(System，FMS) 的重要組成部分，用以將分散的、相互獨(dú)立的加工及物料裝卸、儲(chǔ)存等設(shè)備聯(lián)成一體，完成毛坯、工件及工裝夾具的裝卸、運(yùn)輸和儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)物料在加工機(jī)床之間及存儲(chǔ)站與機(jī)床之間的自動(dòng)輸送、搬運(yùn)、存放等工作。在物料流動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)輸裝置不僅是一個(gè)載體，也是各單元設(shè)備間的接口，物流運(yùn)輸裝置的結(jié)構(gòu)形式、自動(dòng)化程度和運(yùn)行的可靠性，對(duì)FMS 的生產(chǎn)效率、可靠性、復(fù)雜程度、投資成本、經(jīng)濟(jì)效益都有較大的影響［1 － 2］。
目前常見(jiàn)的物流運(yùn)輸系統(tǒng)有自動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)輸小車 ( AGV) 、有軌小車、傳送帶或者輥筒式機(jī)動(dòng)滾道和搬運(yùn)機(jī)器人( 機(jī)械手) 等，其主要特點(diǎn)及用途如表1所示［3 － 4］。
從表1 可以看出，物流運(yùn)輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式與制造系統(tǒng)的物理布局，自動(dòng)化程度，加工對(duì)象的大小、質(zhì)量、種類、批量，加工機(jī)床性能及系統(tǒng)柔性度等因素直接相關(guān)，在用于零件加工制造的FMS 中，通常采用有軌小車作為物料運(yùn)輸裝置。有軌小車有2 個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)和3 個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)兩種類型，2 個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的有軌小車承載大，小車最大承載質(zhì)量能達(dá)到8 000 kg 以上，但只能完成平面布置的物料交換，3 個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的有軌小車( 堆垛機(jī)) 能完成空間布置的物料庫(kù)交換，但承載能力較小，一般小車最大承載質(zhì)量小于1 500 kg。文中以沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司研制的用于大重型箱體類零件加工的FMS 有軌小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對(duì)重載物流有軌小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹和分析，所討論的設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)對(duì)于其他有軌小車的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。
1 重載物流有軌小車的組成
大重型箱體類零件加工FMS 的有軌小車不需要專用托盤作為載體，而是在上料站將工件、工裝及夾具等直接安裝在可移動(dòng)的工作臺(tái)上，工作臺(tái)及物料一起進(jìn)行搬運(yùn)、交換、存儲(chǔ)。圖1 所示是本公司研制的FMS1600 有軌小車工作臺(tái)負(fù)重8 000 kg運(yùn)行情況。
有軌小車是一個(gè)由機(jī)械系統(tǒng)與控制及工作臺(tái)識(shí)別系統(tǒng)組成的機(jī)、電一體化集成系統(tǒng)，其主要組成見(jiàn)圖2。機(jī)械系統(tǒng)是運(yùn)輸小車的主體，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制系統(tǒng)與工作臺(tái)RFID 識(shí)別系統(tǒng)等組成的柔性制造系統(tǒng)的物流儲(chǔ)運(yùn)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小車按照FMS 主控系統(tǒng)運(yùn)行控制指令，完成物流小車調(diào)度、移動(dòng)工作臺(tái)射頻識(shí)別存儲(chǔ)器信息的讀寫、工件自動(dòng)識(shí)別與監(jiān)控、控制信息采集與監(jiān)控、過(guò)程運(yùn)行控制等任務(wù)。按照生產(chǎn)制造需求，小車沿運(yùn)輸線軌道上快速直線運(yùn)動(dòng)及在系統(tǒng)各單元設(shè)備之間進(jìn)行工作臺(tái)交換運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料在各加工主機(jī)、裝卸站、緩存站之間的自動(dòng)搬運(yùn)、存貯、交換。
小車機(jī)械系統(tǒng)主要包括水平直線運(yùn)動(dòng)及其位置檢、 測(cè)、定位機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)交換機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)定位夾緊機(jī)構(gòu)等組成，如圖3 所示。
文中重點(diǎn)討論有軌小車的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有關(guān)控制與工作臺(tái)識(shí)別系統(tǒng)的內(nèi)容將另文介紹。
2 重載物流有軌小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2． 1 水平直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
在有軌小車全行程范圍內(nèi)確保小車的位置精確度，即確保如圖4 所示的左右、前后、高度方向尺寸一致性，誤差在0． 2 mm 以內(nèi)，是小車實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)任意工位高精度交換的技術(shù)基礎(chǔ)。這不僅要求小車水平直線運(yùn)動(dòng)全長(zhǎng)坐標(biāo)定位精度小于± 0． 1 mm，同時(shí)還要求在全行程范圍內(nèi)運(yùn)輸線直線度及小車與其他設(shè)備高度方向尺寸公差小于± 0． 1 mm。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮小車運(yùn)動(dòng)速度快、行程長(zhǎng)、負(fù)載慣量大等特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)運(yùn)輸線、移動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，做好傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配，確保小車的功能及技術(shù)要求。
( 1) 物流運(yùn)輸線及其導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。
物流運(yùn)輸線及其導(dǎo)軌是承載小車的基礎(chǔ)和運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)小車承載質(zhì)量、工件大小、運(yùn)行速度、坐標(biāo)及幾何精度等技術(shù)要求而進(jìn)行。小規(guī)格的柔性制造系統(tǒng)的有軌小車具有垂直方向的運(yùn)動(dòng)，對(duì)導(dǎo)軌系統(tǒng)在全長(zhǎng)范圍內(nèi)的等高度要求不高，通常采用外購(gòu)輕型鋼軌或?qū)Ｓ娩X型材作為地軌，利用導(dǎo)向輪在軌道上導(dǎo)向。重載有軌小車的運(yùn)輸線結(jié)構(gòu)要求既便于高度及直線度的調(diào)整，又要保證較高的剛性，如圖5 所示，重載運(yùn)輸小車的運(yùn)輸線由多段鑄鐵件底座拼接而成，合理分配多點(diǎn)支承，同時(shí)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌作小車運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，滿足了小車任意工位高精度交換對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)精度及幾何精度的技術(shù)要求。
( 2) 運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
小車水平直線運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小車在物流線軌道上作正反快速直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)以運(yùn)動(dòng)速度、加速度、負(fù)載等參數(shù)作為初始條件，對(duì)齒輪齒條模數(shù)與齒數(shù)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、負(fù)載慣量等進(jìn)行校核計(jì)算及優(yōu)化匹配，同時(shí)，為確保小車能夠準(zhǔn)確、快捷地將工作臺(tái)送至系統(tǒng)指定的工位，還必須設(shè)計(jì)合理的位置檢測(cè)系統(tǒng)，在運(yùn)輸線各交換工位處安裝位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)，保證物料輸送位置精確度。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖6。
2． 2 工作臺(tái)交換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
( 1) 方案設(shè)計(jì)。
實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)交換的傳動(dòng)方式有多種，如齒輪齒條傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)、液壓油缸驅(qū)動(dòng)、鏈條傳動(dòng)等，其中鏈條傳動(dòng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并具有自動(dòng)加減速功能而被廣泛應(yīng)用，在小規(guī)格的柔性制造系統(tǒng)中，由于工作臺(tái)自身質(zhì)量和承載質(zhì)量都較輕，工件外形尺寸小，運(yùn)輸線與其他設(shè)備( 緩存站、主機(jī)托盤站等) 之間的距離短，通常直接采用鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)交換。
在大重型柔性制造系統(tǒng)中，由于工作臺(tái)自身質(zhì)量和承載質(zhì)量都較重，工件外形尺寸大，運(yùn)輸線與其他設(shè)備( 緩存站、主機(jī)托盤站等) 之間的距離長(zhǎng)，僅僅采用鏈條傳動(dòng)一種機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)平穩(wěn)、精確的交換。沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司研制的重載運(yùn)輸小車采用雙層結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)交換的運(yùn)動(dòng)采用分級(jí)運(yùn)動(dòng)，克服了大質(zhì)量工件在長(zhǎng)距離交換過(guò)程中，由于工作臺(tái)懸伸長(zhǎng)而出現(xiàn)重心偏移，導(dǎo)致工件交換無(wú)法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難題。兩級(jí)運(yùn)動(dòng)分別是: 第1 級(jí)為滑臺(tái)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，有效地縮短小車與托盤站或緩存站之間的距離，減少工作臺(tái)懸空長(zhǎng)度，避免因此出現(xiàn)重心偏移; 第2 級(jí)為通過(guò)鏈條上的撥銷帶動(dòng)工作臺(tái)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)鏈條傳動(dòng)的變頻調(diào)速，避免大慣量沖擊，兩級(jí)運(yùn)動(dòng)通過(guò)控制系統(tǒng)PLC 程序控制，可同時(shí)進(jìn)行，也可相繼進(jìn)行，系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控。同時(shí)，由于FMS 的主機(jī)托盤站、存儲(chǔ)站、裝卸站等設(shè)備單元分列于小車運(yùn)輸線的兩側(cè)，因此小車兩級(jí)傳動(dòng)都必須能實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)，如圖7所示。
( 2) 有限元分析。
利用Pro /E 建立小車兩種設(shè)計(jì)方案的實(shí)體模型，并對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便于進(jìn)行網(wǎng)格劃分建立有限元模型。簡(jiǎn)化的原則為: 在不影響分析精度的前提下，去除尺寸較小的細(xì)小結(jié)構(gòu)( 如半徑小于20 mm 的圓角、螺栓孔) 、尺寸較小的臺(tái)階和凹槽，簡(jiǎn)化模型如圖8 所示。
針對(duì)兩種模型方案結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析計(jì)算，得到剛度分析結(jié)果如圖9 所示，剛度計(jì)算結(jié)果如表2 所示。
從表2 可以看出，雙層結(jié)構(gòu)在工作臺(tái)交換進(jìn)時(shí)增加了輔助支撐，可以極大地提高小車交換系統(tǒng)的剛度，其總變形量比原來(lái)減少90． 62%，但小車結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且車體總質(zhì)量會(huì)有所增加，制造成本會(huì)適當(dāng)增加。
3 結(jié)語(yǔ)
FMS 的物料運(yùn)輸方式有很多種，每種方式都各有優(yōu)勢(shì)，它們除了一些共性外，更具有互補(bǔ)性。從技術(shù)、制造成本、使用環(huán)境等的實(shí)用性角度，有軌小車更適合零件加工制造的柔性制造系統(tǒng)。
文中所介紹的重載物流有軌小車，其運(yùn)輸線底座由多件鑄鐵床身連接而成，導(dǎo)軌采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)既保證了支撐剛度，又保證了小車運(yùn)動(dòng)的幾何精度和坐標(biāo)定位精度; 同時(shí)根據(jù)重型、大尺寸工件交換的技術(shù)需求，采用雙層分級(jí)、雙向運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)交換結(jié)構(gòu)方案，并利用Pro /E 三維數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)進(jìn)行小車三維實(shí)體建模和有限元仿真計(jì)算，確保了結(jié)構(gòu)的可行性，為重載物流有軌小車的成功研制奠定了基礎(chǔ)。此種結(jié)構(gòu)已經(jīng)在兩條大重型柔性制造系統(tǒng)FMS1000及FMS1600 中成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了FMS1000 小車最大承載質(zhì)量為3 000 kg，快速移動(dòng)速度為80 m/min， FMS1600 小車最大承載質(zhì)量為8 000 kg，快速移動(dòng)速度為60 m/min 的技術(shù)要求。
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