陳 聰

（北京奔馳汽車有限公司， 北京 100176）

0 引言

隨著我國(guó)整車制造業(yè)近年來的迅猛發(fā)展， 焊裝生產(chǎn)線在自動(dòng)化、柔性化與智能化方向上的不斷攀升，一種兼具工件傳輸與緩存功能的機(jī)電集成系統(tǒng)，積放式緩存，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 積放式緩存系統(tǒng)（ACC Buffer，Accumulated buffer system） 是一種應(yīng)用于生產(chǎn)線工件傳輸， 并可在傳輸方向?qū)崿F(xiàn)工件存儲(chǔ)的一種自動(dòng)化系統(tǒng)[1]。在實(shí)際的工業(yè)場(chǎng)景中， 使用此系統(tǒng)滿足了焊裝生產(chǎn)對(duì)工序間傳遞、工件精確定位、線間存儲(chǔ)管理等功能需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，且在工件載體與功能上具備良好的可擴(kuò)展性。

本文結(jié)合生產(chǎn)線應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例， 就在整車焊裝車間積放式緩存應(yīng)用所需遵循的一系列機(jī)電關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求進(jìn)行論述和探討。

1 主要機(jī)電結(jié)構(gòu)及功能

1.1 主要部件構(gòu)成

焊裝車間常用的積放式緩存（以下簡(jiǎn)稱ACC buffer或ACC）主要分為四大部分。 主要部件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

（1）架體總成，由鋁合金型材為基礎(chǔ)構(gòu)成，形成整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)承載框架；

（2）動(dòng)力部分包括有動(dòng)力組件（電機(jī)和減速器）和傳動(dòng)、從動(dòng)組件（動(dòng)力軸、翻轉(zhuǎn)盤、鏈條、從動(dòng)軸等）以及附屬的張緊組件、潤(rùn)滑組件等；

（3）承載組件部分，由一個(gè)個(gè)的托板和其上的支撐定位部件組成，實(shí)現(xiàn)ACC 緩存系統(tǒng)的傳輸功能，用以承載車身總成零件；

（4）控制部分，由傳感器（組）、擋停組件、閥島組件等構(gòu)成，用以實(shí)現(xiàn)托板的運(yùn)行控制和檢測(cè)。

圖1 ACC buffer 主要部件構(gòu)成示意圖

同時(shí)為實(shí)現(xiàn)在線預(yù)防性維護(hù)和調(diào)整， 簡(jiǎn)便其維護(hù)保養(yǎng)，降低維修時(shí)間，ACC buffer 還應(yīng)該設(shè)計(jì)安裝在線檢具。在線檢具作為檢測(cè)基準(zhǔn)， 用于調(diào)整托板上的定位塊和定位銷的位置，保證工件放置位置的準(zhǔn)確性。 在線檢具一般應(yīng)安裝在托板的擋停位置。

1.2 主要部件功能

電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器輸出的動(dòng)力通過驅(qū)動(dòng)軸和齒輪帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)軸通過兩側(cè)齒輪將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞至傳輸鏈條，同時(shí)將動(dòng)力傳遞至另一端的從動(dòng)軸及其齒輪上。傳輸小車及其托板與鏈條相連接。 為保證托板的運(yùn)動(dòng)，托板與鏈條之間的連接由一個(gè)帶有自身阻尼的齒輪部件完成。這個(gè)阻尼系統(tǒng)保證托板可以在被鏈條驅(qū)動(dòng)的傳輸系統(tǒng)上移動(dòng)，直至被擋停部件或堆積的其他托板阻止。之后托板齒輪部件上的阻尼被克服，開始自由轉(zhuǎn)動(dòng)，使托板靜止在擋停位上。

為保證傳輸工件的位置精確， 在停止位一般使用氣缸將工件按要求雙向夾緊或釋放。

整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的工作都是基于各種傳感器， 通過電氣控制監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)的。

1.3 信號(hào)傳感器設(shè)計(jì)要求

基于積放式緩存的功能要求， 至少需要四處擋停器設(shè)計(jì)，上件位、取件位、和上下兩層各一個(gè)緩存堆積位。對(duì)于此四處擋停位置，傳感器設(shè)計(jì)一般遵循以下基本要求：

（1）兩個(gè)感應(yīng)傳感器來檢測(cè)每個(gè)氣缸的開合狀態(tài)。

（2）一個(gè)感應(yīng)傳感器檢測(cè)每處擋停位置托板是否到位。

（3）兩個(gè)光電傳感器（兩側(cè)對(duì)射）在上件位檢測(cè)工件是否正常裝載到位。

（4）兩個(gè)光電傳感器（兩側(cè)對(duì)射）在取件位檢測(cè)工件是否正常卸載完成。

（5）一個(gè)感應(yīng)傳感器檢測(cè)托板已離開上件工作區(qū)域。

（6） 一個(gè)感應(yīng)傳感器檢測(cè)托板已離開下件工作區(qū)域。

每套ACC buffer 系統(tǒng)設(shè)計(jì)都有其相應(yīng)生產(chǎn)線工位及運(yùn)載工件的專用需求，因而也會(huì)有不同的擋停位置、擋停數(shù)量，和擋停距離等?；诖?，每套ACC buffer 的最終控制方案都會(huì)有所差異。 一般性電氣控制方案示例見圖2。

圖2 ACC buffer 電氣控制示意圖

2 安全設(shè)計(jì)要求

2.1 手工操作安全設(shè)計(jì)要求

ACC buffer 可以使用在人工上件或取件的工況下，但其安全保護(hù)設(shè)計(jì)必須得到重視和加強(qiáng)。 一般要求遵循以下安全設(shè)計(jì)要求：

（1）人工操作端的托板翻轉(zhuǎn)區(qū)域必須安裝擋板，避免正常工作狀態(tài)下的人員接觸。

（2）擋板的設(shè)計(jì)應(yīng)保證操作人員無法觸摸到翻轉(zhuǎn)盤、動(dòng)力軸、軸承等驅(qū)動(dòng)部件。

（3）人工操作端的托板翻轉(zhuǎn)區(qū)域必須設(shè)計(jì)并安裝異物檢測(cè)傳感裝置，并做相應(yīng)反饋信號(hào)安全控制方案，以在異物進(jìn)入時(shí)使傳輸動(dòng)力系統(tǒng)急停。

（4）在人工操作的可達(dá)區(qū)域位置，應(yīng)安裝安全急停按鈕。 如圖3 所示。

2.2 自動(dòng)島安全設(shè)計(jì)要求

完全與自動(dòng)化生產(chǎn)線集成的ACC buffer 其自動(dòng)化安全設(shè)計(jì)主要包括自身傳輸系統(tǒng)的安全區(qū)設(shè)計(jì)和與上下件端自動(dòng)化生產(chǎn)線的程序安全互鎖策略兩個(gè)方面。 一般應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)要求。

圖3 人工操作端安全防護(hù)方案示例

2.2.1 ACC buffer 安全區(qū)設(shè)計(jì)

在ACC buffer 的上下件端，由于為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軸、托板翻轉(zhuǎn)盤等機(jī)構(gòu)及抓放件機(jī)器人的工作位置和空間， 必須設(shè)置為獨(dú)立安全區(qū)， 使用標(biāo)準(zhǔn)安全門與維修平臺(tái)上的其他區(qū)域隔開。在ACC buffer 的下層（工件傳輸層），應(yīng)在兩側(cè)使用安全圍欄與維修平臺(tái)隔開。 對(duì)下層區(qū)域的維修進(jìn)入需求，設(shè)計(jì)上應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)安全門，或一旦檢測(cè)到圍欄打開，傳輸動(dòng)力系統(tǒng)將立即停機(jī)的安全策略。安全區(qū)設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 ACC buffer 安全區(qū)設(shè)計(jì)方案示意圖

2.2.2 與上下件端自動(dòng)化生產(chǎn)線的安全互鎖

ACC buffer 與上下件端自動(dòng)化生產(chǎn)線的安全互鎖主要分為急停和安全門正常開啟兩種情況。 ACC buffer 與自動(dòng)化生產(chǎn)線由于物理空間的連接重疊和軟件程序的互相關(guān)聯(lián)，應(yīng)作為一個(gè)體系來探討其安全策略。 同時(shí)，在保證安全的前提下， 安全策略的設(shè)定也應(yīng)當(dāng)考慮盡量降低對(duì)生產(chǎn)線整體開動(dòng)率的影響。依據(jù)不同的條件，此體系各區(qū)域應(yīng)遵循的基本安全程序詳細(xì)要求如下：

（1）出現(xiàn)急停情況的安全策略。①上件端自動(dòng)島出現(xiàn)急停信號(hào)：ACC buffer 上件端安全區(qū)與地面上件端自動(dòng)島同時(shí)停止工作；ACC buffer 傳輸動(dòng)力系統(tǒng)停機(jī)；ACC buffer 下件端安全區(qū)與地面下件端自動(dòng)島繼續(xù)工作；②ACC buffer 上件端安全區(qū)出現(xiàn)急停信號(hào)：ACC buffer 上件端安全區(qū)與地面上件端自動(dòng)島同時(shí)停止工作；ACC buffer傳輸動(dòng)力系統(tǒng)停機(jī)；ACC buffer 下件端安全區(qū)停止工作；地面下件端自動(dòng)島取件機(jī)器人停止工作， 下件端自動(dòng)島其余部分繼續(xù)工作；③下件端自動(dòng)島出現(xiàn)急停信號(hào)：ACC buffer 下件端安全區(qū)與地面下件端自動(dòng)島同時(shí)停止工作；ACC buffer 傳輸動(dòng)力系統(tǒng)停機(jī)；ACC buffer 上件端安全區(qū)與地面上件端自動(dòng)島繼續(xù)工作； ④ACC buffer 下件端安全區(qū)出現(xiàn)急停信號(hào)：ACC buffer 下件端安全區(qū)與地面下件端自動(dòng)島同時(shí)停止工作；ACC buffer 傳輸動(dòng)力系統(tǒng)停機(jī)；ACC buffer 上件端安全區(qū)停止工作； 地面上件端自動(dòng)島放件機(jī)器人停止工作，上件端自動(dòng)島其余部分繼續(xù)工作。

（2）安全門正常開啟情況下的安全策略。安全門正常開啟是指操作人員在轉(zhuǎn)動(dòng)門鎖打開安全門之前， 首先使用“工作循環(huán)停止”按鈕，使生產(chǎn)區(qū)域按照程序設(shè)定，在當(dāng)前生產(chǎn)工序節(jié)拍完成后，生產(chǎn)設(shè)備正常停止運(yùn)行，并最終釋放信號(hào)使安全門鎖可以正常開啟。 ①上件端/下件端自動(dòng)島安全門正常開啟：ACC buffer 相應(yīng)端安全區(qū)停止工作；ACC buffer 傳輸動(dòng)力系統(tǒng)繼續(xù)工作。 此區(qū)域機(jī)器人在安全門開啟狀態(tài)下，只能在T1 模式（手動(dòng)模式）下運(yùn)行，安全門關(guān)閉及經(jīng)安全確認(rèn)后，機(jī)器人才可在T2 模式（自動(dòng)模式）下運(yùn)行；②ACC buffer 安全門正常開啟：地面相應(yīng)端自動(dòng)島停止工作；整套ACC buffer 停止工作；地面相應(yīng)端自動(dòng)島機(jī)器人在安全門開啟狀態(tài)下，只能在T1 模式（手動(dòng)模式）下運(yùn)行，安全門關(guān)閉及經(jīng)安全確認(rèn)后，機(jī)器人才可在T2 模式（自動(dòng)模式）下運(yùn)行。 地面另一端自動(dòng)島取/放件機(jī)器人停止工作。 同時(shí)，對(duì)于在實(shí)際生產(chǎn)線運(yùn)行中還會(huì)出現(xiàn)的安全門控制程序中 “Area secured”（區(qū)域清空）與“Special function”（特殊功能）情況，與安全門正常開啟采用相同安全策略。

2.3 扭矩載荷監(jiān)控

ACC buffer 系統(tǒng)應(yīng)裝備驅(qū)動(dòng)電機(jī)超載信號(hào)傳感器。要求此傳感器在正常工作狀態(tài)中信號(hào)常為“1”，一旦出現(xiàn)超載，此傳感器信號(hào)丟失，值為“0”。

此扭矩超載信號(hào)應(yīng)做相應(yīng)安全編程設(shè)計(jì)， 一旦檢測(cè)到超載，傳輸動(dòng)力系統(tǒng)將停機(jī)。此信號(hào)可以與其他安全信號(hào)做統(tǒng)一編程考慮，諸如急停、安全門、安全光柵或掃描雷達(dá)等。

此監(jiān)控一般通過在電機(jī)位置的信號(hào)傳感器來實(shí)現(xiàn)。使用傳感器來檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的支撐板位置，一旦電機(jī)超載，電機(jī)自身發(fā)生的旋轉(zhuǎn)將帶來其支撐板位置的變化（約5°），超載傳感器檢測(cè)到此位置變化，發(fā)出超載信號(hào)。 扭矩超載傳感器方案示意圖見圖5。

圖5 扭矩超載傳感器方案示意圖

2.4 非工作狀態(tài)驅(qū)動(dòng)關(guān)停

為減少零部件的磨損和能源消耗，ACC buffer 系統(tǒng)可考慮在無上件及下件信號(hào)持續(xù)三十分鐘之后， 自動(dòng)關(guān)停驅(qū)動(dòng)電機(jī)。并在上件或下件端重新檢測(cè)到零件信號(hào)后，自動(dòng)重啟電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.5 張緊狀態(tài)監(jiān)控

為保證對(duì)傳輸鏈條的張緊力的持續(xù)監(jiān)控， 張緊組件中需安裝檢測(cè)傳感器。一旦出現(xiàn)鏈條張緊力不足的情況，將發(fā)出信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)停機(jī)。 該功能所用部件見圖6。

圖6 張緊狀態(tài)監(jiān)控示意圖

3 ACC buffer 維修可達(dá)性及安全設(shè)計(jì)安裝要求

ACC buffer 使用較多見于空中傳輸工況， 其系統(tǒng)各部件的維修便利性、可達(dá)性及其相應(yīng)安全保障，尤其在此種使用場(chǎng)景下，必須在設(shè)計(jì)安裝中保證滿足。包括并不限于以下方面：

（1）空中ACC buffer 端部傳動(dòng)軸等部件必須保證左右兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)維修平臺(tái)可達(dá)，見圖7（a）所示。

（2）電機(jī)、托板等較重部件必須考慮其更換吊裝維修方案，并在鋼結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)相應(yīng)吊裝設(shè)備安裝點(diǎn)，見圖7（b）所示。

（3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變頻器須預(yù)留檢修及更換位置，如下圖7（c）所示。

（4）如無特殊空間條件限制，ACC buffer 下層（工件傳輸層）需保證至少1.8m 高度空間，便于維修可達(dá)。

（5） 空中ACC buffer 下層平臺(tái)兩端應(yīng)設(shè)計(jì)并安裝人員防墜落措施。 在人員進(jìn)入下層平臺(tái)進(jìn)行維護(hù)檢修工作時(shí)，此裝置可人工或自動(dòng)啟用。 當(dāng)人員離開后，系統(tǒng)還應(yīng)具備功能， 以監(jiān)測(cè)防墜落裝置是否處于不影響正常傳輸?shù)奈恢?。如圖7（d）所示帶位置傳感器的人工網(wǎng)片形式供參考。

（6） 空中ACC buffer 下層金屬防護(hù)網(wǎng)保護(hù)范圍必須絕對(duì)充分， 至少要求延伸至自動(dòng)島內(nèi)。 不允許在工藝操作、物流通道、監(jiān)控設(shè)備等涉及人員經(jīng)常性出現(xiàn)的地方存在工件掉落風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 維修可達(dá)性要求示意圖

（7）ACC buffer 下件端應(yīng)在鋼結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)并安裝獨(dú)立于傳輸系統(tǒng)的夾緊機(jī)構(gòu)，該夾緊機(jī)構(gòu)由氣缸與夾頭組成。當(dāng)工件傳輸?shù)轿缓?，氣缸夾緊、夾緊固定工件，以消除工件的晃動(dòng)，保證安全與取件的精度。 在ACC buffer 上件端如有必要，也建議增加夾緊機(jī)構(gòu)，托板傳輸?shù)轿缓笥糜趭A緊托板，保證安全與上件的精度。 如圖7（e）、（f）所示。

4 結(jié)束語

本文首先對(duì)焊裝生產(chǎn)線積放式緩存的主要機(jī)電結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析和闡述，對(duì)其信號(hào)傳感器的設(shè)計(jì)明確了一般性要求?；诓煌墓r， 按照手工操作、自動(dòng)島安全區(qū)與互鎖邏輯，和設(shè)備監(jiān)控等方面，對(duì)該系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了詳細(xì)的展開論述。 最后從設(shè)備維修實(shí)操的角度，對(duì)各項(xiàng)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和安裝要求進(jìn)行了說明。 最終形成對(duì)焊裝生產(chǎn)線積放式緩存的機(jī)電設(shè)計(jì)安裝原則得到完整的一般性理解。 為該系統(tǒng)在整車制造焊裝生產(chǎn)領(lǐng)域更進(jìn)一步的規(guī)范、高效和安全的應(yīng)用提供通用性技術(shù)方案。