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1 第七章物流系统设计 物流 Logistics 通常由运输 Transport 物料搬运 MaterialHandling 仓储 Warehouse 配送 Distribution 包装与流通加工 PackagingandProcessing 信息 Information 等基本环节组成 2 7 1总体设计7 2上料装置设计7 3机床间工件传送装置设计7 4自动化仓库设计 本章介绍的是制造业中的物流系统 3 7 1总体设计 物流是指从原材料和毛坯进厂 经过储存 加工 装配 检验 包装 直至成品和废料出厂 在仓库 车间 工序之间流转 移动和储存的全过程 物流 即物料的流动过程 物流贯穿着生产的全过程 是生产的基本活动之一 在制造业中 从原材料入厂到成品出厂 产品生产的整个过程 仅有5 的时间用于加工和制造 剩余95 都用于储存 装卸 等待和输送 在总经营费用中20 一50 是物料搬运费用 因此 在降低生产成本 降低销售成本的同时 降低物流成本显然是一个不能忽视的方向 4 7 1 1物流系统的功能 原材料和毛坯 外购件 在制品 产品 工艺装备的储存及搬运 做到存放有序 实观自动化 加工设备及辅助设备的上下料实现自动化 以提高劳动生产率 工序间中间工位和缓冲工作站的在制品储存 加工工位间工件的搬运应及时而迅速 减少工件在工序间的无效等待时间 物料的运输方式和路径能够及时优化 物料流的监测 判别等监控 5 7 1 2物流系统的类型 A型 直线 输送系统 利用输送小车或输送带作为输送工具 输送装置沿机床一侧或从机床中间直线通过 输送装置简单 存储功能小 需要设立中央储存库存放工件及夹具 适用于直线排列的机床输送料 6 B型 环行 输送系统 利用输送小车或输送带作为输送工具 输送装置沿机床一侧或从机床中间环行通过 输送装置简单 储存功能小 常需要设中央存储存放工件及夹具 适用于直线排列的机床 或环形排列的组装工位的物料输送 7 C型 由许多个随行夹具和托板组成的环行输送系统特点 采用连续运行的方式 可利用托板上的编码器来自动寻找地址 所以能任意编排工件的输送顺序 输送系统本身有较大的存放功能 8 D型 采用工业机器人 圆柱坐标 极坐标 架空式直角坐标型 完成中等尺寸和不太重工件的短距离输送和装卸工作 一台机器人可以为2 3台机床服务 特点 能随机输送工件 机床有较好的敞开性 9 物流系统合理化设计 各种生产设施配置合理 减少物流的迂回 交叉 往返等无效搬运 减少库存和在制品 缩短物料的停滞等待时间 选用适当的装卸搬运方式和机具 厂内外运输近便 协调 有机衔接等 物流系统设计是把物流全过程所涉及的装备 器具 设施 路线及其布置作为一个系统 运用现代科学技术和方法 进行设计和管理 达到物流系统合理化的综合优化过程 10 7 1 4设计方法与步骤 在物理特征方面有尺寸 质量 密度和形状等 还有数量 时间性 特种控制 政府法规和操作规程等 其中物理特征往往是物料分类最重要的因素 1物料分类 物料按形式分 固体 液体 气体 按种类分 散装料单独料包装料 11 2物流系统布置方案 机械制造的生产过程属于离散型 从原材料采购入库开始 经过备料 热加工 冷加工 热处理 装配 检验和产品入库等一道道工序逐渐加工成产品 每道工序在不同车间或工作中心进行 上一道工序结束时工件不一定马上能进行下一道工序的加工 工件在工序间需要建立存储缓冲区 以协调上下序 在制订物流系统布置方案中应合理地选择仓储设施的位置 12 13 3物料流动分析 按每类产品或物料 沿整个生产过程 即从原料到成品库的全过程进行流程分析 绘制物料流程图 将所有产品或物料按每条起讫点路线进行汇总 绘制物流图 进行物料流动分析 在物流图上 长距离大物流量的搬运是不合理的 应该改进平面布置或工艺流程 物流量大而距离短的搬运是合理的 可以单独进行 物流量小而距离长的搬运会引起运输费用的增加 应将若干项具有类似性质的物流组合起来进行搬运 确定仓储设施的容量 14 4物料搬运设备选择 搬运设备根据物料形状 移动距离 搬运流量和搬运方式进行选择 可分成四类 适用于短距离和低物流量的简单输送设备 如叉车 电瓶车 步进式输送带和输送辊道等 适用于短距离和高物流量的复杂输送设备 如带有抓取机构的在两工位间输送工件的输送机械手 斗式提升机和气力输送机等连续输送机 适用于长距离和低物流量的简单运输设备 如汽车等运输车辆 适用于长距离和高物流量的复杂运输设备 如火车 船舶等 正确选择搬运设备是提高搬运效率 降低搬运成本的重要措施 15 16 17 18 19 20 5仓储设施的选择 原材料 外购件 零部件成品 产品成品 维修件和备件通常储放在厂级库中 这类仓库储存物料的种类多 储存量大 进出库流量大且频繁 许多现代化企业采用立体仓库 实现物流机械化和管理自动化 车间级和工段级库属于中间仓库 暂时存放维持车间和工段生产需用的物料 包括原材料 在制品 工夹量具等 这类仓库由于储存物料的种类相对少一些 储存量相对小一些 进出库流量相对小一些 仓储设施的形式按其功能分有原材料库 外购件库 在制品库 零部件成品库 维修件和备件库 产品成品库 工夹量具等工艺装备库等 按级别分有厂级库 车间级库 工段级库和工序级库等 21 22 6实施计算机仿真和进行方案修改 物流系统规模大 投资费用高 结构形式 运输方式都很复杂 许多实际问题事先难以考虑周全 过去 只能是建造完以后 才能发现问题 只好通过局部拆除 返修 调整才能达到预定目标 现在借助计算机进行物料的调度输送动态仿真 内容为 将物流系统的作业过程编制成许多独立的程序 每个程序执行一种功能 将这些程序编制在一起 排定顺序 构成级别 形成一个完整的调度模块 物流系统是整个生产过程中的一部分 是从属于加工制造过程的 23 7方案评价 方案经过计算机仿真和修改后 根据技术和经济两方面对提出的物流系统方案逐个进行分析比较 从中选出最合理可行的方案 7 2上料装置设计 7 2 1类型与特点1类型上料 送料 是将毛坯送到加工位置的过程 机床上料装置有人工上料和自动上料装置两种 24 1 人工上料装置 在普通机床上 上料过程由人工操作 耗时 耗体力 适用于单件小批生产或者加工大型的或外形复杂的工件 在大批量生产中 使上料过程机械化 辅助时间进一步缩短 免除了繁重的体力劳动 采用机器人或自动运输小车对数控机床进行上下料 构成柔性制造单元 已是当今自动化发展的趋势之一 2 自动上料装置 25 2上料装置特点 上料耗时少 缩短辅助时间和提高生产率 上料平稳 无冲击 上料装置构造简单 工作可靠 上料装置适用范围大 满足工件的一些特殊要求 如用机器人搬运一些轻薄零件或易碎的零件时 机器人手爪部分应采用较软的材料和自行调整握紧力的大小 以免被夹持工件变形和破碎 26 7 3 2料仓式上料装置设计 单件毛坯的尺寸较大 形状较复杂 难于自动定向时 采用料仓上料机构 人工或专门的定向装置不断地将单件毛坯以一定方位装入料仓中 再由料仓送料机构自动地将单件毛坯从料仓送到机床上 料仓式上料装置应用在大量和大批生产中 所运送的毛坯可以是锻件 铸件或由棒料加工成的毛坯和半成品 由于料仓是上料机构需要手工加料 因此适于加工时间较长的零件 1功用和组成 27 28 7 3 2料仓式上料装置设计 料仓 料仓的作用是储存毛坯 料仓的大小决定于毛坯的尺寸及工作循环的长短 为了使工人能同时看管多台机床 毛坯的储存量应能保证机床连续工作10 30min 按照毛坯在料仓中的送进方法可将料仓分为两类 即靠毛坯的自重送进和强制送进 结构最简单 料仓系用薄钢板制成 料仓的导向槽表面要经过热处理使硬度达到45 50HRC 并具有较高的表面粗糙度 通常料仓的两壁做成开式 以便观看毛坯运动及装料情况 料仓的侧壁往往做成可调节的 以适应不同长度的工件 料仓位置可以是垂直的或倾斜的 在曲线式料仓 图b 中 曲线的形状和倾斜角度的选择要考虑到装料的方便 最大的容量以及保证毛坯在料仓的槽中可靠而平稳地运动 螺旋式的料仓 图c 多半用来送进圆锥体和具有轴肩的圆柱体 料仓由薄铜板制成 很少用铸件来做 螺旋式料仓的形状和大小决定于毛坯的尺寸和锥度 如果毛坯的锥度不大 而长度相当大时 则料仓可做成一圈螺旋的式样 如果送进短的圆锥体 螺旋式料仓可做成多圈的螺旋 管式料仓 图d 用来送进平的圆盘料 制造这种料仓可用内表面经过很好加工的钢管 为了便于观察和便于装填毛坯 在管上做出两道纵向槽 管式料仓可以垂直或倾斜地装在机床上 料斗式料仓 图e 特点是能容纳大量的毛坯 由于料斗容积较大 每次人工装料可以间隔较长的时间 这类料仓的落料口处常有毛坯搅动机构 防止在落料口的上面 毛坯堆成拱形而堵塞出口 料斗式料仓侧壁的位置可以调节 以适用不同长度的毛坯 料斗 料箱式料仓 图f 的特点是采用料箱进行装料 以加快装料的速度 事先将毛坯在料箱中按一定的方位装好 当料斗需要装料时 把装满的料箱放在料斗上 揭开料箱的活动底板 毛坯就从料箱落于料斗内 为了使毛坯有足够的储备量 以便长时间连续工作 一个料仓常配备几个料箱 29 7 3 2料仓式上料装置设计 料仓 当毛坯的质量较轻不能保证靠自重可靠地落到上料器中 或毛坯的形状较复杂不便靠自重送进时 采用强制送进的料仓 用重锤的力量推送毛坯 用弹簧力量推送毛坯 图c的毛坯放在由两套三角带传动轮组成的V形槽内 靠皮带摩擦力进行推送 这类机构中具有驱动机构 机构较为复杂 常用于轴承加工机床上用来送进座圈 圆柱滚子和圆锥滚子等 图d的毛坯放在链条的凹槽上或钩子上 靠链条的传动把毛坯送到规定的位置 这类链式料仓常用在多轴自动机床和单轴转塔自动车床上 送进长的轴和套筒等 图e为圆盘式料仓送料机构 其料仓是一个转盘 毛坯装在转盘周边的料槽中 圆盘间歇地旋转将毛坯对准接收槽 并沿接收槽滑到上料器中 这类送料机构常用以送圆盘 套筒 光轴和阶梯轴等零件 30 7 3 2料仓式上料装置设计 隔料器 作用是把待加工的毛坯 通常是一个 从料仓中的许多毛坯中隔离出来 使其自动地进入上料器 或由隔料器直接将其送到加工位置 在后一种情况下 隔料器兼有上料器的作用 如图6 4所示 1由上料器兼作隔料器这类隔料器的构造最简单 如图a b所示 当上料器送毛坯到加工位置的过程中 上料器的上表面将料仓的通道隔断 完成隔料功能 这类隔料方法的缺点是隔料时料槽内所有毛坯的质量都作用在上料器的上表面 使上料器运动阻力大 且易于磨损 2 杆式隔料器杆式隔料器如图c d所示 隔料器作往复直线运动或往复摆动运动 隔料器每作一次往复运动 从料槽中分离出一个毛坯 由上料器将其送走 采用杆式隔料器 毛坯的质量不再压在上料器上 这类隔料器大多应用在中等生产率的情况下 即50 70件 min 当生产率更高时 隔料器每次往复的时间很短 工件因其惯性有可能进不了隔料位置 工作就不可靠 由带有成形槽的圆盘或鼓轮做成 如图e所示 毛坯从送料槽落人圆盘的成形槽内 靠圆盘的转动将其送至上料器 圆盘或鼓轮的外圆面用来隔离送料槽中的毛坯 圆盘上的成形槽可很多 圆盘每转一周能送出相当多的毛坯 因此这种隔料器能在低速下保证平稳地工作 并能保证高的生产率和避免毛坯因受冲击而损坏 图f所示的隔料器 可使装在两个送料槽中的毛坯 按一定的次序交替地送到下面的送料槽中 使两种毛坯在送料槽中按一定次序排列 31 7 3 2料仓式上料装置设计 上料器 1 料仓兼作上料器图a所示当料仓自水平位置摆动到倾斜位置时 其外弧面起隔料的作用 挡住料槽中的毛坯 而料仓中最下部的毛坯的轴线正好和主轴中心线重合 由顶料杆将其顶出料仓 放到机床主轴的夹具中 待顶料杆退还后 料仓即摆回原来的水平位置 料槽中的毛坯即往料仓补充 这类上料器作往复运动 因惯性较大 生产率受到限制 2 槽式上料器图b所示的上料器有容纳毛坯的槽 接受从料仓落下的毛坯 当上料器往左运动时 该毛坯即被送到机床加工位置 此时料仓中其它毛坯被上料器的上表面隔住 由于槽式上料器作往复运动 生产率也受到一定限制 3 圆盘式上料器图c所示的上料器中的圆盘朝一个方向连续旋转 毛坯从料仓送人圆盘的孔中 由圆盘带到加工位置 加工完毕后工件又被推出 圆盘式上料器的生产率较前两种高 广泛地应用于磨床上料 例如磨滚子或轴承环的端面 4 转塔刀架兼做上料器d所示转塔自动车床 料仓固定在转塔刀架右方 转塔刀架的一个刀具孔中装有接收器 顶杆将料仓最下方的毛坯送给接受器 转塔刀架转位180 便将毛坯对准主轴轴线 转塔刀架再向左移动即将毛坯送入主轴的夹紧筒夹孔内 32 7 3 2料仓式上料装置设计 上料杆 1 采用挡块来限制毛坯送进的位置 挡块可利用筒夹上的台肩 2 靠上料杆的行程使毛坯顶到所要求的位置 图6 6f所示的上料杆装在转塔刀架的工具孔中 如图d和e所示 采用的上料杆应带有缓冲弹簧 上料杆行程略大于毛坯实际的送进长度 以便将具有较大长度误差的毛坯可靠地顶在挡块上 采用挡块来限制毛坯送进的位置 挡块可装在主轴的内部 图6 6b 转塔刀架带动上料杆将毛坯准确地顶入图c所示的主轴筒夹孔内 上料杆行程的准确度决定了毛坯送进的准确度 这里采用的上料杆是固定长度的 以保证送料的精度 33 7 3 2料仓式上料装置设计 下料杆 固定长度式卸料杆 图b 是一根装在主轴内部的杆子 可作往复直线运动 当毛坯被送入时 杆子后退 毛坯加工完毕后 筒夹松开 杆子把工件推出 然后再回到原位 带弹簧的卸料杆装在筒夹内部 图a c 当上料杆将毛坯顶入筒夹孔中时 毛坯靠在卸料杆上并将卸料杆往里推 压缩弹簧 加工完毕后 筒夹松开 在弹簧复位力作用下卸料杆将毛坯推出 34 35 7 3 3料斗式上料装置及毛坯自动定向方法 组成 一 料斗式上料装置的组成料斗式上料装置包括装料和储料两部分机构 装料机构由料斗 搅动器 定向器 剔除器 分路器 送料槽 减速器等组成 储料机构由隔离器 上料器等组成 此外 在机床上还有工件的定位夹紧机构 推出器和排料机构等 36 7 3 3料斗式上料装置 料斗 1 回转钩式料斗这类料斗常用于带孔的管套类零件 如螺母等 料斗中有一带定向钩子的回转圆盘 当圆盘回转时 钩子抓取工件并自然定向 送入送料槽 当送料槽充满工件时 通过安全离合器使圆盘停止旋转 以避免传动机构的损坏 5 桨叶槽隙式料斗料斗中有回转桨叶 拨动工件进入一定形状的槽隙而定向 并顺序进入送料槽 4 往复滑块式料斗料斗底部有一上下垂直运动的滑块 滑块上根据工件的形状开有成形槽 使工件定向 滑块上升到图示最高位置时 滑块上的成形槽与送料槽对接 在重力作用下工件滑人送料槽 2 扇形块式料斗常用于T字形零件 料斗中有一个作上下摆动的扇形块来获取工件 扇形块上有根据工件形状做的槽隙 扇形块上摆时工件落入槽隙中并自然定向 靠重力滑人送料槽 在送料槽人口处设有剔除器 避免未按要求定向的工件滑人送料槽 3 沟槽圆盘式料斗这种料斗一般是倾斜放置的 料斗中有一回转圆盘 圆盘上根据工件的的形状开有沟槽或成形孔 使工件定向 或开有径向格子 工件靠重心偏移而定向 也有靠圆盘的外圆和料斗的内壁形成一定形状的沟槽而使工件定向 料斗斜置是为了增加工件落人沟槽的机会 6 回转管式料斗料斗底部开口处有一回转管子 管子的内孔根据工件的状而定 使工件定向 管子转动时 工件即可定向落入 落入管子的工件通向送料槽 与此原理相同的方式是管子不回转 料斗回转 7 往复管式料斗料斗底部开口处有一往复运动的管子 其内孔根据工件形状而定 使工件定向 管子往复运动时 工件便可落人并滑人送料槽 料斗是盛装工件的容器 工件在料斗中应完成定向过程 并按次序送到料斗的出口处 即送料槽 故在料斗中装有定向器 为了防止工件在进入送料槽时产生阻塞 在料斗中常装有搅动器 剔除器的用途是剔除那些未按要求定向的工件 防止它们进入送料槽 37 7 3 3料斗式上料装置 搅动器 工件在料斗中由于互相挤住容易形成拱形而堵塞出口 如图a所示摇摆的杠杆 图b 和转动的缺口盘 图c 主要用来破坏小拱形 摇摆的隔板 图d 主要是破坏大拱形 此外还可以利用上料器来进行搅动 图6e 以及和其它构件结合的办法来搅动工件 料斗中 扇形块既是定向器 也是搅动器 38 7 3 3料斗式上料装置 定向器 39 7 3 3料斗式上料装置 剔除器 剔除器的作用是剔除从料斗到送料槽中一些位置不正确的工件 保证进入送料槽的工作方位正确 被剔除的工件返回到料斗中 剔除器有轮式 杠杆式等多种结构型式 40 7 3 3料斗式上料装置 送料槽 送料槽的形状可设计成直线形 曲线形 平面螺旋形 空间螺旋形 蛇形等 其基本型式如图所示 送料槽是自动上料装置中比较难设计的一个构件 要求工件能在其中顺利流畅稳速移动 不能发生阻塞或滞留现象 因此要认真考虑其倾斜角度和弯度的大小 41 7 3 3料斗式上料装置 振动式料斗装置 振动式料斗是一种典型的自动上料装置 其料斗为圆筒形 内壁有螺旋形送料槽 当整个圆筒作扭转振动时 工件将沿着螺旋形的送料槽逐渐上升 并在上升过程中进行定向 剔除位置不正确的工件 上升的工件最后从料斗上部的出口进入送料槽 振动式料斗装置应用很广 多用于钟表 仪器仪表等小零件加工中的自动上料 42 电磁振动器 主要是指衔铁 铁芯和线圈 当线圈两端接入交流电时 线圈便产生了交变磁场 磁通通过铁芯经间隙 及衔铁形成闭合回路 同时建立磁势产生一定的吸力 衔铁被吸向铁芯 使间隙 达到最小值 当吸力降到 定值时 衔铁便在弹簧力的作用下恢复原状 43 自动定向方法 1 送