（机械电子工程专业论文）刹车盘分拣系统设计及其关键技术研究.pdf

摘要 ，刹车盘智能分拣系统是某汽车刹车盘专业生产企业实行准时生 产方式( j u s t - i n - t i m e ，j i t ) 生产管理模式提出来的。传统的分类 暂存，然后成批处理的生产模式，已经成为制约企业生产的最大瓶颈。 分拣机实现了所有零件混型输出，生产线、后续处理和包装线之间无 缝连接，生产过程中零件的零库存和设备负荷均衡化，显著缩短了零 件非机加工时间，提高了设备和厂房的利用率，以及人工和物流系统 的效率。本文的主要研究内容及创新如下： ( 1 ) 基于j i t 生产理念，提出了一种基于射频识别技术的刹车盘 智能分拣系统，对车间零件物流分拣系统进行了布局设计，使车间内 各工段间的物流实现无缝连接。国内外目前未见文献报道，该系统在 多品种小批量机械零件生产企业具有较高的工程价值。 ( 2 ) 为了得到较好的天线磁场分布，对圆形天线的半径、驱动电 流和矩形天线的尺寸、长宽比、驱动电流对天线磁场的影响进行了研 究和优化，结果表明矩形天线效果要比圆形天线好，本系统最佳的天 线尺寸为1 2 c m x1 2 c m ，并采用铁氧体防止金属对电磁场的干扰，保证 了射频通讯的可靠性。 ( 3 ) 为了减少射频通讯的时问达到提高射频通讯可靠性的目的， 采用对射频卡只读不写和实时状态信息表来记录射频卡的状态，显著 缩短了射频通讯的时间，并且大大提高了射频卡的寿命。 ( 4 ) 对系统机械装置进行深入研究，设计了一种能自动脱钩和复 位的触发式挂钩作为零件载运工具，承载范围宽、结构简单、脱钩迅 速、脱钩作用力小。零件缓冲装置能实现脱钩零件软着陆，避免了工 件表面质量损伤和零件着陆台面的破坏。 ( 5 ) 设计了读卡检测控制器和读卡脱钩控制器，并实现了r s 一4 8 5 多机通讯控制。针对系统应用环境，进行干扰分析及其对策研究，提 高了系统工作的可靠性。 关键字准时制生产方式，分拣，射频识别，触发式挂钩，天线 a b s t r a c t b r a k e - t r a yi n t e l l i g e n ts o r t i n gs y s t e mw a sp r o p o s e d ，u n d e rt h ej i t p r o d u c t i o nm o d eo ft h ep r o f e s s i o n a lb r a k e t r a ym a n u f a c t u r i n gc o m p a n y t h et r a d i t i o n a lm o d eo ft e m p o r a r ys t o r a g ec l a s s i f i e d l ya n dt r e a t m e n tb y b a t c hh a db e c o m et h eb i g g e s tb o t t l e n e c k n oi n t e r m e d i a t es t o r a g eo x q s ) c a nb ew e l lg o t , t h ee q u i p m e n t s l o a d sw e r eb a l a n c e d ，t h eu n p r o d u c t i v e t i m eo fc o m p o n e n t si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sw e r es h o r t e n sc o n s i d e r a b l y , l a b o re f f i c i e n c ya n dt h eu t i l i z a t i o no fe q u i p m e n t sa n dw o r k s h o pw e r e i m p r o v e d ，w o r k s h o pl o g i s t i c sw a so p t i m i z e dg r e a t l y t h em a i nj o b sa n d a c h i e v e m e n t sw e r ea sf o l l o w ： 1 ) b a s e do nt h et h o u g h to fj i tp r o d u c t i o n , b r a k e - t r a y si n t e l l i g e n t s o r t i n gs y s t e mw a sp r o p o s e d t h el a y o u to f b r a k e - t r a y si n t e l l i g e n ts o r t i n g s y s t e mw a sd e s i g n e d , t h el o g i s t i c sa m o n ga l lw o r k i n gp r o c e d u r e sw a s c o n n e c t e ds e e m l e s s l y 2 ) t og e tt h eb e s tm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n , t h er a d i u s ，t h ed r i v e c u r r e n to fr o u n da n t e n n aa n dt h ed i m e n s i o n s ，r a t i oo ft h el e n g t ha n d w i d t h , t h ed r i v ec u r r e n to fr e c t a n g l ea n t e n n aw e r er e s e a r c h e da n d o p t i m i z e d , t h ec u r v e si n d i c a t et h er e c t a n g l ea n t e n n ad o e sb e t t e rt h a nt h e r o u n da n t e n n a ，t h eb e s td i m e n s i o n sa r e1 2 c m x1 2 c mf o rt h i ss y s t e m ，a n d t h ef e r r i t ew a sa p p l i e dt oa n t i d i s t u r b a n c eo fm e t a lt oe l e c t r o m a g n e t i c f i e l d 3 ) t os h o r t e nt h ec o m m u n i c a t i o nt i m eb e t w e e nr e a d e r sa n dt a g s ，j u s t r e a d i n gn o tw r i t i n gt ot a g sa n du s i n gt h er e a lt i m es t a t ei n f o r m a t i o nt a b l e t or e c o r dt h et a g s s t a t e sw e r ea d o p t e d , a n dt h ec o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y w a si m p r o v e dg r e a t l y , t h el i f eo f t a g sw a s p r o l o n g e dc o n s i d e r a b l y 4 ) t h es y s t e mm e c h a n i c a ls e tw a sr e s e a r c h e dd e e p l y at r i g g e r e d h o o kw a sd e s i g n e dt os h i pc o m p o n e n t s ，i tw a sf e a t u r e db yl a r g ec a r r y i n g c a p a c i t y , c o m p a c ts t r u c t u r e ，a c t i o nq u i c k l y , s m a l lt r i g g e r i n gp o w e r , a n d a u t or e s e t , e t c a n dac o m p o n e n to f f - b u f f e rs e tw a sd e s i g n e dt os o f i l a n d c o m p o n e n t s ，t h ed a m a g e so fc o m p o n e n t ss u r f a c eq u a l i f ya n dl a n d i n g t a b l ew e r ea v o i d e d t r i g g e r e dh o o k ，a n t e n n a 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 二十世纪九十年代以来，由于科学技术飞速发展和生产力的发展，顾客的消 费水平不断提高，市场竞争加剧，加上政治、经济、社会环境的巨大变化，使企 业经营环境的变化成为普通的、持续的、常规的现象，可以用十二个字来概括“顾 客主导，竞争激烈，变化快捷”。面对这样一种新的市场环境，产品呈现“多品种， 小批量”的特点，企业要能够对各种不测事件的发生作出迅速而有效的反应，使 生产组织和生产系统具有足够的柔性和应变能力，在环境变化之中迅速建立起生 产系统新的平衡。因此，采取何种制造系统模式显得非常重要。 制造系统模式是指制造系统的体制、经营、管理、生产组织和技术系统的形 态和运作方式。采取何种类型的制造系统模式对制造的资源、信息进行处理，将 极大影响制造系统的特性。其主要目的是在生产中，对生产产品或提供服务的人 员、设备、资金、原材料、能源、信息等，在一定的环境条件下进行最佳的组合， 进行设计、规划、评价、控制、改进以及创新，使生产资源得到最有效的利用， 达到生产过程及制造、系统高效、低成本、高质量地运行。因此，各大企业都竞 相研究发展和采用适应这种环境的新的制造系统模式，使企业的效率发挥到极至， 保证企业的竞争力【l j 。 准时制生产方式( j u s t - i n - t i m e ，j i t ) 是一种先进的生产模式，是2 0 世纪 7 0 年代末和8 0 年代初，在日本丰田发展起来的一种以杜绝一切浪费为目标的管 理模式。她整合了批量生产和单件生产的特点和优点，采用拉动式的生产方式， 根据客户的订单，从装配线末端需求，逐步向上拉动需求。 i t 带来了日本汽车工 业的辉煌，后来被当作日本企业成功的秘诀在世界范围内受到广泛尊崇，并且得 到了广泛的运用1 2 1 p l 。 j r r 的基本内容为：稳定的生产效率；低库存；小批量：设备的快速低成本装 接和调准：及时维护；合理的平面靠置；多技能的工人；协作精神；拉动系统； 可靠的分销系统；连续不断的改进【4 j 。 j r r 生产方式作为一种生产管理技术，是各种手段和方法的集合，有效利用一 切资源、降低一切能降低的成本，以实现其最终目标寻求、消除在生产过程 -t，k-rlr 硕十学位论文第一章绪论 中形成浪费的一切根源和任何不产生附加价值的活动【引。合理的生产布局，合理 的调度生产任务，严格生产操作和管理，使整个生产过程在严格的监控下准确按 时完成，实现一种无库存或是库存达到最小的生产系统，即使z ( 0 ) 最小。如下式 ( 1 一1 ) ： m i n z ( a ) = w ji c 厂见i ( 1 - - 1 ) j ，日 其中j = j i j “j 。 ，为n 个独立的任务； c j 分别是这n 个任务的完成时间； d ，分别是这n 个任务的交货时间； w j 为任务提前和推迟完成的权重，提i i f 和推迟完成任务的权重可以不同，具 体值依实际情况决定”。 这种方式非常适合多品种，小批量的生产，极大地提高了系统的运行效率， 系统的适应性，系统的经济性，系统的可靠性，系统的可持续发展性和系统的技 术先进性。 刹车盘专业生产是一种典型多品种小批量生产，由于品种多批量小，外形相 似，零件分批加工然后整批搬运到下一工序车间，大量零件人工物流会导致车间 物流不畅甚至堵塞和零件类型混淆，已成为企业j i t 生产管理中的最大瓶颈。因 此必须要专用设备来实现车自】物流，还需要有自动识别分拣功能，故我们把该装 置称之为刹车盘智能分拣系统( 简称分拣系统) 。 1 2 分拣系统的发展现状 所谓分拣，就是将一些货物或产品按照一定的标准或要求，将它们分开， 以方便下一环节作业。按分拣的手段不同，可以分为人工分拣、机械分拣和自 动分拣三大类。 1 2 1 分拣系统国外研究和发展现状1 9 1 自动分拣机最先在邮政部门开始运用，大量的信件和邮包要在极短的时间 内正确分拣处理，非凭借高度自动化的设备不可。美国和欧洲在上世纪6 0 年代 就开始使用自动分拣机，日本则在7 0 年代初才引进自动分拣机，但接下来2 0 年由于该国经济的特殊需要，发展迅速，后来追上，在1 9 8 7 年已拥有自动分拣 机1 0 0 0 台，号称世界第一。 j1，1j1 硕士学位论文第一章绪论 自动分拣技术的应用领域不断扩大，分拣技术不断提高，分拣规模和分拣 能力不断发展。在瑞典某通讯产品销售商的高速自动分拣机有5 2 0 个分拣道口； 日本佐川某流通中心分拣机的分拣能力达3 万件每小时，单机的最大分拣能力 最大也达1 6 万件每小时。此后，在运输企业、配送中心、通讯出版部门以及各 种工农业生产企业相继运用 这些自动分拣系统一般由收货输送机、喂料输送机、分拣指令设置装置、 合流装置、分拣输送机、分拣卸货道口、计算机控制器等七个部分组成。 分拣指令设置装置，即识别方式，足自动分拣系统最关键的部分，识别分 拣货物或产品信息，转化成分拣指令，分拣速度、分拣差错率和采取何种识别 技术紧密相关，是分拣技术的标志。 1 2 1 1 人工键盘输入 由操作者一边看着货物包装箱上粘贴的标签或书写的号码，一边在键盘上 输入此号码。一般键盘为十码键，键盘上有0 到9 数字键和重复、修正等键。 键盘操作方式输入简单、费用低、限制条件少，但操作人员必须注意力集中， 劳动强度大，易出差错( 看错、键错，据国外研究资料，差错率为1 3 0 0 ) ，而 且键入速度只能达到1 0 0 0 1 5 0 0 件4 , 时。 1 2 1 2 声控方式 首先需将操作人员的声音预先输入控制器电脑中，当货物经过设定装置时， 操作员将包装箱上的票签号码依次读出，计算机将声音接受并转化为分拣信息， 发出指令，传送到分拣系统的各执行机构。 声音输入法与键盘输入法相比，速度要快些，可达3 0 0 0 - 4 0 0 0 件，j 、时，操 作人员较省力，双手可以腾出来还可以做其他的工作。但由于需事先储存操作 人员的声音，当操作人员偶尔咳嗽、声哑时，就会发生差错。据国外物流企业 实际使用情况，声音输入法经常出现故障，使用效果不理想。 1 2 1 3 利用激光自动阅读物流条码 从八十年代后期到九十年代，电脑的普及，通讯技术的提高，高性能条形 码阅读器和条形码印刷机问世，使这技术得到了快速的发展和更加广泛的应 顾十学位论文第一毒绪论 用领域。在被拣商品包装上贴( 印) 代表物流信息的条码，在输送带上通过激 光扫描器，自动识别条码上的分拣信息，输送给控制器。 由于激光扫描器的扫描速度极快，达到1 0 0 1 2 0 次秒，来回对条形码扫描， 故能将输送机上高速移动货物上的条形码正确读出。激光扫描条形码方式费用 较高，商品需要物流条形码配合，输入速度快，可与输送带的速度同步，可达 5 0 0 0 件d 时以上，差错率极小，规模较大的配送中心都采用这种方式。 在工农业生产中也广泛运用自动分拣机，参考文献【1 0 】介绍了墨西哥的一个 芒果硬度分拣机。在往包装间的传送带上使用一个测量球( i s ，i n s t r u m e n t e ds p h e r e ) 探测器，芒果从一定高度掉下来，冲击的强度被测量，并且在内部存储器中记 录下来，在几笔记录之后，这些信息通过计算机串口传给上位机。使用t u k e y s b i w e i g h tr o b u s t 算法，可使芒果硬度分拣精度可达9 5 7 0 0 。 1 2 2 分拣系统国内发展研究现状 1 2 2 1 邮件分拣系统 分拣技术在国内出现较晚，同国外一样。我国最早研制和使用分拣设备也 是在邮政行业，比国外晚约2 0 年左右。国家邮政局上海研究所自1 9 7 3 年成立 起就开始研发不同种类信函分拣设备，9 0 年代后开始研制这种包件分拣设备。 2 0 0 2 年邮政科学规划院和普天万向物流科技公司研制了一台处理能力8 0 0 0 件每 小时的单向推块式分拣机。2 0 0 3 年6 月国家邮政局上海研究所和湖州德马物流 系统工程有限公司联合开发的双向推块式分拣系统，最大处理能力为1 0 8 0 0 件 每小时，产品质量接近国外同类设备的技术水平1 1 l l 。 1j 2 2 2 工业生产分拣系统研究及应用 在国内，分拣机在工农业生产中运用也很广泛。参考文献 1 2 介绍了一种 由单片机控制电子天平的乒乓球分拣系统，根据乒乓球的质量来分拣，以达到 区分档次，挑选高档乒乓球的目的。参考文献 1 3 介绍了一个产品长度测量分 拣系统，使用l m 激光传感器采集工件长度数据，由p l c 控制分拣不合格的工件。 参考文献 1 4 介绍了一种利用荷重传感器检测工件重量的计算机控制自动分拣 系统，它根据工件重量大小和系统预先的设定，将工件分送到不同的出料口， 完成工件的自动分拣。参考文献1 1 5 介绍了一种基于图象处理的羽毛自动分拣 4 硕士学位论文第一章绪论 系统，由摄相头和图象采集卡获取羽毛的图象信息，然后通过图象处理的算法 对羽毛断伤和毛杆的特征进行判断，配合机械和机电控制系统对羽毛进行自动 分拣。 综述以上，对于一个物流分拣系统来说采取何种识别技术是至关重要的。 当今自动识别技术已经非常发达，如条形码、i c 卡、传感器识别、图像识别等， 但每种识别技术都各有优缺点，根据具体的应用场合选用最合适的一种自动识 别技术。射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n , 简称r f i d ) 技术是一种新型 的非接触自动识别技术，具有很多突出的优点，根据本系统的应用环境，采用 射频识别技术识别零件，以实现刹车盘智能分拣。 1 3r f i d 技术 r f i d ( 射频识别) 技术，是一种非接触的自动识别技术，通过射频信号自 动识别对象目标并交换数据，和条形码、磁卡相比，具有防水、防油，防磁、 耐高低温、使用寿命长、读取距离大等优点，能同时识别多个目标和高速运动 目标，数据安全，并能防止多卡冲列m 1 3 1r f i d 系统组成及工作原理 射频识别系统主要由可以被识别的应答器，又叫射频卡( t r a n s p o n d e r ) 或 被称作电子标签( t a g ) 、读写器或被称为阅读器( r e a d e r ) 、中央处理系统( 简称 c p s - - - c c n t r a lp r o c e s s i n gs y s t e m ) 组成。 作为一种自动识别系统，电子标签一般安装在被识别的物体上。每个应答 器都有惟一的识别码，即序列号，序列号的惟一性保证了识别的可靠性。应答 器是射频系统的数据载体，可以存储被识别物体或用户的信息、用户的加密数 图1 2 系统的工作原理图 硕十学位论文第一章绪论 据等。应答器一般由收发模块、存储器、控制模块和天线组成。读写器包括高 频模块( 发送器和接受器) 、控制单元以及与应答器通讯的祸合元件。读写器一 般附有计算机通讯接口( r s - - 2 3 2 、r s - - 4 8 5 等) ，将读取的数据上传给计算机 进行处理，或将计算机里面的数据写入应答器哩面。r f i d 系统工作原理图如图 i 一2 。 1 3 2r f i d 技术发展现状 由于r f i d 的诸多优点，在国内外r f i d 技术已经应用到很多领域，如：身 份识别、防伪应用、物流供给、高速公路自动收费，公共交通、门禁保安、汽 车防盗、r f i d 金融卡、生产线自动化、铁路运输监控等【l 引。i u f i d 技术发展， 其应用将进一步深入。 r f i d 技术历史可以追溯到2 0 世纪初期。二战期间，r f i d 被荚军用于识别 自家和盟军的飞机。在1 9 4 8 年出现了早期研究r f i d 技术的一篇黾程碑的论文 “”：“c o m m u n i c a t i o nb ym e a n so fr e f l e c t e dp o w e r ”后来，随着电子技术的 发展，晶体管集成电路、微处理器芯片、通讯网络等新技术的出现，拉开了r f i d 技术研究序幕。 2 0 世纪6 0 年代是r f i d 飞速发展的十年，出现商业r f i d 系统一电子物品防 盗系统，简称e a s ( e l e c t r o n i ca r t i c l es u r v e i l l a n c e ) 设备。e a s 被认为是 r f i d 技术最早、且最广泛应用于商业领域的系统。 2 0 世纪7 0 年代，r f i d 成为人们研究的热门课题，各种机构都开始致力于 r f i d 技术的开发，出现了一系列的研究成果，并且将r f i d 技术成功运用于自动 汽车识别( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，简称a v i ) 的电子计费系统啪1 、 动物跟踪以及工厂自动化等。 2 0 世纪8 0 年代人们充分使用r f i d 技术恤1 虽然在世界各地开发者的方向 有所不同，但是在美国、法国、意大利、西班牙、挪威以及日本等国都不同程 度在不同领域使用了r f i d 系统。第一个实用的r f i d 电子收费系统于1 9 8 7 年在 挪威正式使用。1 9 8 9 在美国达拉斯南部高速公路也开始使用不停车收费。 2 0 世纪9 0 年代r f i d 繁荣发展。美国大量配置电子收费系统衄m 1 ，1 9 9 1 年 在俄克拉荷马州( o k l a h o m a ) 建成了世界上第一个开放的高速公路不停车收费 系统。世界上第一个包括电子收费系统和交通管理系统在1 9 9 2 年安装在休斯顿 ( h o u s t o n ) ，而且这套系统和安装在俄克拉荷马州的r f i d 系统兼容。 6 硕十学位论史 第一章绪论 在欧2 i i i 也广泛使用r f i d 技术。德州仪器公司( t i ) 开发的t i h i s 系统用与 汽车发动机的启动控制1 。由于已经开发了小到能够密封到汽车钥匙中的电子 标签，使r f i d 系统可以方便地应用于汽车放盗。r f i d 技术己在许多国家的公路 不停车收费或火车车辆跟踪与管理中得到运用，如澳大利亚、中国、香港、菲 律宾、巴西、墨西哥、加拿大、日本、马来西亚、新加坡、新西兰、南非、韩 国、美国和欧洲等。借助于电子收费系统，出现了一些具有新功能的r f i d 技术。 现在一个电子标签可以具有多个帐号用于电子收费系统、停车场管理、费用征 收、报案系统以及社区管理。 在国内，r f i d 技术处在应用的起步阶段。自1 9 9 3 年我国政府颁布了“金卡 工程8 计划以来，射频识别技术发展和运用十分迅猛。1 9 9 5 年l o 月北京首都机 场高速公路天竺收费站安装了不停车收费系统，该设备足从美国h m f e c f l 公司引 进的。铁道部于1 9 9 9 年开始投资建设自动车号识别系统，并于2 0 0 0 年开始正 式投入使用。2 0 0 1 年7 月上海市虹桥国际机场组台式电子不停车收费系统( e t c ) 试验开通。2 0 0 2 年1 2 月深圳机荷、梅观高速公路不停车收费系统也正式投入运 行。 随着数字化社会的到来，以网络信息化管理和移动商务的迫切需求为发展 动力。r f i d 技术应用领域不断扩大，各种r f i d 系统已应用于或正在投入实际应 用，在国内现在呈澎湃之势。 1 4 本文选题的意义及研究重点 全球都开始提倡一种节约型的社会，合理利用一切资源，减少一切不必要 的浪费。对于一个企业来说，更亦如此，就必须有效利用一切资源，降低一切 能降低的成本，寻求、消除在生产过程中形成浪费的一切根源和任何不产生附 加价值的活动。这就是j i t 生产模式的理念，不仅大大节约各种资源，降低了企 业的生产成本，亦提高了企业生命力和竞争力。 本项目来源于一专业的汽车刹车盘生产企业，针对实际的生产环境和产品 特点，提出了一种基于射频识别技术的刹车盘智能分拣系统。将射频识别技术 应用到机械零件分拣系统中，国内外部未见由这方面的报道和资料，具有一定 的创新性。 该系统实现了所有型号的零件混型上钩，由读卡控制器定义零件身份，经 过后续处理区间，在包装区由读卡控制器识别零件身份，发出脱钩指令，完成 7 顷十学位论史 第一章绪论 零件脱钩动作。分拣机连接生产线、后续处理、包装线，实现了生产线的无缝 连接，节约了大量的人力，避免了生产的混乱，大大缩短了零件非机加工的时 间，使设备负荷均衡化实现了生产过程中零库存，节约了生产场地空间，提 高了设备和厂房的利用率，以及人工和物流系统的效率。具有较高的工程实用 价值。 本文的章节安排如下： 第一章在j i t 生产模式下，针对多品种小批量机械零件生产企业由于零 件品种过多经常造成车间物流不畅甚至阻塞和零件类型混淆提出了对智能物 流分拣系统的需要。并对国内外分拣机的发展现状进行了研究。 第二章对j i t 方式下车间物流进行分析和对识别技术和分拣系统进行研究 的基础上，设计了物流分拣系统总体布局，达到生产物流顺畅目的。 第三章针对射频卡相对于天线平行移动速度快和频繁读写降低射频卡寿命 等问题，我们采用对射频卡只读不写，用实时状态信息表束记录射频卡的状态。 最后对零件的载运工具和缓冲暂存装置进行较为深入的研究。 第四章针对系统的应用环境，为了扩大射频通讯的有效距离，对读写器圆 形和矩形天线利用m a t l a b 进行了一些研究与分析，得到最佳的天线尺寸，提高 了射频通讯的可靠性。 第五章读卡检测控制器和读卡脱钩控制器的设计，上位机和多下位机 r s 一4 8 5 通讯控制，以及系统的防干扰分析和对策研究。 第六章全文总结。 硕十学位论文第二章物流分拣系统布局研究 第二章分拣系统布局研究 2 1 刹车盘智能分拣系统的提出 2 1 1 背景介绍 在同类型、多品种机械零配件如汽车刹车盘、水泵件、活塞、轮胎和钢圈等 的专业生产中，为了提高效率，最大限度挖掘设备和车间潜力，通常采用数十条 具有相同设备配置和一定的产品适应性的生产线集中紧凑饰置的模式来组织生 产，由于品种规格和订货批次繁多，外形特征相似，给生产组织带来很大困难， 生产中需要用大量料筐作容器分类暂存，等待成批加工完毕后，才能进入后续非 机加工工序如清洁、表面处理和包装等，目前所有这些工作大都由手工完成。这 一模式存在一下弊端：一是成品容易混淆：二是料筐暂存，造成加工成品大量积 压；三是各批零件完成时间参差不齐，给后续清洗、，表面处理和包装等非机加工 工序生产节奏带来混乱；四是不同产品的毛坯和成品搬运工作量大，搬运通道大 量占用车间有效空间。 某专业的汽车零配件企业的刹车盘生产事业部拟调整生产布局，采用，i t 生 产管理模式。该企业生产的刹车盘品种多达二千多种，有两个生产车间，各有3 6 条生产线。每个车间集成机加工、清洗和包装三大工序段。机加工生产线均是由： 数控车、数控车、数控钻、平衡、去重、数控磨床等设备组成，各生产线都具有 相同的设备配置，具有较宽的产品适应性。零件加工生产线生产情况如图2 一l 所 示，整批加工，加工完毕后整批搬运进行后续处理( 清洗、浸油、风干) 如图2 - - 2 、2 - - 3 ，最后整批进入包装车间如图2 3 ，完成产品的整个生产过程。 产品类型主要有四种：单片、双片、轴承盘、刹车鼓所有产品虽然具体结 构不同，但产品总体结构基本上属于以上四种，加工过程均相同。因此每种类型 的产品都有数百种型号，且有些产品外形酷似。 9 硕士学位论文 第一二章物流分拣系统布局研究 图2 一i 生产车间情况 图2 2 后续处理车间零件整批上钩开始后续处理 l o 硕士学位论文第二章物流分拣系统布局研究 图2 3 后续处理车间零件后续处理情况 图2 4 包装车问情况 硕十学位论文 第= 章物流分拣系统布局研究 l ，教片盘 t 2 簟片盘 3 懈盘 4 朝车徽 圈2 5 刹车盘外形图 2 1 2j i t 生产方式下的企业生产物流 企业生产物流是指伴随企业内部生产过程的物流活动，即按照工厂布局、 产品生产过程和工艺流程的要求，实现原材料、配件、半成品等物料在工厂内 部供应库与车间、车间与车间、供序和工序、车间与成品库之间流转的物流活 动1 7 l 。所以企业生产物流是企业物流的关键环节，优化企业生产物流有利于突进 企业竞争力。生产物流是企业生产过程非常重要的一环，其过程大致为：原材 料或半成品从企业“门口”开始，进入生产线的开端，在进一步随生产加工过 程并借助一定的运输装置，一个一个环节、一个一个车间的。流”，在“流”的 过程中逐步完成加工过程，知道整个过程结束，再“流”到制品仓库或用户。 从j i t 生产模式角度来看，生产物流要求生产要素在空间上密切组合，时间 上适当连接，减少物流搬运工作量、减少工件的损坏，节省费用，实时跟踪控 制产品质量，监控整个生产过程，保证整个生产空间物流畅通坤l 。 分析以上生产状况，存在以下一些缺陷： 1 ) 一批零件加工完毕后，需要大量的工人和料筐转运零件，进行后续处 理，零件加工过程中，大部分工人闲置，造成了大量人员浪费； 2 ) 生产过程中库存严重，大大延长了零件的非机加工的时间； 3 ) 不利于设备负荷的均衡化； 4 ) 占用过多的生产场地空间，使车间物流不畅，严重影响生产效率； 5 ) 车间与车间之间连接松散： 6 ) 产品类型易混淆，影响生产，甚至影响客户利益和公司的声誉； 7 ) 整个生产过程时间控制困难，增加了企业库存； 8 ) 生产监控困难，易造成生产混乱。 以上这些都不符合j 1 1 r 生产模式的要求，增加了生产成本，车间生产物流不 畅，严重影响了企业的生产，已经成为生产和管理的最大瓶颈。 车间之自j 物流量较大，应该采用专用的设备连接机加工生产线、后续处理、 包装区，并能进行自动识别与分拣的刹车盘智能物流系统( 简称为分拣系统) ， 零件在生产线上加工完毕后，所有类型零件直接混型输出，零件在“流”的过 程中完成清洗、风干、上防锈油等后续处理，在包装区该装置能自动识别零件 类型，分拣到各类型指定的包装点，完成包装工作。 2 1 3 刹车盘智能分拣系统设计要求 针对以上的分柝，并结合j r r 生产的要求，分拣系统必须满足以下要求： 1 ) 所有零件必须能随时进入分拣系统； 2 ) 成品在包装区能自动进入预定的包装线； 3 )在整个物流过程中不能损坏零件表面质量； 4 )在包装车间有识别系统对工件进行自动识别，并配置计数装置，实 时动态显示进入包装区的零件数量； 5 )每条生产线末端要配置计数装置，对进入物流分拣系统的零件进行 计数，并实时显示零件数目； 6 ) 整个系统要有防错能力； 7 ) 要有对整个系统定期进行预防性故障诊断和故障点的判断手段 根据以上要求，则分拣系统由载运工具、识别装置、控制器、机械和电气 硕十学位论文第 二章物流分拣系统布局研究 控制系统等部分构成。系统必须要能正确可靠的识别零件的身份，以实现零件 的混型输出。零件输出的动力采用工业传送链，载运工具采用触发式挂钩，能 控制器的控制下实现承载输送和脱钩卸载，还需要有零件缓冲装置，避免零件 脱钩时撞击造成零件表面质量损坏。还需要控制系统控制协调整个系统工作。 2 2 分拣系统布局 2 2 1 车间生产布局 针对以上生产情况，要进行分拣系统设计，则首先需要重新进行整个车间 的生产布局设计，车间布局设计如图2 6 。原材料为半成品，所有零件的加工 工艺相同，所有零件的工艺都相同，故所有机加工线都采用完全相同的配置， 各机加工工序按工艺流程紧密排列，使各工序之问的零件搬运距离最短。车间 内所有生产线成两列布置，在生产线外侧留有足够的空间供小车经过，半成品 由小车从车问后门进入车间，到达生产线两侧，置于生产线外侧的本成品箱内， 成品出口在中缝。图是3 6 条机加工生产线车间的布局设计图。图左边机加工线 工序布置从左至右为：数控车、数控车、数控钻、平衡、去重、数控磨床，图 右边机加工线工序布置从左至右为：数控磨、去重、平衡、数控钻、数控车、 数控车。零件加工完毕后，在出口右边完成完成后续处理。后续处理完成之后 进入包装区，完成零件的包装。在车日j 的右边设有卫生间，工具室，和铁屑库。 整个车b j 布置紧凑，布局合理，整个白局设置符合人性化要求。物流畅通， 缩短了工件在生产中的运输路程。 1 4 硕士学位论文第二章物流分拣系统布局研究 2 2 2 分拣系统平面布局 图2 6 改进后的车间布局图 图2 7 机械零件分拣机平面布置图 在图2 6 的车间席局上来进行分拣机的平面布置设计。我们用传送链将生 产线末端，后续处理工艺，包装区间联起来，形成一个封闭的环，传送链做自 硕士学位论文 第二章物流分拣系统布局研究 封闭循环运动。 本成品从机加工线最外侧第一台机床开始加工，一道工序一道工序向中间 流，逐步“流”过数控车、数控车、数控钻平衡、去重、数控磨等工序，到 达生产线末端，加工完毕的零件直接上钩，随传送链一起运动，零件在经过后 续处理区间的同时完成后续处理，到达零件分选区，由装置识别零件身份，然 后由控制器控制机械系统动作完成零件分拣。 所谓关键工序即完成各道工序所需时间最长的路线。该生产过程的关键工 序为：数控车、数控磨、钻孔、动平衡、检验、清洗、浸油、风干、包装。各 机加工工序紧密排列，缩短了零件在工序之间的流动时间，缩短了关键工序完 成时间。零件加工完毕直接上钩，使零件等待的时间为零，实现了生产过程中 零库存，零件的传送过程完成后续处理，生产线由原来的串连变成了并行连接， 大大减少了零件非机加工生产时间，显著缩短了零件关键工序的时间。整个生 产布局合理，生产场地利用充分，物流智能化，生产物流通畅，显著缩短了零 件的关键工序时间，提高了生产效率，降低了企业生产成本。 2 4 机械系统研究 2 4 1 载运工具 载运工具是本系统中非常关键的一个部分，负责刹车盘的输送任务，并且 要求能在控制器的控制下，实现自动承载输送和脱钩复位。载运工具的设计如 图2 8 ，它具有承载锁定和锯锁释放两个状态，实现工件的载运和脱钩释放。 它等间距地悬挂在悬链链板上，随悬链作匀速移动。由i c 卡1 、导向轴承2 、 钩体3 、触发棘轮4 和动杆5 组成。钩体3 成“z ”字形状，上部与悬链链板柱 销连接，并固定一张i c 卡：中部安装有一导向轴承2 ，防止读卡和脱钩时挂钩 晃动；下部固接触发棘轮4 。 触发棘轮4 结构如图2 9 所示，由扳机6 、棘爪销7 、棘爪复位扭簧8 ，棘 爪9 、棘轮轴l o 、活动轮1 1 、挡块1 2 、活动轮复位扭簧1 3 ，和棘轮体1 4 组成。 棘轮体与钩体3 固连：活动轮1 1 与动杆5 固连，通过棘轮轴与棘轮体铰接，并 由复位扭簧1 3 沿逆时钟方向靠上固定于棘轮体1 4 上的挡块1 2 ；棘爪9 通过棘 爪销7 铰支于棘轮体左边，并由棘爪复位扭簧8 作用紧靠活动轮沿上的棘齿， 1 6 硕士学位论文 第二章物流分拣系统布局研究 图2 8 触发式挂钩图 1i c 卡2 导向轴承3 钩体4 触发棘轮5 动杆 图2 9 挂钩棘轮结构图 6 扳机7 棘爪销8 棘爪复住扭簧9 棘爪1 0 棘轮轴1 1 活动轮1 2 挡块 1 7 lr l-， -l-ir i 件后，棘爪承受工件负荷；脱钩时由脱钩执行气缸触碰扳机，释放工件，工件 脱落后，由棘轮复位扭簧使动杆自动复位。 为了适应各种形状的的零件，动杆形态可以采用杆状、托板或托盘状，根 据分拣零件形状来确定，挡分拣零件有穿挂孔时，动杆采用杆状，当无穿挂孔 时，动杆采用托板或托盘状。 棘轮使挂钩承载稳定可靠，不会出现在循环过程中工件脱落的现象。气缸 触发挂钩时，零件脱钩迅速，准确可靠，不会出现脱不下的现象。脱钩后，挂 钩自动复位，回到待承载状态，复位可靠。整个挂钩在整个工作过程无需人工 干预，工人只需要将工件挂上挂钩即可。具有承载范围宽、结构简单、脱钩迅 速、脱钩作用力小，不影响挂钩悬链正常工作等优点。 2 4 2 脱钩缓冲装置 脱钩缓冲装置的功能是使零件脱钩软着陆，避免零件表面质量和包装工作 台面的撞击破坏。本脱钩装置由脱钩执行、工件软着陆机构和工件缓存架三部 分组成，具有读卡、计数显示、脱钩、脱钩零件软着陆、零件缓存和通讯等功 能。 如图2 一l o 所示，脱钩执行部分由读卡天线1 、导向轨道9 、气缸或电磁铁 3 、机架4 和读卡脱钩控制器1 0 组成。当工控机发送的状态值和本控制器地址 相符时，读卡脱钩控制器就发送命令指令气缸或电磁铁3 动作，触碰挂钩2 上 的扳机，释放工件，并实时显示工件型号和下钩数量。 工件软着陆机构的作用是使脱钩工件平稳落下，并工件导入缓存架。它由 斗形托架1 1 、复位弹簧5 和缓冲器7 组成，斗形托架l l 铰支在机架4 上，由复 位弹簧5 沿逆时钟方向拉至承载工件角度，缓冲器7 一头铰支于机架4 另一头 铰支于斗形托架，机架4 安装在基础件6 上脱钩落入斗形托架内的工件自重 使斗形托架克服复位弹簧5 拉力沿顺时针方向翻下，将工件导入工件缓存架1 2 ， 翻下过程中，缓冲器能使斗形托架平缓落下，避免了冲击。 1 8 l l 图2 一1 0 读卡脱钩缓冲装置侧视图 l 天线2 挂钩3 气缸4 机架5 复位弹簧6 基础件7 缓冲器b 挂钩悬链 9 导向轨道1 0 读卡脱钩控制器l l 斗形托架1 2 斜坡滚道1 3 工件1 4 包装台 缓存架由斜坡滚道和水平滚到两端组成，水平段接包装台1 4 ，斜坡段低端 接水平段，高端与工件软着陆装置中的斗形托架l l 间歇对接，其作用使承接并 暂存下钩工件，以便成批集中进行包装处理，先后脱钩的工件依次沿斜坡滚道 1 2 滑下，并在斜坡滚道和水平滚道内排队暂存，图2 - 1 1 所示为双联脱钩装置 的正视图。 采用带缓冲、自动复位的工件软着陆装置，使工件脱钩后下落平稳，很大 程度上避免了工件表面和机件损伤。脱钩装置带斜坡形工件缓存架暂存工件， 容许各分拣出口短时间无人看守，便于包装人员对工件进行分时集中处理，一 人看管多通道，节省人力，提高了工作效率。 1 9 颂十学位论文 第二章物流分拣系统布局研究 8 2 图2 1 1 双联读卡脱钩装置正视图 1 天线2 挂钩4 机架8 挂钩悬链1 3 工件 2 5 本章小节 1 4 13 对j i t 生产模式的生产要求，分析了传统生产模式的弊端，并对企业生产物 流进行分析，提出了刹车盘智能分拣系统的设计要求。针对该生产环境，对车 间和分拣系统布局进行了设计，显著缩短了零件生产的关键工序时间，实现了 生产过程中零件零库存，物流畅通，并实现了智能分拣到其对应的生产线，显 著提高了生产效率。最后对工件的载运工具和脱钩缓冲装置进行了研究，该装 置结构简单，工作稳定可靠，很好地实现了工件载运，自动脱钩和缓冲等功能。 ，jl1-j 颂七学位论文 第三章物流分拣系统总体研究 第三章快速移动目标自动识别研究 刹车盘身份识别是本系统中的一大难题，工件上钩速度很快，最快速度可 达0 5 件每秒，每个挂钩之间的间距为5 0 0 毫米，则传送链的速度至少要达到 1 5 米每秒，工作环境恶劣，不仅有来自车间生产带来的各种干扰，而且工件在 输送过程中还要经过一系列的后续处理，并且不能给工件质量造成任何损坏。 解决如何识别工件身份是本章研究工作要解决的问题。 3 1 识别技术研究 分拣系统按识别方式分，可以分成两类，一类根据被分拣对象的固有属性 ( 如重量、外形尺寸、外形、硬度等) 就能将它们分拣开的，这类分拣机识别 方式一般采用传感器、摄相头等，能直接获取对象属性，然后由控制器根据获 取属性数据控制机械和电气系统动作，达到分拣目的；另一类根据被分拣对象 的固有属性不能或者很难将他们分拣开来的( 如邮件、包裹等) ，对于这些对象 我们必须给它们外加上一个统一的身份标识( 如条形码等) ，当它们通过这个身 份标识识别装置( 如条形码阅读器等) 的时候识别出它们的身份，然后由控制 器发出分拣指令，控制机械和电气系统动作，达到分拣目的。 3 1 1 自动识别技术对比研究( 1 6 1 近年来，很多自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、 在商业部门，在生产企业和材料流通领域得到了快速的普及和推广。使用比较 广泛的自动识别技术有以下几种：条形码技术、光学符号识别、语音识别、i c 卡、射频识别技术。光学符号识别是通过识别一种字体( 风格特殊的字符) ，人 们可以按照正常方式来阅读，也可以由机器自动地来监测。优点有：信息密度 高，在紧急情况下也可以用眼睛阅读数据。语音识别是说话人使用一个与计算 机相连接的麦克风说话，计算机将说话人话音转变成数字信号，再由识别软件 检测这些数字信号i c 卡是通过把记录有被识别对象信息的i c 卡插入读写器来 达到识别的目的。射频识别技术和i c 卡有着密切的联系，它不需要和读写器接 触就能读出射频卡里面的信息。 2 i 硕十学位论文第三章物流分拣系统总体研究 针对以上各种自动识别方法，现在把它们的优缺点做一个对比，如表2 - 1 。 方 数法 条形码 图像识别 语音识别i c 卡 射频识 爹 别技术 典型数据量