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中空玻璃以隔熱效果好、隔音效果強(qiáng)等特點(diǎn), 廣泛應(yīng)用在建筑、家具等行業(yè)[1,2,3,4,5,6]。玻璃倉儲(chǔ)系統(tǒng)是玻璃配對(duì)、分揀、儲(chǔ)存為一體的新型智能控制的玻璃深加工設(shè)備, 適用于玻璃鋼化后, 中空前的玻璃生產(chǎn)緩沖存儲(chǔ)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了玻璃精準(zhǔn)配對(duì)、快速調(diào)度、減少多次儲(chǔ)存帶來的玻璃劃傷, 是玻璃深加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化生產(chǎn)的核心設(shè)備[7]。

國(guó)外的中空玻璃深加工設(shè)備主要以李賽克公司為主, 文獻(xiàn)相對(duì)較少。隨著國(guó)內(nèi)中空玻璃深加工產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展, 國(guó)內(nèi)深加工設(shè)備逐漸趕上世界水平[8], 但是中空玻璃倉儲(chǔ)系統(tǒng)主要以進(jìn)口設(shè)備為主, 售價(jià)較高, 增加了玻璃生產(chǎn)的成本。由于國(guó)內(nèi)對(duì)中空玻璃倉儲(chǔ)系統(tǒng)的研究主要是在軟件平臺(tái)上對(duì)設(shè)備運(yùn)行的可靠性進(jìn)行仿真分析[9,10], 為此自主設(shè)計(jì)一套智能的玻璃倉儲(chǔ)系統(tǒng)具有重要的意義。

自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)是人工不直接處理的情況下能自動(dòng)存儲(chǔ)和取出物料的系統(tǒng)[11,12,13,14]。本研究在自動(dòng)化倉儲(chǔ)的基礎(chǔ)上提出一種智能化中空玻璃倉儲(chǔ)系統(tǒng), 設(shè)計(jì)出中空玻璃智能倉儲(chǔ)的存取、儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)、輸送設(shè)備和控制裝置。

玻璃倉儲(chǔ)系統(tǒng)作為玻璃深加工生產(chǎn)線的核心, 存在于流水區(qū)域后中空區(qū)域前, 起到玻璃緩存作用, 是中空玻璃深加工的流程中最為關(guān)鍵的一個(gè)中間環(huán)節(jié)。

中空玻璃深加工流程圖如圖1所示。

圖1 中空玻璃深加工流程圖  下載原圖

玻璃倉儲(chǔ)系統(tǒng)包括ERP (企業(yè)資源計(jì)劃) 系統(tǒng)、IPC (工業(yè)控制計(jì)算機(jī)) 模塊、出入庫搬運(yùn)小車系統(tǒng)、網(wǎng)格架系統(tǒng)等。其系統(tǒng)的基本框架如圖2所示。

圖2 玻璃倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)基本框架圖  下載原圖

網(wǎng)格架分為若干個(gè)巷道, 每個(gè)巷道都是個(gè)儲(chǔ)存單元。ERP系統(tǒng)是為出入庫玻璃分配巷道信息, IPC系統(tǒng)協(xié)調(diào)小車之間的運(yùn)動(dòng) (位置指令傳達(dá)、傳感器信息采集等) 。

玻璃入庫或者出庫時(shí), 出入庫搬運(yùn)小車與網(wǎng)格架下面的底部搬運(yùn)小車通過IPC接收來自ERP系統(tǒng)發(fā)送的位置指令, 同時(shí)移動(dòng)到需要入庫或者出庫的巷道位置。到達(dá)指定位置后, 出、入庫小車的傳動(dòng)帶和底部小車的傳動(dòng)輪進(jìn)行同向同步運(yùn)動(dòng), 完成玻璃的出、入庫工作。一般情況下, 一次可以入庫多片玻璃;出庫時(shí), 依據(jù)玻璃配對(duì)情況進(jìn)行出庫。

高精度的出、入庫搬運(yùn)小車設(shè)備具備三維運(yùn)動(dòng)能力, X方向采用鏈條連接的滾輪組以實(shí)現(xiàn)出、入庫的玻璃平移;在Y方向采用水平平行導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)玻璃的快速搬運(yùn);在Z方向采用連桿軸承帶動(dòng)玻璃承接板擺動(dòng)以防止快速搬運(yùn)時(shí)的慣性導(dǎo)致的玻璃跌落, 其基本的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 出入庫搬運(yùn)小車設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖  下載原圖

1—減速箱;2—翻轉(zhuǎn)電機(jī);3—導(dǎo)軌;4—玻璃承接板;5—Y軸傳送電機(jī);6—滾輪組;7—X軸傳送電機(jī)

出、入庫搬運(yùn)小車的功能是依據(jù)分類對(duì)玻璃進(jìn)行入庫存儲(chǔ), 中空操作前依據(jù)配對(duì)情況將網(wǎng)格架巷道里面的玻璃選擇性的出庫, 減少中空膠裝前玻璃配對(duì)的時(shí)間, 提高中空效率。

搬運(yùn)小車主要由X軸、Y軸、Z軸上3個(gè)伺服電機(jī), 平行導(dǎo)軌模塊, 玻璃承接板模塊和若干個(gè)傳感器組成。

設(shè)備工作時(shí), 出入庫小車伺服系統(tǒng)通過IPC獲得ERP給出的巷道的位置信息, 驅(qū)動(dòng)Y軸傳送電機(jī)在平行導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置, 并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)反饋檢測(cè)出小車的實(shí)時(shí)位置信息;小車在高速行進(jìn)的過程中為了避免玻璃滑落, Z軸翻轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)連桿軸承驅(qū)動(dòng)承接板翻轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度;當(dāng)小車移動(dòng)到巷道位置時(shí), X軸傳送電機(jī)工作, 進(jìn)行玻璃出入庫動(dòng)作。

網(wǎng)格架系統(tǒng)主要包括鋼化網(wǎng)格架和網(wǎng)格架下面的底部搬運(yùn)小車。底部搬運(yùn)小車同樣具備三維運(yùn)動(dòng)能力, 主要的結(jié)構(gòu)由一臺(tái)高精度Y軸傳送電機(jī)、兩臺(tái)X軸傳送電機(jī)、Z軸由兩個(gè)能頂起傳送輪的氣缸和傳感器裝置構(gòu)成, 基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖  下載原圖

1—網(wǎng)格架;2—Y軸傳送電機(jī);3—?dú)飧籽b置;4—行進(jìn)開關(guān);5—傳送輪;6—X軸傳送電機(jī);7—巷道

底部搬運(yùn)小車依靠Y軸傳送電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)尋址, 到達(dá)指定的巷道下面;依靠X軸傳送電機(jī)進(jìn)行玻璃的出入庫傳送;依靠Z軸氣缸裝置將底部玻璃傳送架進(jìn)行升降。

網(wǎng)格架下有多個(gè)底部搬運(yùn)小車, 底部小車相對(duì)于出入庫小車運(yùn)行速度較慢, 根據(jù)要到達(dá)的巷道位置信息, 采用多個(gè)小車協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和分區(qū)域最近距離的原則, 縮短運(yùn)行距離, 提高出、入庫的效率。

出、入庫小車設(shè)備采用3臺(tái)伺服電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)小車的導(dǎo)軌行進(jìn)、玻璃承接板的翻轉(zhuǎn)、玻璃的滾輪組滾動(dòng)操作。底部小車由兩臺(tái)伺服電機(jī)擔(dān)任行進(jìn)和傳送任務(wù)。

網(wǎng)格架的巷道對(duì)應(yīng)不同的位置信息, 將到達(dá)不同位置下的加速度、減速度、最高速度等運(yùn)動(dòng)控制信息提前輸入伺服器中, 以便在運(yùn)動(dòng)的過程中給定的巷道位置后快速確定運(yùn)行參數(shù)。伺服器會(huì)實(shí)時(shí)根據(jù)檢測(cè)編碼器返回的脈沖數(shù)據(jù), 對(duì)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整, 使停車位置更加精確。承接板的翻轉(zhuǎn)角度決定了玻璃運(yùn)送的可靠性, 采用兩個(gè)限位開關(guān)限制翻轉(zhuǎn)的角度。

在工作過程中, 玻璃進(jìn)入測(cè)量端時(shí), ERP系統(tǒng)收到玻璃到達(dá)指令后, 給伺服器下達(dá)巷道的位置信息。伺服器接收到位置信息后, 讀取已儲(chǔ)存在伺服器內(nèi)該位置的電機(jī)運(yùn)行的各個(gè)參數(shù), 并向電機(jī)輸出速度指令。同時(shí), 監(jiān)測(cè)位置的絕對(duì)值編碼器會(huì)實(shí)時(shí)反饋脈沖數(shù)檢測(cè)得到位置信息, 伺服器根據(jù)反饋的信息對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié), 控制電機(jī)的精確停止。在電機(jī)運(yùn)動(dòng)的過程中, 翻轉(zhuǎn)電機(jī)會(huì)使翻轉(zhuǎn)承接板翻轉(zhuǎn)一定的角度, 保證玻璃在搬運(yùn)過程中平穩(wěn)、可靠。到達(dá)指定的巷道位置后與底部搬運(yùn)小車進(jìn)行聯(lián)動(dòng), 進(jìn)行入庫操作, 玻璃運(yùn)行的過程中有眾多傳感器不斷監(jiān)測(cè)玻璃實(shí)時(shí)的位置, 防止玻璃進(jìn)庫時(shí)移動(dòng)距離過多而脫落。玻璃倉儲(chǔ)系統(tǒng)的控制及流程圖如圖5所示。

圖5 倉儲(chǔ)系統(tǒng)流程圖  下載原圖

該實(shí)驗(yàn)是在Lenze公司的E94A系列伺服器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真, 所搭建的伺服控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。該伺服器除了伺服的基本功能外, 還兼具PLC功能, 可根據(jù)需要進(jìn)行編程, 修改程序參數(shù), 以滿足不同的功能, 通過診斷配置器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伺服器反饋的數(shù)據(jù)信息。

實(shí)驗(yàn)中, 為接近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要, 采用380 V交流電進(jìn)行伺服器和伺服電機(jī)的供電, 用數(shù)字量開關(guān)代替工業(yè)上的零點(diǎn), 主要進(jìn)行小車運(yùn)行開始時(shí)尋零點(diǎn)操作, 為實(shí)驗(yàn)中找到位置參考點(diǎn)。

圖6 伺服器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖  下載原圖

該系統(tǒng)中的伺服電機(jī)除了驅(qū)動(dòng)還要具備精確地定位功能, 以下針對(duì)出入庫搬運(yùn)小車中的Y軸方向的電機(jī)進(jìn)行仿真分析。該實(shí)驗(yàn)中伺服器和伺服電機(jī)的外部電氣連接圖如圖7所示。

圖7 伺服器外部接線圖  下載原圖

T1, T2—溫度傳感器;Y—電機(jī)握持制動(dòng);X8—絕對(duì)值編碼器反饋;Rb—?jiǎng)x車電阻

T1、T2與電機(jī)的溫度傳感器相連接避免電機(jī)的短路;Rb是為了防止電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大量的制動(dòng)能量對(duì)伺服器的損害, Y是電機(jī)的緊急停止模塊, X8是絕對(duì)值編碼器, 實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的位置信息。可靠的保護(hù)和反饋系統(tǒng)保證了整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

本研究采用表定位的位置定位方式, 在Lenze公司開發(fā)的Engineer軟件中仿真。表定位的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1所示。

表1 表定位的運(yùn)動(dòng)參數(shù)  下載原圖

本研究將如表1所示的位置的參數(shù)輸入到伺服器表定位的功能塊中, 利用軟件調(diào)用表定位里面的數(shù)據(jù)信息。

本研究通過軟件監(jiān)測(cè)電機(jī)的實(shí)際速度, 通過光電位置傳感器返回電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際位置, 在Data logger界面中得到仿真波形。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 位置仿真圖  下載原圖

1—實(shí)際速度曲線 (Actual speed[rpm]1/Div=20) ;2—表定位的位置曲線 (Table:Position x[unit]1/Div=1k) ;3—實(shí)際的位置曲線 (Actual position[unit]1/Div=1k)

實(shí)際位置到達(dá)2 999.992 7 unit (unit=πD/1 800, 轉(zhuǎn)盤的直徑D=50 mm) , 絕對(duì)誤差為-6.37×10-4mm。電機(jī)運(yùn)行的最大速度也在800 rap左右, 和設(shè)置的結(jié)果近似相等。

為防止產(chǎn)生偶然誤差, 本研究進(jìn)行每個(gè)位置多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量取平均的方法, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同位置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)  下載原圖

計(jì)算后得到相對(duì)誤差分別為0.000 13%、0.000 1%、0.000 2%, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果足以滿足實(shí)際設(shè)備對(duì)位置精確的要求。

本文提出了智能化中空玻璃倉儲(chǔ)系統(tǒng)的總體方案, 并搭建硬件平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 結(jié)果表明:該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)小車的精確停車。進(jìn)行了實(shí)物平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用, 對(duì)提出的智能化中空玻璃倉儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證, 實(shí)驗(yàn)表明:在運(yùn)行性能和精度上該系統(tǒng)與國(guó)外的水平相近, 運(yùn)行可靠, 可以替代進(jìn)口設(shè)備。

下一階段工作是為該系統(tǒng)開發(fā)一套配套的ERP系統(tǒng), 由于ERP系統(tǒng)是該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的上層管理系統(tǒng), 為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的工作效率, 需要完善ERP系統(tǒng)對(duì)小車之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的控制方法, 以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。