距离 7）载物平台的结构 8）控制方式 9）定位方式 兼容的控制计算机类型。
第三节 自动化仓库
一、立体仓库的功用
毛坯、半成品、配套件和成品(有时也包括工艺装 备)的自动存储和自动检索系统。
立体仓库是毛坯和成品零件的存放地点，也可看 成是托盘缓冲站的扩展与补充。使用的托盘及大型夹 具也可在立体仓库中存放。
二、自动化仓库结构
◆ 自动仓库（图6-7） 又称立体仓库或自动化仓 库系统（Automated Storage and Retrieva1 System一AS／RS），由高层 料架 、码垛机、控制计算 机和物料识别装置等组成。 有时配置信息输入设备，如 条形码扫描器。具有自动化 程度高、料位空间尺寸和额 定存放重量大、料位总数可 根据实际需求扩展、占地面 积小等优点。
◎光学引导方式原理（图7）
沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带（铝带或 尼龙带），小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光 带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制 小车的舵轮。
信号孔
感光元件
光道
反光带
光源
图7 光学引导原理
反光带有连续粘贴和断续粘贴两种方法，FMS中常 采用连续粘贴法。光学引导方式对于改变小车的预 定路径很方便，只要重新粘贴反光带即可，但反光 带易污染和破损，不适合油雾重、粉尘多、环境不 好的车间。电磁引导方式因其引导电缆本身具有能 量，本身不具有能量，被称为无源引导方式。 无径引导方式中的激光灯台方式如图 7所示。在无 轨小车的顶部装有一个可沿360º 按一定频率发射激光 的装置，同时在小车运行范围的四周一些固定位置 上放置反射镜片。当无轨小车运行时，不断接收到 从三个已知位置反射来的激光束，经过运算后，确 定 小 车 的 位 置 ， 从 而 实 现 导 航 引 导 。 生产中实际使用的无轨小车目前基本上都是有径引 导方式，无径引导方式在FMS应用中尚处于实验研究 阶段。图8是无轨小车的实用例。
(2)托盘交换装置 托盘交换装置是加 工中心与工件输送设 备之间的连接装置， 起着桥梁和接口的作 用。有回转式（图 320）和往复式。回转 式托盘交换装置有两 位和多位。多位式亦 称托盘库。往复式托 盘交换装置的基本形 式为两位，其布局有 多种形式。（图3-21）
图
(3)托盘缓冲站
托盘缓冲站是自动化制造系统内工件排队等待加 工的暂存地点。其结构可根据需要选择。托盘缓冲 站的数目，以不使工件在系统内排队等待而产生阻 塞为原则，有利于提高机床的利用率。具体确定时 应考虑工件的装卸时间、切削时间、输送时间以及 无人或少人看管系统时间 ( 如节假日、第三班 ) 等多 种因素。
辊式 传送带 链式（传送带由于柔性差，目前较少使用） 带式 电磁式（图6-8） 有轨（RGV） 固定路线 光电式（图6-9） 运输小车 …… 无轨（AGV） 随机路线 工业机器人 固定式机器人 行走式机器人
一、工件输送设备
1.输送带（见图2）
结构简单，输送量大，多为单向运行，受刚性生产线的影 响，在早期的FMS中用得较多。输送带分为动力型和无动力型； 从结构方式上有辊式、链式、带式之分；从空间位置和输送 物料的方式上又有台式和悬挂式之分。用于FMS中的输送带通 常采用有动力型的电力驱动方式，电动机经减速后带动输送 带运行。利用输送带输送物料的物流系统柔性差，一旦某一 环节出现故障，会影响整个系统的工作，因而除输送量较大 的FML或FTL外，目前已很少使用。
二、工件储运系统的组成
现代物流系统由管理层、控制层和执行层三大部 分组成。 （1）管理层：管理物料库存，生成物料作业计 划。要求具有较高智能。 （2）控制层：检测物流状态，生成物流作业指 令。要求具有较高的实时性。 （3）执行层：执行物流作业指令。要求较高的 可靠性。
第二节 工件输送系统
FMS中常见的输送及交换装置 ：传送带；运输小 车；工业机器人；托盘及托盘交换装置（包括托盘 夹具）
第四章 工件储运及管理系统
第一节 第二节 第三节 第四节 工件储运系统的功用与组成 工件输送系统 工件储存系统---自动化立体仓库 工件储运管理系统
第一节 工件储运系统的功用及组成
一、工件储运系统的功用
物流系统的功能包括： （1）存储功能：等待的零件（非加工和非处理状 态）的存储和缓存。 （2）输送功能：工件在各工位之间的传输。 （3）装卸功能：进出装卸站、进出库、设备上下 料。 （4）管理功能：工件的识别与管理。