机电装备设计第七章

1、第七章 物流系统(xtng)设计7.1 总体设计7.2 上料装置设计(shj)7.3 机床间工件传送装置设计7.4 自动化仓库设计 物流（Logistics)通常由运输（Transport)、物料搬运（Material Handling)、仓储（Warehouse)、配送（Distribution)、包装与流通加工（Packaging and Processing)、信息（Information)等基本环节组成。本章介绍的是机械制造业中的物流系统。1共七十二页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(lizhun)、移动

2、和储存的全过程。物流：即物料的流动(lidng)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2050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 。2共七十二页物流系统(xtng)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，实现自动化； 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

3、应及时而迅速，减少(jinsho)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。3共七十二页物流系统(xtng)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(gngnng)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。 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)。4共七十二页

4、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。D型 ： 采用工业机器人(圆柱坐标、极坐标、 直角坐 标型)完成(wn chng)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23台机床服务。 特点：能随机输送工件、机床有较好的敞开性。5共七十二页物流系统(xtng)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(niwi)运输近便、协调、有机

5、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。6共七十二页7.1.1设计方法(fngf)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(wngwng)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7共七十二页2 物流系统(xtng)布置方案 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

6、中心进行； 上一道(ydo)工序结束时工件不一定马上能进行下一道(ydo)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 。 机械制造的生产过程属于离散型8共七十二页3 物料流动(lidng)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

7、干项具有类似(li s)性质的物流组合起来进行搬运。 确定仓储设施的容量。 物料流动分析的步骤如下：9共七十二页4 物料搬运设备(shbi)选择 搬运设备(shbi)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

8、措施。10共七十二页11共七十二页12共七十二页13共七十二页14共七十二页15共七十二页16共七十二页17共七十二页18共七十二页19共七十二页5 仓储设施(shsh)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(gunl)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、

9、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。20共七十二页6 实施计算机仿真(fn zhn)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(shj)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

10、加工制造过程。21共七十二页7 方案(fng n)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(fngmin)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。22共七十二页1） 人工(rngng)上料装置 在普通机床上，上料过程由人工操作，耗时、耗体力(tl)。 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

11、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23共七十二页2 特点(tdin) 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(yxi)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。24共七十二页7.2.2 料仓式上料装置(zhungzh)设计 单件毛坯的尺寸较大(jio d)，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

12、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； 加工时间为530s左右。 1 功用和组成25共七十二页 料斗：存储成堆散乱(sn lun)工件(料仓式上料装置无料斗)； 定向机构：将散乱的工件按一定方位定向排列起来(料仓式上料装置不需要此机构)； 料仓：存放以定向排列的工件，调剂供需平衡； 料道：利用工件的自重将工件由定向机构送到存料仓或在工序间移动； 隔料器：将待上料工件与其余工件分离开，保证单一工件给料； 上料器：将一定向排列的工件按一定的加工节拍和方位送到机床夹具上(有些上料器兼有限料作用)； 卸料器：将已

13、加工完的工件由夹具上取走； 搅动器：搅动工件防止工件架空堵塞； 剔除器：将定向位置不对或多余的工件剔除。26共七十二页27共七十二页2 料仓(lio cn) 料仓的作用是储存毛坯(mop)。料仓的大小决定于毛坯(mop)的尺寸及工作循环的长短。为使工人能同时看管多台机床，毛坯(mop)的储存量应能保证机床连续工作1030min。1）靠毛坯自重送进的料仓28共七十二页 2）强制(qingzh)送进的料仓 当毛坯的质量较轻不能保证靠自重可靠地落到上料器(lioq)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。29共七十二页3 隔料器(lioq) 隔料器的作用是把待加工的毛坯(通常是一

14、个)从料仓中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(zhji)将其送到加工位置。有的隔料器兼有上料的作用。 这类隔料器构造最简单，当上料器送毛坯到加工位置的过程中，隔料器将料仓的通道隔断，完成隔料功能。 缺点：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。30共七十二页特点：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。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5070件min。当隔料器每次住复的时间很短时，工件(gngjin)因其惯性有可能进不了隔料位置，使工作可靠性下降。31

15、共七十二页 由带有成形槽的圆盘或鼓轮做成，如图e）所示。毛坯(mop)从送料槽落入圆盘的成形槽内，靠圆盘的转动将其送至上料器。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。32共七十二页4 上料器 上料器是把毛坯从料仓送到机床加工位置(wi zhi)的装置。 33共七十二页7.2.3 料斗式上料装置及毛坯自动(zdng)定向方法1 料斗式上料装置的组成 料斗(lio du)式上料装置包括装料和储料两部分机构。装料机构由料斗(lio du)、

16、搅动器、定向器、剔除器、分路器、送料槽和减速器等组成；储料机构由隔离器、上料器等组成。 1）料斗 料斗是盛装工件的容器，工件在料斗中完成定向过程，并按次序送到料斗的出口处。 34共七十二页2）搅动器 工件在料斗中容易(rngy)形成拱形而堵塞出口，如图a）所示，致使工件落料不畅。搅动器的功能就是消除落料口堵塞的现象。35共七十二页3）定向(dn xin)器 工件在料斗内或料斗外的供料槽中要进行定向，使工件按一定的位置顺序排列。定向器的作用主要是校正工件的位置，并剔除位置不正确的工 件。36共七十二页4）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(f

17、ngwi)正确。被剔除的工件返回到料斗中。37共七十二页5）送料槽 根据(gnj)料斗与工件加工时方位的相对位置关系、料斗的形式、工件的形状和大小、生产面积的大小等因素，送料槽的形状可设计成直线形、曲线形、平面螺旋形、空间螺旋形和蛇形等。 38共七十二页 振动式料斗是一种典型的自动(zdng)上料置。 料斗为圆筒形，内壁有螺旋形送料槽； 圆筒作扭转振动，工件将沿着螺旋形送料槽逐渐上升； 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料槽。2 振动式料斗(lio du)装置39共七十二页 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

18、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(d do)最小值。当吸力降到一定值时、衔铁便在弹簧力的作用下恢复原状。40共七十二页7.2.4 装卸(zhungxi)料机械手 机械手称为操作机(Manipulator)、机械手(Mechanical hand)。机械手只能完成比较简单的抓取、搬运及上、下料作，常常作为机械设备上的附属装置(zhungzh)。因此具有一定的专用性，所以又称为专用机械手。 机械手是一种能模仿人手的某些工作机能，按要求的程序、轨迹，实现抓取和搬运工件，或完成某些劳动作业的机械化、自动化装置。41共七十二页 机器人能

19、模仿人的某些工作机能和控制机能，按可变的程序、轨迹和要求，实现多种工件的抓取、定向(dn xin)和搬运工作，它是一种能使用工具完成多种劳动作业的自动化机械系统。 称之为工业机器人(Industrial robot或Robot)。 42共七十二页 在车削中心上，常采用龙门式机器人装卸(zhungxi)料，组成FMC，如图所示。43共七十二页44共七十二页7.3 机床(jchung)间工件传送装置设计 在装卸工位，工人从托盘(tupn)上卸去已加工的工件，装上待加工的工件； 由液压或电动推拉机构将托盘推到回转工作台上； 回转工作台由单独电动机拖动按顺时方向作间歇回转运动，不断地将装有待加工工件的

20、托盘送到加工中心工作台左端； 由液压或电动推拉机构将其与加工中心工作台上托盘进行交换； 装有己加工工件的托盘由回转工作台带回装卸工位，如此反复不断地进行工件的传送。 机床间工件传递和运送装置有：托盘和随行夹具、有轨小车（RGV）和无轨小车（AGV）等。7.3.1 托盘和随行夹具工件在机床间传送时，除了工件本身外，还有随行夹具和托盘等。45共七十二页 对于结构形状比较复杂而缺少(qusho)可靠运输基面的工件或质地较软的有色金属工件，将工件先定位夹紧在随行夹具上，和随行夹具一起传送、定位和夹紧在机床上进行加工； 工件加工完毕后，随行夹具一起被卸下机床。带到卸料工位，将加工完的工件从随行夹具上卸下

21、，随行夹具返回到原始位置，以供循环使用。 随行夹具的返问方式有上方返回、下方返回和水平返回三种。46共七十二页带托盘库的柔性制造(zhzo)单元47共七十二页1 上方(shn fn)返回 如图所示，随行夹具5在自动线的末端用提升装置4升到机床上方后，经一条倾斜(1：50)滚道3靠自重返回自动线的始端，然后用下降装置2降至主输送带1上。该方式结构简单紧凑、占地面积小，但不宜布置立式机床，调整(tiozhng)维修机床不便。较长的自动线不宜采用这种形式。48共七十二页2 下方(xi fn)返回 如图所示，装有工件(gngjin)的随行夹具3，由往复液压缸2驱动，一个接一个地沿着输送导轨移动到加工工

22、位。加工完毕后随行夹具被送到末端的回转鼓轮4上，翻转到下面，经机床底座内部或底座下地道内的步伐式输送带5送回自动线的始端。该方式结构紧凑，占地面积小，但维修调整不便，同时会影响机床底座的刚性和排屑装置的布置，多用工位数少，精度不高的小型组合机床的自动线上。 49共七十二页3 水平(shupng)返回 随行夹具在水平面内作框形运动返回，图a）返回装置是由三条步伐式输送带1、2、3所组成。图b）采用三条链条代替步伐式输送带。水平返回方式占地面积大，但结构简单(jindn)，敞开性好，适用于工件及随行夹具比较重、比较大的情况。50共七十二页7.3. 2 自动(zdng)运输小车 RGV沿直线导轨运动

23、，机床和辅助设备在导轨一侧，安放托盘或随行夹具的台架在导轨的另一侧； RGV采用交流或交流伺服电动机驱动，由生产系统的中央计算机控制； 当RGV接近指定位置时，由光电装置、接近开关或限位开关等传感器识别出减速点和准停点，向控制系统发出减速和停车信号，使小车准确地停靠在指定位置上； RGV适用于运送尺寸和质量均较大的托盘或随行夹具，且传送速度快，控制系统简单(jindn)，成本低廉。 缺点：其铁轨一旦铺成后，改变路线比较困难，适用于运输路线固定不变的生产系统。 自动运输小车是现代生产系统中机床间传送物料很重要的设备，分有轨小车（RGV-Rail Guided Vehicle）和无轨小车(AGV-

24、 Automatic Guided Vehicle )两大类。1 有轨自动运输小车(RGV)51共七十二页 常见的无轨自动运输小车(AGV)的运行轨迹通过(tnggu)电磁感应制导。由AGV、小车控制装置和电池充电站组成AGV物料输送系统，如图所示。 2 无轨自动(zdng)运输小车(AGV)52共七十二页AGV的引导(yndo)方式1）电磁引导 在AGV的行使路径上埋设金属导线，并加载低频、低压导引电流，使导线周围产生磁场，AGV上的感应线圈通过对导引磁场强弱的识别和跟踪，实现AGV导引。特点：引线隐蔽，不宜污染和破损，便于通信和控制。但感应线圈对周围的铁磁物质较敏感，易受干扰。2）光学引导

25、 在AGV的行使路径上涂漆或粘贴色带，通过光学传感器采入的色带图像信号进行简单识别而实现导引。灵活性好，线路设置(shzh)简单，但对色带污染和磨损敏感，地面条件要求高。53共七十二页3）磁带导引 与电磁导引相近，在路径上粘贴磁带替代埋设金属线，通过磁感应信号实现导引。灵活性好，线路设置简单，但对磁带磨损敏感。4）惯性导航 在AGV上安装惯性(gunxng)陀螺仪，在形式地面上安装定位块，AGV通过对陀螺仪偏差信号的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置，实现导引。技术先进、定位准确、灵活性强。缺点陀螺仪的维护成本高。 还有激光导引、GPS导航等。54共七十二页电磁感应制导工作(gngzu

26、)原理如图所示 在小车行走路线地面下敷设一条专用(zhunyng)制导电缆线，通上低周波交变电流励磁，在其四周产生交变磁场。小车前方装有两个感应接收天线，在行走过程中接受制导电线产生的交变磁场。当小车行走方位与制导电缆一致时，两个接收天线分别处于制导电缆的左右对称位置，感应得到的电势相等，制导电动机不动。当小车行走方位与制导电缆不一致时，两个接收天线所处的位置与制导电缆不对称，感应的电势便不相等，由控制系统产生误差信号，经放大后，控制制导电动机按要求的方向和速度驱动方向轮使小车转弯，直到误差消除为止，保持AGV始终沿制导电线敷设的方向行驶。55共七十二页56共七十二页57共七十二页58共七十二

27、页7.4 自动化仓库(cngk)设计 自动化生产技术的发展，将传统起存放(cnfng)物品作用的仓库转化为物资调节和流通中心，出现了具有高层货架的自动化仓库（Automatic Warehousing）以及各种先进的存货、取货、快速分拣装置等新设施。 自动化仓库采用计算机管理，配置了自动化物流系统，不用书面文档，大大提高仓库空间利用率，增加货存量，加快进货和发货的速度，减少库存货物数据的差错率,减少仓库的工作人员。 7.4.1 构成59共七十二页 最常见的是巷道式立体仓库，如图所示。它适用于存放多品种少批量货物。巷道两边是多层货架。在巷道间有堆装机，沿巷道轨道移动，堆装机上的装卸(zhungx

28、i)托盘可到多层货架的每一个仓位存取货物，送至巷道一端的出入库装卸(zhungxi)站。60共七十二页1 仓库(cngk)多层货架 根据存放物品的多少，可以设置若干个多层货架，每两个货架之间留有巷道(hng do)。巷道(hng do)内安装轨道，供堆装机行走，如图所示。61共七十二页62共七十二页 双立柱型堆装机是一个框架结构，可在巷道(hng do)轨道上行走，堆装机上的装卸托盘可沿框架导轨上下升降，对准每一个仓位，取走或送入货箱； 堆装机采用相对寻址方式寻找仓位； 当堆装机沿巷道轨道或装卸托盘沿框架导轨行走时，每经过仓库的一列或一层，将仓位地址的当前值加1或减1； 当当前值与设定值快接近时，控制堆装机或装卸托盘自动减速； 当当前值与设定值完全相符时，发出停车指令，装卸托盘便准确地停在设定的仓位前。 2 堆装机63共七十二页64共七十二页7.4.2 工作(gngzu)过程 以四层货架的自动化仓库为例，介绍其工作(gngzu)过程。 堆装机停在巷道起始位置，待入库的货物已放置在