（信号与信息处理专业论文）表面处理生产线吊车运动流程规划研究.pdf

摘要 摘要 表面处理技术在现代工业生产中的应用越来越普遍，包括电路板( p c b ) 生 产、五金表面电镀、化学镀、阳极氧化、首饰电镀等多个领域。根据结构不同， 可分为四种类型，应用最广泛的是垂直升降式自动化表面处理生产线，其吊车 的运动流程是根据处理工件所需要的工艺流程来确定的。吊车吊运流程的确定， 目前都是通过人工排列吊车的吊运任务，反复调整来完成的。 本文对传统的吊车吊运流程规划方案作了分析，研究了垂直升降式表面处 理生产线工艺流程和吊车运动流程之间内在的数学关系，给出了吊车提升时刻 是工件已在生产线上停留时间除以周期所得余数的数学关系，给出了根据吊运 任务所需时间总和、副循环、最长单槽位处理时间、吊车数量确定生产周期范 围的计算方法。 产品加工工艺流程给出的工件在各工位加工时间范围，吊车吊运流程是满足 产品生产工艺的吊车运动路线，其中关键的数据是吊车到各工位吊运的顺序和 在相应工位提升的时刻。根据产品加工工艺流程，确定吊车吊运流程，是一个 根据非连续量确定非连续量的问题，同时还要求生产周期尽量短，以尽可能提 高生产线的产能。此问题是一个动态的多阶段决策问题，本文根据该问题的特 点讨论了求解该问题的程序化、规律性的规划算法。解决此问题对实际工作有 重要的意义，对研究多阶段决策问题也有探索意义。 关键词：自动化，表面处理，数学规划 a b s t r a c t a b s t r a c t s u r f a c e - t r e a t m e n tt e c h n o l o g yi sa p p l i e dm o r ea n dm o r e p o p u l a r l yi n t h em o d e m i n d u s t r y ，w h i c hi n c l u d e sm a n yf i e l ds u c ha st h ep r o d u c t i o no fp c b ，m e t a ls u r f a c e p l a t i n g ，c h e m i c a lp l a t i n g ，a n o d eo x i d a t i o n , j e w e l r yp l a t i n ge t c a sp e rt h ed i f f e r e n t s t r u c t u r e ，s u r f a c e - t r e a t m e n te q u i p m e n tc a l lb ed i v i d e dt of o u rt y p e s t h eu p r i g h t 1 i f t s u r f a c e - t r e a t m e n tl i n ei sa p p l i e dm o s t p o p u l a r l y 。t h ec a r r i e ro fs u r f a c e - t r e a t m e n t e q u i p m e n tm o v ef l o wi sd e t e r m i n e da sp e rt h ep r o c e s sf l o w t h ec a r r i e rm o v ef l o w c u r r e n t l yi sd e t e r m i n e dt h r o u g ha r r a n g i n ga n da d j u s t i n gt h ec a r r i e rm i s s i o nt i m ea f t e r t i m eb yp e r s o n n e l t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h et r a d i t i o n a lp r o g r a m m i n gs c h e m eo ft h ec a r r i e rt r a n s p o r t f l o w ，r e s e a r c h e st h em a t h e m a t i c sr e l a t i o n s h i po ft h es u r f a c e t r e a t m e n tp r o c e s sf l o w a n dc a r r i e rm o v ef l o w ，a n dd e t e r m i n e st h em a t h e m a t i c sr e l a t i o n s h i pt h a tc a r r i e rl i f t t i m ei st h er e m a i n d e rd i v i d i n gt h es t a yt i m eo nt h el i n eb yt h ep e r i o d ，硒w e l la sg i v e s t h ec a l c u l a t i o nm e t h o dt od e f i n et h ep e r i o dr a n g e a c c o r d i n gt ot h et o t a lt i m e ， s u b c y c l e ，m a xs i n g l e g r o o v et r e a t m e n tt i m ea n dc a r r i e ra m o u n t p r o d u c tp r o c e s sf l o ws p e c i f i e st h ep r o c e s st i m er a n g eo ft h ew o r k p i e c ea te a c h s t a t i o n , a n dc a r r i e rm o v ef l o wc a r lm e e tt h ec a r r i e rm o v er o u t eo fp r o d u c tp r o c e s s i t s k e yd a t ai st h es e q u e n c eo ft h ec a r r i e rt oe a c hs t a g ea n dt h el i 矗t i m ea tt h e c o r r e s p o n d i n gs t a g e a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t p r o c e s sf l o w ，d e f i n i n gt h ec a r r i e r t r a n s p o r tf l o wi st od e t e r m i n et h en o n - c o n t i n u o u sv a l u ea sp e rt h en o n c o n t i n u o u s v a l u e ，a sw e l la sr e q u i r e dt oi m p r o v et h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yb yr e d u c i n gt h e p r o d u c t i o np e r i o da ss h o r ta sp o s s i b l e ，w h i c hi sad y n a m i cm u l t i s t a g e d e c i s i o n - m a k i n gp r o g r a m t h i sa r t i c l er e p r e s e n t st h ep r o g r a m m i n ga n dr e g u l a r a l g o r i t h mt or e s o l v et h i sq u e s t i o na c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hi ss i g n i f i c a n t i na c t u a lw o r k ，a n dt oe x p l o r ea n dr e s e a r c ht h em u l t i s t a g ed e c i s i o n m a k i n g k e yw o r d s ：a u t o m a t i z a t i o n , s u r f a c e t r e a t m e n t , o p e r a t i o n sr e s e a r c h n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 岛， 、甙广、， 膨月轹。埤锚小 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：捌闭彩 、 泖晦只 旭 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年 月日年月 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 概述 表面处理在实际中通常统称为电镀，近年来发展非常迅速，常用的包括电 镀、化学镀和阳极氧化等类型。自动化电镀生产线在电路板( p c b ) 生产行业中应 用较早，应用也最广泛，自动化水平也最高，自动化的五金电镀线目前在不同 的行业也先后开始得到应用，用于表面处理的自动化阳极氧化生产线在国内也 开始使用。早期的电镀生产线都是人工手动操作，生产效率较低，产品合格率 也较低，产品质量的分散性较大。在亚洲，目前的自动化生产线主要由日本、 香港、台湾和国内港资企业制造，少数从德国引进【i 】。其中垂直升降式表面处理 线应用最普遍，其主体部分方案概要如下： 1 缸位排列示意图 路轨 _ _ _ _ _ _ 图1 一l 缸强制况际意图 说明： 缸位( s t a g e ) 又称槽位，是处理工件的工位，缸位里面加有药水或纯水或 者自来水，少数作为中转的中转缸( b u f f e r ) 是空缸。上下料位是空位，有些上 下料位是同一个位，有些两个位是分开的，分布在生产线的两端。缸位的编 号总是从上料位开始为第一号位。 路轨：是吊车( c a r d e r ) 水平移动的轨道。 2 吊车结构示意图 第1 章引言 3 主要运动说明 整个吊车在路轨上可水平前后移动，吊具在主轴转动时通过皮带带动可上 下移动。吊车的任务是将工件从某一个缸位提起来放入另一缸位，不断重复。 吊车上的电机由变频器驱动，速度可调，通过p l c 控制吊车的所有运动和运动 速度。吊车按某一确定的顺序( 一般与槽的顺序不一致) 将工件放入槽内停留 某一段时间( 即处理时间，一般有一定的浮动范围，此时吊车可能要去其它位 吊放工件) ，然后将工件提起来再放入下一槽内，直至完成所有加工处理。 1 2 自动化表面处理线控制方案简介吲_ 【】 目前，自动化电镀生产线主要采用集散控制模式，产品信息由操作人员从 上位机监控电脑输入，现场控制由p l c 完成，监控电脑通过不断与p l c 的通信 完成参数运算、写入和现场参数监视，p l c 完成对整个生产线的控制。此外， 监控电脑还要对生产资料进行统计，对发生故障作出提示和提出处理建议。根 据产能和生产工艺流程的不同，自动化电镀生产线的吊车数目有l 到7 台甚至 更多不等，吊车越多控制就越复杂，均使用模块式p l c 控制。 控制框图如下： 2 第1 章引言 7 1 ； 图1 - 3 控制框图 其中，编程设备是在程序传输和调试才与p l c 连接。监控电脑与p l c 的信 号交流是双向的。 该集散控制系统的上位机采用个人电脑，监控系统是使用v b 程序开发工具 编写成的基于w i n d o w s 的应用程序。上位机的主要任务是：1 、接受用户输入 的反映用户控制要求的信息，并将这些信息转换成p l c 程序能够识别的控制信 息，再写入到p l c 相应的数据存储区。2 、不断接收来自p l c 的r s 2 3 2 c 通信 端口的信号，正常运行时统计现场生产资料，监视生产线运行情况；故障状态 时，显示故障类别，并可以查询产生故障的原因和处理建议。3 、从r s 2 3 2 c 通 信端口接收来自p l c 的现场信号，运算以后返回现场控制所需要的数据给p l c 。 现场控制采用p l c 控制，它是整个生产线的控制核心。控制程序包括吊车 控制部分、整流机控制部分( 如果有整流机) 、温度控制部分、摇摆( 一种带动 工件作搅拌运动增强处理效果的设备) 控制部分以及灯光、声音、数码显示、 喷淋、自动加药、振动( 有气动和电动两种) 、故障报警等周边辅助控制部分。 吊车控制程序又是p l c 控制程序的核心部分。 1 2 1 吊车控制方案 吊车控制的模式包括点动模式、半自动模式( 又称手动模式) 、自动模式三 种。点动模式用于调试和维修时使用；手动模式用于生产之前的调整准备和试 产样品使用；自动模式用于正常批量生产使用，当然也能够用于生产样品时使 用。点动控制模式比较简单。 第1 章引言 1 点动控制模式 点动控制时，只要求作一些极限保护，由人工按住操作控制按钮点动控制， 电机运转速度采用低速。 2 手动控制模式 一般情况下手动控制与点动控制相比就是多了自锁功能，但是此处的手动 控制要复杂得多。升降控制要求根据客户预先的要求自动变换速度( 一般有2 3 种速度) 。前后运动控制采用三种速度，手动控制时使用两种速度，接近目标位 置之前要减速，运行在低速状态，其他情况有两种用法。一种是，操作人员按 一下横移( 向前或向后) 按钮，吊车连续移动一个槽位停止，速度为低速；如 果操作人员按住按钮不放，吊车以中速横向移动，到达下一槽位附近( 有减速 感应片，感应器安装在吊车上) ，吊车会减速至低速，到达槽位定位点停止，但 操作人员没有释放按钮吊车又重新启动继续运行。重复前面过程直到到达目标 位定位点之前操作人员松开横移操作按钮，吊车自动准确停在目标位定位点。 这种方式优点在于操作人员任何时候松开横移按钮，吊车都能立即减速为低速 运行并自动停在槽位定位点上。缺点是，每一个槽位都要减速，吊车移动速度 慢，操作不便。另一种是，操作人员按一下横移按钮，吊车连续移动一个槽位 停止，速度为低速；如果操作人员按住按钮不放，吊车以中速横向移动，到达 下槽位附近，吊车不减速，到达槽位定位点也不停止，直到到达目标位减速 位之前操作人员松开横移操作按钮，吊车立即减速为低速运行并自动准确停在 目标位定位点。这种方式优点在于操作人员按住按钮不放时吊车移动速度快。 缺点是，如果操作人员疏忽，在吊车移动至减速位和槽位定位点之间松开按钮， 吊车来不及完成减速，就会跑过定位点再停下来，此时错误处理程序会给出错 误报警信号，进入故障状态，需要用点动状态来做好调整才能重新回到手动状 态。这两种手动模式还有共同的缺点：一、手动移动吊车时操作人员都必须随 吊车一起移动，而生产线两边都有支撑柱，操作人员必须不断让开这些支撑柱， 操作不便；二、程序中都未加入主动保护，只有两车之间的防撞保护和超限位 保护，都可能在误操作时发生撞车或将吊车开出其运行范围，此时虽然能够起 到保护作用，发出故障信号，进入故障状态，不会造成损坏，但错误已经发生， 必须转换到点动模式进行调整以后才能转换到手动模式，操作不便。 笔者在p r o t e k 公司作项目实践中已开发设计出第三种手动模式。方案是， 在手动操作控制面板上增加一个“开始 ( 或称为“确定 也可以) 按钮，操作 4 第1 章引言 时操作人员希望吊车横移几个槽位( 向前或向后) ，就相应按几次横移按钮( 向 前或向后) ，然后按一下“开始”按钮，吊车就自动移动到目标槽位，在吊车到 达目标槽位减速位之前，吊车一直中速移动( 当然也可以加入高速，但笔者认 为手动操作时快速为中速就足够了，没有必要太快) ，到达目标位的减速位时， 吊车减速为低速移动，在目标槽位定位点准确停止。如果操作人员按下“开始” 按钮之前发现误操作，只需要终止操作，等待2 秒钟，原来所发出的信号就会 自动消除( 此处也可以加一个清除按钮，但会使操作按钮总数增加，笔者认为 没有必要) 。此方案操作非常简便，停位又准确。另外，在程序中还加入了主动 安全保护，程序在接受操作人员输入的目标移动槽位时，要检查相邻吊车的当 前槽位和目标移动槽位以及该吊车允许移动范围。将该吊车的当前槽位数加上 或减去( 对应向前或向后) 输入的目标移动槽位数作为目标槽位数，目标槽位 数与相邻吊车的当前槽位数和目标槽位数两者中的最小距离要大于或等于安全 距离，否则取与相邻吊车当前槽位数和目标槽位数两者中的最小距离等于安全 距离的槽位数作为目标槽位数。同时还要检查目标槽位数是否超过允许移动范 围，如果大于或小于了允许的最大槽位数或最小值就取最大或最小允许槽位数 作为目标槽位数。如此一来，随便操作人员怎样操作，都不会发生撞车和超范 围的错误。这部分程序写出来比前两种方案就复杂得多，但效果很好，现己被 p r o t e k 公司作为手动操作模式的标准方案使用。 3 自动控制模式 自动控制模式是大规模生产时使用，设各自动周期运行。吊车的运行流程 的控制是关键，吊车控制程序设计是根据生产工艺流程，将吊车需要完成的动 作规划成若干步，再将吊车步骤按特定的规则u j ( 与p l c 程序相对应的编码方 式，不同方案编码不同，目前有日本方案、台湾方案、香港方案等) 编写成十 六进制代码，写入p l c 的数据存储区( d m 区) 的相应部分。p l c 运行时，程 序对d m 区的流程代码进行解码，控制吊车和周边设备的运行。此方案的特点 是程序适应性强，当生产流程发生变化时，只需要根据生产工艺流程规划吊车 运行流程然后编写程序代码并写入p l c 的d m 区就可以了，并且可以运行多套 流程。吊车的运行流程是通过人工绘制一种业内称为“t i m e w a y 图 来规划的。 以某p c b 生产企业的一条沉铜生产线为例( 见表卜1 ) 。此表反映的工艺要 求主要有两方面，一是工件放入各工位的顺序，二是工件在各工位的处理时间 范围。要实现这两点要求看似不难，最简单的办法就是用一部吊车将工件从上 第l 章引言 料位吊起，然后移动到第十五号槽位放入槽中并停留要求的时间以后提起，以 后就按要求的顺序将工件放入各个工位并停留相应要求的时间后提起放入下一 工位，直至完成全部处理工序并下料。吊车在各工位的停留等待时间用p l c 内 部计时器计时就可以完成，控制并不复杂。但是，计算一下可以发现生产线每 生产一挂产品所需要的时间至少在1 0 0 分钟以上，生产线产能极低，吊车绝大 部分时间都在等待，各槽位利用时间也很短，所以根本不符合生产实际。 如果我们让吊车将前一工件放入槽中不在原地等待，而是去别处吊工件就 可以提高吊车利用率，自然也就不必等到第一挂工件下料以后再上第二挂工件， 生产线上也就不是只有一挂工件，槽位的利用率也就提高了。如此一来，吊车 的控制方面就得有较大变化了。首先是吊车什么时候该去哪一个槽位吊工件比 较合适? 如果不协调好这个问题，就会发生冲突。比如吊车正在a 槽准备提升 或正在提工件到下一槽，b 槽工件处理结束，需要吊车吊运b 槽工件到下一槽 位。一般各槽位处理时间有一定的允许波动范围，合理取舍在各槽的处理时间 就可以得到协调，但这种协调必需预先协调好。二是在一挂工件从上料到下料 这段时间( 产品加工周期) 最多可以上多少挂工件在生产线上，也就是生产线 上最多同时有多少挂产品在槽位中，用产品加工周期除以此数就可以得到生产 周期。我们总是在能够协调好吊车到各个槽位吊运工件的前提下尽量多增加工 件在生产线上，以提高槽位和吊车的利用率，同时又缩短生产周期，提高生产 线的产量。前述两点就是吊车运动流程的规划问题。三是如何将前述规划的结 6 槽弓入槽顺序工艺名称 处理时间 滴水时间 4 89 商锰酸钾 7 7 3 0 ”l0 ， 4 71 0 回收水洗 l - 2 4 6l l 水洗 l 2 4 51 2 水洗+ 喷淋 5 0 ”3 4 41 3 水洗 2 - 3 5 ” 4 31 4 中和 5 - 6 1 0 ” 4 2 1 5 水洗 1 - 2 4 11 6 水洗 l ，- 2 4 01 7 水洗 l ，- 2 5 ” 3 98 水洗 l - 2 5 ” 3 87 水洗+ 喷淋 l 2 3 76 水洗 l 2 3 6 5 澎润 5 2 0 ”- 6 1 0 竹 3 5 4 中转( 3 ) 3 4 1 8 酸洗 6 5 0 ”- 7 3 0 ”1 0 。 3 31 9 回收汤洗 l - 2 3 22 0 水洗 l 2 3 l2 1 水洗 1 3 5 ” 3 02 2酸洗 3 0 ”1 1 0 ” 2 92 3 水洗 l 2 2 82 4 水洗 l 2 5 2 73中转( 2 ) 2 6 2 5 微蚀 l 2 1 0 ” 2 52 6 水洗 l 2 2 42 7 水洗 l ，2 5 ” 2 32 8 酸洗 1 2 1 旷 2 22 9 水洗 4 0 ”- 2 2 l3 0 水洗 l 2 5 ” 2 03 1预浸 5 旷1 2 0 ” l o 1 93 2 催化剂 4 5 0 ”5 3 0 ”1 5 竹 1 83 3 水洗 1 - 2 1 73 4 水洗+ 喷淋 l 2 1 63 5 水洗 2 - 4 5 竹 1 52 中转( 1 ) 1 43 6活化 2 3 0 ”4 l o 竹 1 33 7 水洗 l o ”1 1 23 8 水洗 l o ”1 l l 3 9 热水洗 l o 竹- l 5 ” l o 沉铜 9备用 沉铜 1 7 1 9 l o ” 8 沉铜 7 沉铜 6 4 0 沉铜 1 7 1 9 1 0 ” 5 沉铜 44 l 水洗 3 0 - 2 34 2 水洗+ 喷淋 l 3 24 3 水洗 2 - 3 2 0 ” l l 4 4 上下料3 以上 表l - ! 某沉铜线工艺流程要求 7 第1 章引言 果反映在吊车的控制当中去? 前面提到的对工件的入槽时间进行计时，我们实 际上就可以有两种方案。一是对应每个槽位设置一个p l c 内部定时器，当工件 进入该槽位就起动相应定时器，定时器时间到了动作，吊车就吊起工件转运到 下一槽位去继续处理。二是只用一个p l c 内部定时器，每当吊车将工件放入槽 中就起动定时器，但在不同槽位计时时间不同。这些时间设定值存放在p l c 的 数据存储区( d m 区) ，每一个槽就对应一个d m 字，程序运行时就不断读取这 些对应的d m 字中的值。第二种方案比第一种方案好，因为它更容易管理，生 产不同产品时我们可以设定不同时间并存储在不同的d m 区，程序运行时通过 外设的选择开关将指针指向相应的d m 区就很方便，不必去写很长的选择程序。 同理，如果把吊车运行的流程写在程序中，程序也很复杂，修改难度大，适应 性很差，要实现同一条生产线生产两种或更多产品难度就很大。如果根据规划 结果把吊车运行流程也按某种预先约定的规则编写成一种编码存放在p l c 的 d m 区，程序运行时不断读取这些吊车运行流程代码去控制吊车的实际运行，程 序就简短，修改也很简单，并通过外设选择开关修改指针就可以使程序具有很 强的适应性，使多种加工工艺相近的产品可以共线生产。实践证明此方案是可 行的，而且还将控制吊车运行的各种数据融合在一起来编写控制代码。 一条自动化电镀生产线一旦调试完成，其吊车的提升、下放、横移的速度 就确定了，不允许再调整，因为各种现场检测开关和感应器都已经调整和调试 完毕，驱动电机的变频器参数也已设定，改变任何参数或调整任何检测电器都 会导致设备故障。同前述手动控制一样，上升和下降一般使用两种或三种速度 变化来控制，下降所用的时间也是一样的。但提升所用的时间就可能和手动控 制不一样。参看表1 1 的工艺流程例子，工件从药水槽转移到水洗槽或从水洗槽 转移到药水槽时，工件被提起以后就要求先停留段时间，滴去多的药水或水 以减少不同槽位里的不同液体的互相污染，简称滴水，滴水时间也编写在代码 中。当客户要求吊车将工件提升至离开液面就滴水( 中位滴水) ，然后再提升到 顶端才作移动时，提升过程就包括两次升降电机的起动和制动，此时的提升时 间就比没有滴水时的提升时间长，所以这种情况下，有和没有滴水的提升时间 是不相同的。大多数情况下，客户是要求将工件提升到顶端滴水( 高位滴水) ， 吊车在各槽的上升时间都相同。多数情况下，吊车的上升和下降时间也都相同， 只有在工件外形不规则或药液比较特殊的情况下吊车的上升和下降时间才不 同。横移采用三种速度变换拖动，移动一个槽位用低速，移动两个槽位用中速， 移动三个槽位以上首先用高速，到达目标槽位的相邻槽位时减速到中速，在目 3 第1 章引言 标槽位减速位置和目标槽位定位点之间都用低速。只要仔细调试就可以使吊车 横移时间可以根据移动的目标槽位数计算( 计算方法见下一章) ，又由于吊车在 将工件放入槽中就会离开该槽位去其它槽位吊运工件，所以前述用一个p l c 内 部定时器计各槽处理时间的方法就不再可行了。如果对应每个槽位设置一个定 时器，定时器的定时时间值使用前述d m 区填写也可以使程序具有较好的适应 性。有些槽位时间较长，必须专门用一个d m 字填写一个槽位的处理时间，不 能包含在吊车运行流程的控制代码中。再深入分析也可以发现，从吊车将工件 放入某槽位开始离开本槽位到再次来到该槽位的时间是确定的( 根据规划结果 知道) ，我们只要用定时器对吊车来到目标槽位到开始提升工件这段时间进行计 时就可以了，而这个时间不太长，就可以编写在吊车运行流程的控制代码中， 而且一部吊车只用一个定时器就可以了。 当生产线的槽位数目比较多时，用一部吊车吊运工件槽位的利用率就不高， 生产周期还是较长，也就是产能不高。为了提高生产线的产能和设备利用率， 我们可以增加吊车数量，各吊车分段又互相配合完成全部吊运任务。这样做带 来的新问题是必须协调好各吊车的关系，防止吊车之间发生撞车事故，同时也 要增加一些保护措施。吊车数量的增加使生产线的产能提高了，但并不是吊车 越多产能就越高，产能还受其它因素的影响。吊车太多，吊车之间可能产生的 拥挤也就越多，吊车的停留等待也就越多，吊车的利用率也就低。一条自动化 表面处理线需要多少吊车需要根据用户的产能要求、工位数和工艺流程特点综 合考虑。 1 2 2 副循环( s u b c y c l e ) 在一条表面处理生产线中，各工位的处理时间的长短总会有长有短，多数 情况下会有部分工位的处理时间比其它工位的处理时间长很多。当吊车数量足 够多时，这些处理时间长的工位就成为制约产能进一步提高的主要因素。例如 表卜1 中的沉铜工位的处理时间要求是1 7 - 1 9 分钟，再考虑吊车将工件吊入和 吊出此工位所需要的大约7 8 秒钟时间，如果此生产线只有一个沉铜槽位，即使 有足够多部吊车，其生产周期也会大于1 9 2 0 分钟以上。此时，沉铜槽的利用 率已达到了最高，而其它槽的利用时间仍然比较低，同时也制约了生产线的产 能的进一步提高。如果像表卜l 中那样用5 、6 、7 三个槽位作为沉铜槽( 8 、9 、 1 0 为沉铜备用槽) ，此时三个槽位作用相同，我们称它们为同位槽( 此也反映了 工位与槽位的区别，同位槽就是同一工位的各个槽位) ，并且轮换吊运同位槽的 9 第1 章引言 工件，即将5 号槽工件吊走以后，又放入另一挂工件，下一个周期就吊走6 号 位工件并放入新的工件，第三个周期又吊走7 号槽位工件并放入新的工件，到 第四个周期又重复原来第一个周期的工作，这样在5 号槽放入的工件的处理时 间就是三个周期减去将工件开始吊出槽位到将新的工件放入此槽位的时间差。 如此处理以后，如果其它条件都能满足的话，沉铜的时间要求是确定的，周期 时间减小为大约原来的三分之一，这就大大提高了其它槽位的利用率和设备的 产能。由于生产线是周期性的在不断循环，而吊车又是周期性的轮流吊运这些 同位槽的工件，所以从控制的角度我们将这样的用法称为副循环( s u b s y c l e ) n 1 。 1 2 3 其它相关控制 当一条表面处理生产线有两部或两部以上吊车时，控制编码中还设置了检 查相邻吊车是否已离开本吊车将要到达的目标槽位的步骤，简称联锁。当一部 吊车将要移动到某槽位，而相邻吊车又曾经到过此槽位的最小安全范围以内， 吊车在移动之前就需要检查相邻吊车是否已经离开这些位置，以确保不会发生 撞车事故，此时就要用到联锁，这样的防范措施是主动防撞安全措施。 前面已经提到p l c 要向上位机发送生产资料信息，在p l c 程序中是通过对 每一挂工件在上料时就对应给定一个编号( 简称料号) 来实现的。在存储区设 定一个存储字( 或两个) ，这个存储字在上料时就自动加l ，同是又在存储区开 辟一个区域，这个区域存储字的总数等于槽位总数或槽位总数的两倍( 视周期 长短和需要而定) ，并依次对应于各个槽位，用来存放相应槽位内的工件料号。 这些料号总是随工件位置的变化而移动相应的位置，同是也为每部吊车分配一 个( 或两个) 存储字用于存放吊车所提起的工件的料号。这样就可以在上位机 监视各挂工件的实际生产情况，下料时这些料号就自动消失，但能存储在上位 机电脑里面。 为了使p l c 程序能方便的识别槽位号码和相应辅助设备的一些特征，还设 置了槽位特征代码存放在存储区，但与本文关系无关，在此不予说明。 其它辅助控制在此也不作说明。 1 2 4 编码叫 p l c 控制程序的吊车控制部分的主要功能就是读取存储在相应d m 区的吊 车运行流程控制代码并解码，实现对吊车的控制。 目前普遍使用的垂直升降式自动化电镀生产线的最初方案大致相似，后来 1 0 第1 章引言 经不同的深入再开发形成了不同类型，主要区别就在于控制方面。在编码方面 主要体现在编码方案和编码长度不同两个方面。日本工程师用六个字记录一个 步骤编码，台湾工程师用四个字记录一个步骤编码，我作项目所在p r o t e k 公 司( 港资) 用两个字记录一个步骤编码，此编码方案在我国使用较多，设备制 造商多为港商，习惯称为香港方案。尽管这些编码方案不同，但是规划吊车运 行流程却是相同的。 香港方案中，控制吊车提升和下放是用步骤编号的奇偶性来实现的，提升 步的步骤号为单数，下放步的步骤号为双数。吊车控制的“步”是如下定义的： 单数步移动到目标槽位+ 等待+ 提升十滴水 双数步移动到目标槽位+ 下放 其中，等待的时间等于o 就表示不等待；滴水的时间等于o 就表示不滴水；移 动的目标槽位号等于当前槽位号( 前一步的目标槽位号) 就表示吊车不移动； 提升和下放动作可以没有。 总之，表面处理线控制的关键是吊车的控制，吊车控制的关键是读取编码 并解码完成控制。 1 3 课题的提出 随着现代科学技术的发展，产品生产工艺要求不断提高，产能要求也不断 提高，原来用人工绘制t i m e w a y 图规划吊车运动流程的方法的局限性( 1 、规划 过程无规律，工作复杂，规划时间长。2 、难于获得最小生产周期，不能充分提 高设备利用率) 限制了自动化表面处理线的进一步发展。实际应用迫切需要找 到一种规律性算法，才能实现自动规划，而且还要使生产周期最小化，使复杂 而又专业化的工作变得简单。这一课题是根据非连续量确定非连续量的问题， 具有运筹学范畴优化问题的特点，经过深入研究，且前没有成熟的算法可利用 嗍_ “1 。因此，我将自动化表面处理线吊车运动流程规划作为了本次研究课题。 1 4 本文主要工作 本文主要研究自动化表面处理线吊车运动流程规划方案，具体要作如下工 作： 1 、分析传统的人工规划方法，确定本规划方案要实现的目标。 2 、研究吊车在某缸位开始提升工件的时刻与生产工艺时间和周期之间的数 学关系。 第1 章引言 3 、研究吊车在某缸位将工件下放完毕的时刻与生产工艺时间和周期之间的 数学关系。 4 、研究决定生产周期的因素，给出确定生产周期范围的方法。 5 、找出使工件在缸中的处理时间尽量接近理想值的调整各工位处理时间的 方法。 6 、研究根据工艺要求规划吊运流程的方法。 7 、研究吊车吊运任务分配方案。 8 、详细研究各环节具体算法。 9 、对比分析本次研究的规划方案的实际工作效果。 1 0 、总结本次研究的结论和解决多阶段决策问题的方法。 1 5 章节内容安排 第l 章对垂直升降表面处理线目前的控制方案和相关术语作简要介绍，并 对本文的主要工作作介绍。 第2 章分析传统的人工规划方法，并归纳吊车运动流程规划要达到的目标。 第3 章主要研究吊车在各槽位提放工件的时间与工件在各槽位处理时间的 数学关系。 第4 章研究根据工艺要求规划吊运流程的算法。 第5 章研究各环节的具体算法。 第6 章对本课题的研究结论和工作做总结。 1 2 第2 章用t i m e w a y 图规划吊车运动流程的现状分析 第2 章用ti m e w a y 图规划吊车运动流程的现状分析 2 1t i m e w a y 图的绘制 还是以表卜l 为例，首先让我们看一看表卜1 用户给的要求，该表中第二 栏写明要求基板( 作电路板的基本骨架) 进入沉铜线以后浸入各槽的顺序，第 四栏写明了电路板浸入各槽的浸泡时间范围。第五栏写明了电路板从水洗槽提 起以后进入药水槽之前和从药水槽提起以后进入水洗槽之前要求的滴水时间。 绘制t i m e w a y 图，就是建立一张表格，横坐标表示时间，范围为一个生产 周期t ，纵坐标表示槽位编号。为了使图面整洁，一般以十秒为一个单位画一条 纵向线，以一个槽位为一个单位画一条水平线，见图2 - 1 。图中向上的三角形表 示提升飞钯回，向下的三角形表示下放飞钯。三角形下面的横线长度表示吊车提 升或下降所需时间。此例采用中位滴水，无滴水槽位提升时间t 。是6 秒，有滴 水槽位提升时间t 坤是1 0 秒，下放时间t 由耶是6 秒。因为吊车在要移动两个槽位 以上距离时会加速到高速移动，高速又是比较快的。这些运动时间是根据的槽 宽和吊车重量现场调试变频器参数来调节吊车速度确定的。产品从某一个槽转 移到另一个槽，吊车至少需作移动( 向前或后) 、提升至高位、移动至目标槽位、 下放至低位四个动作。有时在移动之后需等待一段时间( 此动作称为等待) 才 作提升动作，在有滴水要求的槽位提升以后要先滴水才移动至目标槽位。当我 们不知道吊车原来位置时，就在图中绘出表示提升( + 滴水) + 移动+ 下降的符号， 这三个动作是不可分离的，吊车移动用斜线表示，滴水时间标在三角形的后面。 吊车提起一个飞钯必需根据工艺要求中的顺序放到目标缸。吊车下一步到 哪一个缸提升工件则取决于工艺流程和调整的情况。图2 - 1 中飞钯从1 5 号中转 槽( b u f f e r l ) 转移到2 7 号槽( b u f f e r 2 ) 以后，需要停留的时间超过了本周期 所剩余的时间，从2 7 号槽的提升便进入下一个周期，因此，2 7 号槽的提升动作 就出现在下放动作之前。由于吊车是周期性的不断运行，凡是提升动作出现在 下放动作之前的，在实际生产时，除了第一个周期以外( 在先提升后下放的槽 位，运行第一个周期前需要预先放上空的飞钯) 都是先放入以后再提起飞钯， 。飞钯：一种用来挂工件和挂具的装置，需要通电流时也作为电流的引入设备。吊车提升工 件时，飞钯挂在吊车的挂钩上，连同挂具和工件一并被提起。上料时，挂具和工件被挂在 飞钯上，下料时，挂具和工件从飞钯上被取下。 1 3 第2 章用t i m e w a y 图规划吊车运动流程的现状分析 这些需要预先放入飞钯的位置称为原始飞钯位，图中在左侧画上一个三角形表 示( 见图2 - 2 ) 。图2 - i 是根据较理想的各槽浸泡时间排列的情况，排列开始时， 假定吊车从上料位开始提升时刻为周期起点。在处，4 0 号槽正有飞钯下放的 同时又要求提升3 9 号槽的飞钯，一部吊车做不到，两部吊车又会撞车，因此， 这种情况是不允许的。在处，同时有六只飞钯需要转移，但整个生产线只有 四部吊车，所以这种情况也是不允许的。在处，在4 4 号槽下放飞钯完毕以后 才要求提升4 3 号的飞钯，但是吊车从4 4 号槽移动到4 3 号槽需要6 秒钟时间， 而这里的时间间隔为o ，所以这种情况也是不允许的。另外，所有任务必须在一 个周期内完成，不可跨越周期。图2 - 1 中还有很多类似的情况，这里略。 图2 - 2 是手工反复调整完毕后的结果，这样的结果不是唯一的，不同的人 作调整得出的结果就不一样，周期也不一定是最短的。图中的4 条曲线对应4 部吊车的移动轨迹，也反应出了吊车提放飞钯的情况，三角形前面所标的时间 是吊车移动到目标槽位以后到开始提升之前的等待时间。图2 - 2 中的编号和带 箭头的线是我作此项研究时所在p r o t e k 公司所用的编码方案的步骤编号和防撞 编号关系，与此处讨论问题无直接关系。 2 2 用t i m e w a y 图规划吊车运动流程分析 用t i m e w a y 图作规划设计，一般可任选一个槽位的飞钯提升作为开始，估 计一个可能的最小周期时间，按照工艺流程要求飞钯入槽顺序，在允许的浸泡 时间范围内取浸泡值来排列并画出全部需要吊车做的提升、移位、下放动作。 然后在允许的浸泡时间范围内初步调整，确保图中没有上面提到的图2 - 1 中所 出现的那些不允许的情况。调整任何一个位的处理时间都会影响到它后面所有 工位提升、下放的时刻，这些动作之间的时间关系都会发生变化。有时，周期 的取值不是很理想，这种调整工作有时会遇到很多矛盾，有时又很顺利。最理 想的情况是周期最短，各槽处理时间接近理想值( 一般为中间值) ，需要吊车做 的动作在整个周期分布比较均匀，无前述冲突。在作上述要求动作排列时，用 手动规划一般从上料位开始，主要原因是上料( 下料) 位的时间只要能保证生 产时操作人员能有足够操作时间就可以了，时间的可调范围较大，整个要求动 作排列完了作一下验证符合要求就行，这样可以使调整工作更方便一些。 为了充分利用副循环的槽位，缩短周期，提高生产效率，要求副循环槽位 要先提走飞钯，在同一周期内又放入新的飞钯，这样副循环的槽位利用率就高， 周期也就可能尽量短。而我们前述排列的结果不一定就是提升在前，下放在后， 1 6 第2 章用t i m e w a y 图规划吊车运动流程的现状分析 这时就要改变原来设定的羔号位提升时刻为零的起点，重新将副循环提升之前 的某时刻作为零时刻( 若有多个副循环，就要取全部副循环提升动作之前的某 个公共时刻作为零时刻) ，此时虽然周期起点变了，但相互之间的基本关系变化 较小，只需要根据前面排列结果作简单调整就可以了。 根据吊车的移动范围( 两部吊车移动范围都有部分交叉，交叉槽位数目视 具体情况不等) 分配吊车任务，在确保吊车不相撞的前提下确定吊车运动路线。 当需要等待时，视具体情况可以在移动前先等待再移动到目标槽位，也可以移 动到目标槽位再作等待。在图中用前述方法将吊车移动的位置与时间的关系绘 制成曲线，周期的首末要连接成闭合的曲线。 用t i m e w a y 图规划吊车运动流程的实质就是将吊车的位置与时间的关系表 示在一张网格上，利用吊车运动曲线在网格中的位置反映吊车实际运行时的轨 迹，通过观察反映吊车运动情况的特定符号来判别吊车是否能够完成生产要求 的任务，从而作出必要的调整，最终实现生产工艺的要求。 这一规划过程通常需要多次反复调整，修改多次才能得到比较满意的结果。 通常即便已满足用户要求的方案也不一定是最优方案。 2 3 吊车运动流程规划的目标 归纳起来，吊车流程规划的目标是如下三点： 1 满足生产工艺流程的要求 生产设备是用于工业生产的，当然吊车的运动流程要满足生产工艺的需要。 具体的讲就是：a 从上料位开始，吊车必须将飞钯按工艺流程要求的顺序吊入 各槽位：b 飞钯在各工位停留的时间必须控制在工艺流程所要求的范围内。 2 吊车的运动周期最短 吊车运动周期最短，也就是出产品的节奏最快，就使生产线的产量达到了 最高。科学的规划方案不仅能提高吊车运动流程规划工作效率，更重要的在于 最大化的提高生产线的产能。 3 飞钯在各工位的停留时间尽可能接近理想值 各工位的处理时间就是飞钯在各工位的停留时间，其理想值绝大部分就是 给定范围的中间值，只要控制在给定范围都不影响产品质量，若能尽可能控制 在给定范围中间值就最理想。少部分槽位的处理时间就要求尽量长或尽量短， 其理想值就是在可能的情况下的最大值或最小值。例如，上下料位的时间要求 第2 章用t i m e w a y 图规划吊车运动流程的现状分析 一般都是多少分钟以上并且尽量长。电路板沉铜线的活化处理后面的水洗时间 一般都要求控制在5 秒至3 0 秒之间并且尽量短。 1 8 第3 章吊车运动流程的数学分析 第3 章吊车运动流程的数学分析 3 1 吊车开始提升和下放完毕时刻与生产工艺时间之间的关系分析 此处分析吊车运行的相关时间与工艺时间之间的关系暂不考虑可行与否等 约束因素。 3 1 1 吊车开始提升和下放完毕时刻与生产工艺时间之间的基本数学关系 参照t i m e w a y ，设吊车提升所用时间为t u p ，下降所用时间为t d o 帅，大多数 情况下t t l d 气d o 啪，也有部分生产线中上升与下降时间不等，少数生产线要求吊车 提升在中间高度滴水，不同槽位上升时间也不相同，但这些都预先根据用户的 要求可以知道，为了具有通用性可将上下时间与槽位联系起来，第i 个工序位上 升时间用t u p i ，第j 个工序