陈 星

(南京信息职业技术学院 智能制造学院，江苏 南京 210036)

当前，全球进入新工业革命时期，先进高效的工业生产模式是企业追求的共同目标。随着信息科学、机械机构、电磁学、控制技术、新材料等技术的高速发展及应用，智能制造使现代企业能够智能、高效地运行[1]。流水线工作模式是企业实现快速生产的重要形式，随着大数据、高速网络、动态感知、人工智能、精密机械等技术的实践应用，传统的以人工为主体的流水作业，逐渐被智能设备代替，从而使企业的生产效率得到提升[2]。

1 高效循环流水线的组成和工作过程

1.1 高效循环流水线的组成

高效循环流水线由支撑框架、控制中心、线上运行模块、功能应用模块组成[3]。支撑框架由标准铝型材及连接件拼接而成，按照使用需求搭建环形（矩形、圆形、多边形等）回路，实现对线上运行机构的承载与力学支撑。控制中心由计算机系统、信息采集与反馈（传感器）、信息传递（传输网络）、控制响应与执行（PLC）、执行单元（执行电器、定子线圈等）和控制软件组成。线上运行模块由线性电机（定子线圈、动子永磁体）、运行导轨、滚轮承载体（含动子永磁体）、姿态传感器组成。功能应用模块是指分布在流水线周围的各种应用功能模块，如检测、上下料、拆装动作机构等[4]。高效循环流水线组成如图1所示。线上运行模块结构如图2所示。

图1 高效循环流水线组成

图2 线上运行模块结构

支撑框架上安装有环形托盘，在环形托盘上安装运行导轨、姿态传感器和线性电机的定子模块（定子线圈、保持架、编码标识等）形成连续环路。将带有滚轮、动子（永磁体）和传感器（定位标识）的滚轮承载体（运动小车）安装在导轨上，并使传感器定位标识处于姿态传感器的上方位置（悬空），滚轮与导轨形成过盈配合的纯滚动模式，动子永磁体处于定子模块的上方（悬空），共同完成线性电机运动。托盘上每个功能应用模块（工位）安装有两个姿态传感器（一个工作位、一个等待位），其安装位置和数量根据工位的变化而改变[5]。将功能应用模块安装在流水线的相对位置（可调整变换），并与滚轮承载体上的装置（托盘、夹具等）一起完成流水线赋予的工作任务。支撑框架和功能应用模块的相关位置安装有信息采集与反馈（传感器）、电器执行设备，并与定子线圈（每个线圈都是独立个体）、姿态传感器一起，通过电缆和控制中心相连，实现控制中心对流水线的动态感知和动作控制[6]。

1.2 高效循环流水线的工作过程

计算机系统根据生产需求，编写工作流程生成指令，通过网络传输至各个控制单元。工作初始化，各个功能应用模块(工作位1、2、3、4、5……)进入准备模式等待工作指令，运动小车到达起始点按照编码（A、B、C、D……）顺序依次排队等待。工作开始，控制中心命令需要动作的定子线圈（1、2、3、4、5……）工作，牵引A车到达1号工作位（B车到达1号等待位），1号工作位姿态传感器检测到A车将信息发送至控制中心，控制中心向1号工作位功能模块下达工作指令，1号工作位功能模块执行动作完成后，将信息发送至控制中心。定子线圈根据控制中心指令，牵引A车到达2号工作位（B车到达1号工作位，C车到达1号等待位），2号工作位姿态传感器检测到A车将信息发送至控制中心，控制中心向2号工作位下达工作指令，2号工作位执行动作完成后，将信息发送至控制中心。定子线圈根据控制中心指令，牵引A车到达3号工作位（如果1号工作位的工作时间比2号工作位短，B车在A车离开2号工作位之前就先完成1号工作位工作并到达2号等待位；如果1号工作位工作时间较长，则B车直接运行至2号工作位，C车依次等同排序），3号工作位姿态传感器检测到A车并将信息发送至控制中心，控制中心向3号工作位下达工作指令，3号工作位执行动作完成后，将信息发送至控制中心。当A车到达最后一个工作位完成任务，回到起始点排队，等待下一次循环工作，后续的小车以此类推，依次等同运行。

小车的运行状态由控制中心来控制，线性电机和滚轮导轨的快速响应能够让小车高效地完成相关动作，并及时、准确地到达指定位置完成工作任务[7]。小车的运行信息（运行时间、等待时间、动作频率等）将被记载到计算机软件中，生成文件，文件数据作为优化系统的依据，从而更好地提高流水线的工作效率。

2 高效循环流水线的应用构成

2.1 支撑框架

支撑框架使用标准铝型材和配件组装搭建而成，拆装简单、使用方便，可以根据需要组装成各种形态[8]。对于生产线来说，支撑框架的运行轨道形态多样，如矩形、圆形、多边形等。标准铝型材搭建的支撑框架具有扩展性强、应用广泛的特点。

2.2 线性电机

线性电机是实现快速响应的动力模块，由定子线圈和动子永磁体共同完成相关运动[9]。定子线圈按照一定的间距安装在保持架内，各自独立互不连通，并设定唯一编码，与控制中心的继电器端子相连实现电路连接，控制中心根据需要控制线圈的电流流向，生成不同的极性。动子永磁体的极性固定（N或S），依据磁体同性相斥、异性相吸的性质实现动作[10]。安装时，定子线圈不通电无磁性，动子永磁体安装在定子线圈的上方位置（悬空）。工作时，动子永磁体的左方为异性磁体时，定子线圈通电产生磁性，动子永磁体就向左方运动；动子永磁体运动到左方定子线圈上方时，定子线圈失电不产生磁性；动子永磁体运动到下一个左方的定子线圈通电时生成异性磁体。依次动作，动子永磁体就会一直向左运动，其运动速度取决于定子线圈的响应时间。当需要动子永磁体停止时，其正下方的定子线圈不失电产生异性磁性，左边的定子线圈无电不产生磁场，待动子永磁体停止后，其正下方的定子线圈失电不产生磁性即可。动子永磁体（N）从定子线圈2运动到8，定子线圈1、9为无电无磁性状态，2、3、4、5、6、7、8依次通电生成S极，并依次失电不产生磁性。同理，动子永磁体向右运动也是如此。线性电机工作原理如图3所示。

图3 线性电机工作原理

2.3 运动机构

高效循环流水线使用的滚轮导轨运动副由导轨、滚轮、承载板共同组成[11]。导轨根据使用要求采用不同形状，如单轨双边、单边双轨。导轨安装方式有水平安装、竖直安装、倾斜安装，接触面为V型90°/70°。滚轮承载体由滚轮、轴承、承载板、传感器标识构成。滚轮与导轨相连做纯滚动运动，接触面为V型90°/70°，滚轮的数量和位置根据流水线的形状而变化，安装时固定轮和调节轮共用便于调节，从而实现滚轮和导轨的过盈配合。轴承安装在滚轮内，根据受力情况选用向心/向心推力、单列/双列、滚子/滚珠轴承。滚轮承载体用来连接运动体与功能机构（托盘、夹具等），形状为矩形、梯形、圆弧等[12]。滚轮承载体的相对位置安装有传感器标识，可以实现流水线姿态传感器对滚轮承载体的信息采集。滚轮导轨运动副如图4所示。

图4 滚轮导轨运动副

2.4 控制系统

控制系统包括软件和硬件。软件为通用操作系统（Windows等）和专用控制软件（LabVIEW软件等）[13]；硬件包括计算机、传感器、控制单元、电机、网络设备、执行器件等。控制系统的构成是以控制单元（PLC/MCU）为核心，将PC作为上位机，定子线圈、继电器、姿态传感器和功能应用模块控制器作为下位机，传感器作为信息采集与反馈元器件。控制系统构成如图5所示。

图5 控制系统构成

2.5 功能应用模块

根据用途不同，功能应用模块的结构组成和控制构成作为独立单元或作为流水线的一部分，是完成流水线生产任务的执行部分，其功能多样，如上下料、装配、检测、贴标等[14]。

3 高效循环流水线在食品包装中的应用实现与分析

某食品企业以生产糕点类产品为主，需要将生产好的食品包装入库，要完成平面包装盒上线、包装盒成型、糕点装填、封盒包装、检测贴标、下线入库6道工序。生产包装过程要求无人参与、准确高效、快速可靠。包装盒要折叠成立体形状，质量为30 g。

3.1 高效循环流水线的应用实现

根据企业需求，本研究采用标准铝型材作为框架进行搭建，以线性电机和滚轮导轨运动副为运动执行机构，以PC和PLC控制器为控制系统，将光电传感器作为姿态传感器，通过独立功能应用模块完成相关动作，以LabVIEW为控制软件组建高效循环流水线。高效循环流水线的应用实现如图6所示。

图6 高效循环流水线的应用实现

1）流水线硬件。流水线支撑架构由标准铝型材和配件组装而成，上端安装跑道式环形面板。环形面板上安装有线性电机、滚轮导轨运动副、姿态传感器。线性电机选择德康威尔DKW ILM3-L241S的无铁心直线电机(基本参数为持续推力117.3 N，最大推力579.6 N，负载10 kg，速度1 m/s)；滚轮导轨运动副选择HEPCO公司的系统产品，两条NVE P1单边V型导轨，两个B-HJ18-C-NS固定滚轮，一个B-HJ18-E-NS调节滚轮；承载板为铝材制成的等腰梯形；三个滚轮呈等腰三角形分布，两个固定滚轮与一条导轨相连，调节滚轮与另一条导轨调节安装，组成过盈配合连接的运动副，实现纯滚动运动；姿态传感器选择奥托尼克斯公司的BR200-DDTN光电传感器，安装在环形面板的工位点（可调整），完成对滚轮承载体的信息采集。

2）流水线控制系统。控制系统选择PC+PLC+执行电器的模式。软件使用美国NI公司的LabVIEW编程软件,PC选择LGS公司的LS530C工业一体机，并安装Windows10操作系统。PLC选用西门子公司S7-200小型可编程控制器。执行电器包括继电器、姿态传感器、功能应用模块控制器等。PLC与上位机PC通过RS232相连，与下位机功能应用模块控制器通过RS485相连，与姿态传感器和定子线圈继电器直接相连。流水线工作流程如下：控制系统通电初始化，各控制部分进入准备状态，线性电机的定子线圈牵引小车运动至1号工作位（上料）前端依次排队等待；工作开始，小车依次经过的工序为上料(包装盒平面纸板)—包装盒成型—填装物品—封盒包装—检测贴标—下料（产品离线）。运行节拍由控制中心指令完成，控制中心的指令根据姿态传感器和功能应用模块执行情况发出。流水线工作流程如图7所示。

图7 流水线工作流程

3.2 高效循环流水线的应用分析

高效循环流水线工作时，通过小车的运行时间来衡量其工作效率。影响小车完成一个循环周期所需时间的因素包括线性电机、滚轮导轨运动副、控制系统、功能应用模块的响应时间和运行时间，各个组成模块自身的响应时间为毫秒级可以忽略不计。运行时间包括等待时间和工作时间，流水线上同时运行多辆小车（根据需要安排最大数量），各控制运行单元的动作指令由控制中心依据流水线的动态实时发送，不存在等待时间，各自动作衔接无间隙，即实现无缝衔接。工作时间主要指功能应用模块和线性电机的运行时间，其中功能应用模块的运行时间是基本不变的。线性电机和滚轮导轨运动副的运动模式为流水线提供最快捷、可靠的运动，使得小车运行时间缩短，从而流水线的整体运行时间变短，工作效率得到提高。

4 结论

本研究以计算机为控制中心，通过传感器获取信息与反馈、高速网络传输信息，控制线性电机带动滚轮导轨上的载体实现高速运转，并搭建食品包装高效循环流水线。分析表明，该高效循环流水线运行时间短、工作效率高。此外，线性电机对安装精度和控制算法要求较高，在生产线搭建时有一定的困难，如何完成线性电机的模块化设计是该领域重点研究的内容。