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中空玻璃以隔熱效果好、隔音效果強等特點, 廣泛應用在建筑、家具等行業[1,2,3,4,5,6]。玻璃倉儲系統是玻璃配對、分揀、儲存為一體的新型智能控制的玻璃深加工設備, 適用于玻璃鋼化后, 中空前的玻璃生產緩沖存儲。該系統實現了玻璃精準配對、快速調度、減少多次儲存帶來的玻璃劃傷, 是玻璃深加工行業實現全程自動化生產的核心設備[7]。

國外的中空玻璃深加工設備主要以李賽克公司為主, 文獻相對較少。隨著國內中空玻璃深加工產業的飛速發展, 國內深加工設備逐漸趕上世界水平[8], 但是中空玻璃倉儲系統主要以進口設備為主, 售價較高, 增加了玻璃生產的成本。由于國內對中空玻璃倉儲系統的研究主要是在軟件平臺上對設備運行的可靠性進行仿真分析[9,10], 為此自主設計一套智能的玻璃倉儲系統具有重要的意義。

自動化倉儲系統是人工不直接處理的情況下能自動存儲和取出物料的系統[11,12,13,14]。本研究在自動化倉儲的基礎上提出一種智能化中空玻璃倉儲系統, 設計出中空玻璃智能倉儲的存取、儲存機構、輸送設備和控制裝置。

玻璃倉儲系統作為玻璃深加工生產線的核心, 存在于流水區域后中空區域前, 起到玻璃緩存作用, 是中空玻璃深加工的流程中最為關鍵的一個中間環節。

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

玻璃倉儲系統包括ERP (企業資源計劃) 系統、IPC (工業控制計算機) 模塊、出入庫搬運小車系統、網格架系統等。其系統的基本框架如圖2所示。

圖2 玻璃倉儲控制系統基本框架圖  下載原圖

網格架分為若干個巷道, 每個巷道都是個儲存單元。ERP系統是為出入庫玻璃分配巷道信息, IPC系統協調小車之間的運動 (位置指令傳達、傳感器信息采集等) 。

玻璃入庫或者出庫時, 出入庫搬運小車與網格架下面的底部搬運小車通過IPC接收來自ERP系統發送的位置指令, 同時移動到需要入庫或者出庫的巷道位置。到達指定位置后, 出、入庫小車的傳動帶和底部小車的傳動輪進行同向同步運動, 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, 依據玻璃配對情況進行出庫。

高精度的出、入庫搬運小車設備具備三維運動能力, X方向采用鏈條連接的滾輪組以實現出、入庫的玻璃平移;在Y方向采用水平平行導軌實現玻璃的快速搬運;在Z方向采用連桿軸承帶動玻璃承接板擺動以防止快速搬運時的慣性導致的玻璃跌落, 其基本的結構如圖3所示。

圖3 出入庫搬運小車設備結構示意圖  下載原圖

1—減速箱;2—翻轉電機;3—導軌;4—玻璃承接板;5—Y軸傳送電機;6—滾輪組;7—X軸傳送電機

出、入庫搬運小車的功能是依據分類對玻璃進行入庫存儲, 中空操作前依據配對情況將網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的時間, 提高中空效率。

搬運小車主要由X軸、Y軸、Z軸上3個伺服電機, 平行導軌模塊, 玻璃承接板模塊和若干個傳感器組成。

設備工作時, 出入庫小車伺服系統通過IPC獲得ERP給出的巷道的位置信息, 驅動Y軸傳送電機在平行導軌上運動到相應的位置, 并實時監測電機反饋檢測出小車的實時位置信息;小車在高速行進的過程中為了避免玻璃滑落, Z軸翻轉電機帶動連桿軸承驅動承接板翻轉相應的角度;當小車移動到巷道位置時, X軸傳送電機工作, 進行玻璃出入庫動作。

網格架系統主要包括鋼化網格架和網格架下面的底部搬運小車。底部搬運小車同樣具備三維運動能力, 主要的結構由一臺高精度Y軸傳送電機、兩臺X軸傳送電機、Z軸由兩個能頂起傳送輪的氣缸和傳感器裝置構成, 基本結構如圖4所示。

圖4 網格架系統結構示意圖  下載原圖

1—網格架;2—Y軸傳送電機;3—氣缸裝置;4—行進開關;5—傳送輪;6—X軸傳送電機;7—巷道

底部搬運小車依靠Y軸傳送電機進行運動尋址, 到達指定的巷道下面;依靠X軸傳送電機進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行升降。

網格架下有多個底部搬運小車, 底部小車相對于出入庫小車運行速度較慢, 根據要到達的巷道位置信息, 采用多個小車協調運動和分區域最近距離的原則, 縮短運行距離, 提高出、入庫的效率。

出、入庫小車設備采用3臺伺服電機分別實現小車的導軌行進、玻璃承接板的翻轉、玻璃的滾輪組滾動操作。底部小車由兩臺伺服電機擔任行進和傳送任務。

網格架的巷道對應不同的位置信息, 將到達不同位置下的加速度、減速度、最高速度等運動控制信息提前輸入伺服器中, 以便在運動的過程中給定的巷道位置后快速確定運行參數。伺服器會實時根據檢測編碼器返回的脈沖數據, 對運動控制參數進行調整, 使停車位置更加精確。承接板的翻轉角度決定了玻璃運送的可靠性, 采用兩個限位開關限制翻轉的角度。

在工作過程中, 玻璃進入測量端時, ERP系統收到玻璃到達指令后, 給伺服器下達巷道的位置信息。伺服器接收到位置信息后, 讀取已儲存在伺服器內該位置的電機運行的各個參數, 并向電機輸出速度指令。同時, 監測位置的絕對值編碼器會實時反饋脈沖數檢測得到位置信息, 伺服器根據反饋的信息對速度進行調節, 控制電機的精確停止。在電機運動的過程中, 翻轉電機會使翻轉承接板翻轉一定的角度, 保證玻璃在搬運過程中平穩、可靠。到達指定的巷道位置后與底部搬運小車進行聯動, 進行入庫操作, 玻璃運行的過程中有眾多傳感器不斷監測玻璃實時的位置, 防止玻璃進庫時移動距離過多而脫落。玻璃倉儲系統的控制及流程圖如圖5所示。

圖5 倉儲系統流程圖  下載原圖

該實驗是在Lenze公司的E94A系列伺服器的實驗平臺上進行實驗仿真, 所搭建的伺服控制實驗平臺如圖6所示。該伺服器除了伺服的基本功能外, 還兼具PLC功能, 可根據需要進行編程, 修改程序參數, 以滿足不同的功能, 通過診斷配置器實時監測伺服器反饋的數據信息。

實驗中, 為接近工業現場需要, 采用380 V交流電進行伺服器和伺服電機的供電, 用數字量開關代替工業上的零點, 主要進行小車運行開始時尋零點操作, 為實驗中找到位置參考點。

圖6 伺服器實驗平臺實物圖  下載原圖

該系統中的伺服電機除了驅動還要具備精確地定位功能, 以下針對出入庫搬運小車中的Y軸方向的電機進行仿真分析。該實驗中伺服器和伺服電機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—電機握持制動;X8—絕對值編碼器反饋;Rb—剎車電阻

T1、T2與電機的溫度傳感器相連接避免電機的短路;Rb是為了防止電機制動時產生大量的制動能量對伺服器的損害, Y是電機的緊急停止模塊, X8是絕對值編碼器, 實時檢測電機的位置信息。可靠的保護和反饋系統保證了整個設備的穩定、安全運行。

本研究采用表定位的位置定位方式, 在Lenze公司開發的Engineer軟件中仿真。表定位的運動參數如表1所示。

表1 表定位的運動參數  下載原圖

本研究將如表1所示的位置的參數輸入到伺服器表定位的功能塊中, 利用軟件調用表定位里面的數據信息。

本研究通過軟件監測電機的實際速度, 通過光電位置傳感器返回電機運行的實際位置, 在Data logger界面中得到仿真波形。仿真結果如圖8所示。

圖8 位置仿真圖  下載原圖

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

實際位置到達2 999.992 7 unit (unit=πD/1 800, 轉盤的直徑D=50 mm) , 絕對誤差為-6.37×10-4mm。電機運行的最大速度也在800 rap左右, 和設置的結果近似相等。

為防止產生偶然誤差, 本研究進行每個位置多次實驗測量取平均的方法, 實驗結果如表2所示。

表2 不同位置的運動參數  下載原圖

計算后得到相對誤差分別為0.000 13%、0.000 1%、0.000 2%, 實驗結果足以滿足實際設備對位置精確的要求。

本文提出了智能化中空玻璃倉儲系統的總體方案, 并搭建硬件平臺進行了實驗驗證, 結果表明:該系統可以實現搬運小車的精確停車。進行了實物平臺設計與應用, 對提出的智能化中空玻璃倉儲系統進行了驗證, 實驗表明:在運行性能和精度上該系統與國外的水平相近, 運行可靠, 可以替代進口設備。

下一階段工作是為該系統開發一套配套的ERP系統, 由于ERP系統是該實驗平臺的上層管理系統, 為進一步提高系統的工作效率, 需要完善ERP系統對小車之間協調運動的控制方法, 以提高整個系統的效率。