中空玻璃以隔热效果好、隔音效果强等特点, 广泛应用在建筑、家具等行业[1,2,3,4,5,6]。玻璃仓储系统是玻璃配对、分拣、储存为一体的新型智能控制的玻璃深加工设备, 适用于玻璃钢化后, 中空前的玻璃生产缓冲存储。该系统实现了玻璃精准配对、快速调度、减少多次储存带来的玻璃划伤, 是玻璃深加工行业实现全程自动化生产的核心设备[7]。

国外的中空玻璃深加工设备主要以李赛克公司为主, 文献相对较少。随着国内中空玻璃深加工产业的飞速发展, 国内深加工设备逐渐赶上世界水平[8], 但是中空玻璃仓储系统主要以进口设备为主, 售价较高, 增加了玻璃生产的成本。由于国内对中空玻璃仓储系统的研究主要是在软件平台上对设备运行的可靠性进行仿真分析[9,10], 为此自主设计一套智能的玻璃仓储系统具有重要的意义。

自动化仓储系统是人工不直接处理的情况下能自动存储和取出物料的系统[11,12,13,14]。本研究在自动化仓储的基础上提出一种智能化中空玻璃仓储系统, 设计出中空玻璃智能仓储的存取、储存机构、输送设备和控制装置。

玻璃仓储系统作为玻璃深加工生产线的核心, 存在于流水区域后中空区域前, 起到玻璃缓存作用, 是中空玻璃深加工的流程中最为关键的一个中间环节。

中空玻璃深加工流程图如图1所示。

图1 中空玻璃深加工流程图  下载原图

玻璃仓储系统包括ERP (企业资源计划) 系统、IPC (工业控制计算机) 模块、出入库搬运小车系统、网格架系统等。其系统的基本框架如图2所示。

图2 玻璃仓储控制系统基本框架图  下载原图

网格架分为若干个巷道, 每个巷道都是个储存单元。ERP系统是为出入库玻璃分配巷道信息, IPC系统协调小车之间的运动 (位置指令传达、传感器信息采集等) 。

玻璃入库或者出库时, 出入库搬运小车与网格架下面的底部搬运小车通过IPC接收来自ERP系统发送的位置指令, 同时移动到需要入库或者出库的巷道位置。到达指定位置后, 出、入库小车的传动带和底部小车的传动轮进行同向同步运动, 完成玻璃的出、入库工作。一般情况下, 一次可以入库多片玻璃;出库时, 依据玻璃配对情况进行出库。

高精度的出、入库搬运小车设备具备三维运动能力, X方向采用链条连接的滚轮组以实现出、入库的玻璃平移;在Y方向采用水平平行导轨实现玻璃的快速搬运;在Z方向采用连杆轴承带动玻璃承接板摆动以防止快速搬运时的惯性导致的玻璃跌落, 其基本的结构如图3所示。

图3 出入库搬运小车设备结构示意图  下载原图

1—减速箱;2—翻转电机;3—导轨;4—玻璃承接板;5—Y轴传送电机;6—滚轮组;7—X轴传送电机

出、入库搬运小车的功能是依据分类对玻璃进行入库存储, 中空操作前依据配对情况将网格架巷道里面的玻璃选择性的出库, 减少中空胶装前玻璃配对的时间, 提高中空效率。

搬运小车主要由X轴、Y轴、Z轴上3个伺服电机, 平行导轨模块, 玻璃承接板模块和若干个传感器组成。

设备工作时, 出入库小车伺服系统通过IPC获得ERP给出的巷道的位置信息, 驱动Y轴传送电机在平行导轨上运动到相应的位置, 并实时监测电机反馈检测出小车的实时位置信息;小车在高速行进的过程中为了避免玻璃滑落, Z轴翻转电机带动连杆轴承驱动承接板翻转相应的角度;当小车移动到巷道位置时, X轴传送电机工作, 进行玻璃出入库动作。

网格架系统主要包括钢化网格架和网格架下面的底部搬运小车。底部搬运小车同样具备三维运动能力, 主要的结构由一台高精度Y轴传送电机、两台X轴传送电机、Z轴由两个能顶起传送轮的气缸和传感器装置构成, 基本结构如图4所示。

图4 网格架系统结构示意图  下载原图

1—网格架;2—Y轴传送电机;3—气缸装置;4—行进开关;5—传送轮;6—X轴传送电机;7—巷道

底部搬运小车依靠Y轴传送电机进行运动寻址, 到达指定的巷道下面;依靠X轴传送电机进行玻璃的出入库传送;依靠Z轴气缸装置将底部玻璃传送架进行升降。

网格架下有多个底部搬运小车, 底部小车相对于出入库小车运行速度较慢, 根据要到达的巷道位置信息, 采用多个小车协调运动和分区域最近距离的原则, 缩短运行距离, 提高出、入库的效率。

出、入库小车设备采用3台伺服电机分别实现小车的导轨行进、玻璃承接板的翻转、玻璃的滚轮组滚动操作。底部小车由两台伺服电机担任行进和传送任务。

网格架的巷道对应不同的位置信息, 将到达不同位置下的加速度、减速度、最高速度等运动控制信息提前输入伺服器中, 以便在运动的过程中给定的巷道位置后快速确定运行参数。伺服器会实时根据检测编码器返回的脉冲数据, 对运动控制参数进行调整, 使停车位置更加精确。承接板的翻转角度决定了玻璃运送的可靠性, 采用两个限位开关限制翻转的角度。

在工作过程中, 玻璃进入测量端时, ERP系统收到玻璃到达指令后, 给伺服器下达巷道的位置信息。伺服器接收到位置信息后, 读取已储存在伺服器内该位置的电机运行的各个参数, 并向电机输出速度指令。同时, 监测位置的绝对值编码器会实时反馈脉冲数检测得到位置信息, 伺服器根据反馈的信息对速度进行调节, 控制电机的精确停止。在电机运动的过程中, 翻转电机会使翻转承接板翻转一定的角度, 保证玻璃在搬运过程中平稳、可靠。到达指定的巷道位置后与底部搬运小车进行联动, 进行入库操作, 玻璃运行的过程中有众多传感器不断监测玻璃实时的位置, 防止玻璃进库时移动距离过多而脱落。玻璃仓储系统的控制及流程图如图5所示。

图5 仓储系统流程图  下载原图

该实验是在Lenze公司的E94A系列伺服器的实验平台上进行实验仿真, 所搭建的伺服控制实验平台如图6所示。该伺服器除了伺服的基本功能外, 还兼具PLC功能, 可根据需要进行编程, 修改程序参数, 以满足不同的功能, 通过诊断配置器实时监测伺服器反馈的数据信息。

实验中, 为接近工业现场需要, 采用380 V交流电进行伺服器和伺服电机的供电, 用数字量开关代替工业上的零点, 主要进行小车运行开始时寻零点操作, 为实验中找到位置参考点。

图6 伺服器实验平台实物图  下载原图

该系统中的伺服电机除了驱动还要具备精确地定位功能, 以下针对出入库搬运小车中的Y轴方向的电机进行仿真分析。该实验中伺服器和伺服电机的外部电气连接图如图7所示。

图7 伺服器外部接线图  下载原图

T1, T2—温度传感器;Y—电机握持制动;X8—绝对值编码器反馈;Rb—刹车电阻

T1、T2与电机的温度传感器相连接避免电机的短路;Rb是为了防止电机制动时产生大量的制动能量对伺服器的损害, Y是电机的紧急停止模块, X8是绝对值编码器, 实时检测电机的位置信息。可靠的保护和反馈系统保证了整个设备的稳定、安全运行。

本研究采用表定位的位置定位方式, 在Lenze公司开发的Engineer软件中仿真。表定位的运动参数如表1所示。

表1 表定位的运动参数  下载原图

本研究将如表1所示的位置的参数输入到伺服器表定位的功能块中, 利用软件调用表定位里面的数据信息。

本研究通过软件监测电机的实际速度, 通过光电位置传感器返回电机运行的实际位置, 在Data logger界面中得到仿真波形。仿真结果如图8所示。

图8 位置仿真图  下载原图

1—实际速度曲线 (Actual speed[rpm]1/Div=20) ;2—表定位的位置曲线 (Table:Position x[unit]1/Div=1k) ;3—实际的位置曲线 (Actual position[unit]1/Div=1k)

实际位置到达2 999.992 7 unit (unit=πD/1 800, 转盘的直径D=50 mm) , 绝对误差为-6.37×10-4mm。电机运行的最大速度也在800 rap左右, 和设置的结果近似相等。

为防止产生偶然误差, 本研究进行每个位置多次实验测量取平均的方法, 实验结果如表2所示。

表2 不同位置的运动参数  下载原图

计算后得到相对误差分别为0.000 13%、0.000 1%、0.000 2%, 实验结果足以满足实际设备对位置精确的要求。

本文提出了智能化中空玻璃仓储系统的总体方案, 并搭建硬件平台进行了实验验证, 结果表明:该系统可以实现搬运小车的精确停车。进行了实物平台设计与应用, 对提出的智能化中空玻璃仓储系统进行了验证, 实验表明:在运行性能和精度上该系统与国外的水平相近, 运行可靠, 可以替代进口设备。

下一阶段工作是为该系统开发一套配套的ERP系统, 由于ERP系统是该实验平台的上层管理系统, 为进一步提高系统的工作效率, 需要完善ERP系统对小车之间协调运动的控制方法, 以提高整个系统的效率。