ملخص: يُعد نظام النقل الآلي الحر (P&F) معدات مناولة مواد مرنة وعالية الكفاءة. فهو لا يقتصر على نقل قطع العمل فحسب، بل يمكنه أيضًا فرز وتخزين مختلف أنواعها، مما يجعله واسع الاستخدام في الإنتاج الصناعي. تتناول هذه المقالة التصميم الهندسي لنظام النقل الآلي الحر، مع التركيز على مثال من ورشة اللحام في مصنع سيارات.

الكلمات المفتاحية: نظام الطاقة الحرة، التصميم الهندسي، أتمتة الإنتاج

أولاً: نظرة عامة على العملية

1. برنامج الإنتاج:
تبلغ طاقة خط الإنتاج (أ) 90,000 مركبة لكل ورديتين. وتبلغ طاقة خط الإنتاج (ب) 50,000 مركبة لكل ورديتين. وبذلك، تصل الطاقة الإجمالية لنظام النقل والشحن إلى 140,000 مركبة لكل ورديتين. ويبلغ الحد الأقصى لوزن هيكل السيارة (BIW) 500 كيلوغرام.

2. مخطط سير العمل:

• محطة التحميل: يتم نقل هياكل السيارات المؤهلة، بعد إتمام عملية اللحام في ورشة اللحام، إلى ناقل P&F.
• منطقة التخزين (منطقة التجميع): يمكن تخزين أنواع مختلفة من هياكل السيارات في مناطق مصنفة.
• خط النقل: ينقل هياكل السيارات المخزنة على ناقلات P&F إلى ورشة الطلاء.

• محطة التفريغ: يتم نقل هياكل السيارات من ناقلة P&F إلى ناقل الانزلاق الخاص بورشة الطلاء.

3. بنية النبات:
المصنع عبارة عن هيكل فولاذي خفيف الوزن، تتوزع أحمال العمليات فيه بانتظام في جميع أنحاء ورشة العمل. تتكون الشبكة الهيكلية من نقطة واحدة لكل 8 أمتار على طول ورشة العمل، ونقطة واحدة لكل 3 أمتار على عرضها (عموديًا على ورشة العمل). ينتج عن ذلك توزيع شبكي بأبعاد 3 أمتار × 8 أمتار، حيث تدعم كل نقطة رفع حملاً رأسيًا قدره 4.5 طن وحملاً أفقيًا قدره 0.8 طن.

ثانيًا: تحديد مسار نظام P&F والمعدات الرئيسية

مكونات النظام: رافعة التحميل/المصعد، خط النقل، منطقة التخزين، رافعة التفريغ/المصعد، نظام التحكم الكهربائي.

1. رافعة التحميل/المصعد (الرافعة):
يتم تركيب رافعة واحدة في موضع التحميل لكل من الخطين A وB. يرتفع جزء الرافعة، الذي يتضمن ناقل بكرات الرافعة، إلى الارتفاع المطلوب وينقل هيكل السيارة إلى موضعه. يُفتح الحاجز الموجود على خط P&F أمام موضع الانتظار، ويتم سحب الحامل الفارغ بواسطة السلسلة إلى حاجز الرافعة. ثم يتم تحديد موضع الحامل وتثبيته بواسطة جهاز تحديد موضع دبوس الحامل. تنزل الرافعة، فتفصل ناقل بكرات الرافعة عن قطعة العمل، التي تستقر على الحامل الفارغ. تستمر الرافعة في النزول إلى موضع الاستلام. يُفتح حاجز جزء الرافعة، ويتم سحب الحامل المحمّل بواسطة السلسلة إلى خط التخزين.

2. خط النقل:
صُمم المسار بأكثر الطرق العلمية منطقية، لضمان عدم تداخل نظام النقل مع المعدات الأخرى في الورشة. ويلبي المسار متطلبات نقل وتخزين هياكل السيارات. يبلغ طول المسار الإجمالي حوالي 2000 متر، مع ست محطات تحكم لإدارة ست سلاسل نقل منفصلة.

3. منطقة التخزين:
نظرًا لأن الورشة تُنتج ثلاث سلاسل منتجات رئيسية، ولأن تسلسل إنتاج المركبات في قسم الطلاء يختلف عن تسلسل الإنتاج في قسم اللحام، فقد روعي تسلسل تخزين هياكل السيارات. وبناءً على الظروف الفعلية والمساحة المتاحة في الورشة، صُممت ثلاثة خطوط تخزين لتخزين ثلاثة أنواع مختلفة من هياكل السيارات، حيث يتسع كل خط لعشرين هيكلًا. كما أُضيف مسار سريع إضافي يسمح لهياكل السيارات الداخلة إلى خط الإنتاج بتجاوز منطقة التخزين والتوجه مباشرةً إلى قسم الطلاء عبر خط النقل.

4. تفريغ الرافعة/المصعد:
تُسحب الحاملة المحملة بواسطة السلسلة إلى مانع الرافعة، حيث يقوم جهاز تحديد موضع الحاملة بتثبيتها. ترتفع الرافعة إلى الارتفاع المطلوب، وترفع هيكل السيارة، ثم ينفصل الهيكل عن الحاملة. ينفصل جهاز تحديد موضع الحاملة، ويُفتح مانعها، وتُسحب الحاملة الفارغة بعيدًا عن محطة التفريغ بواسطة السلسلة. بعد ذلك، يُنقل هيكل السيارة بواسطة شوكة تلسكوبية إلى منصة أسطوانة الطلاء.

ثالثًا: الخصائص الهيكلية وأداء معدات نظام P&F الرئيسي

يستخدم نظام النقل ناقلًا علويًا من نوع P&F، بعرض 4 بوصات، ووحدة واحدة، ورأس دفع، ومسار علوي لنقل المنتجات. تشمل المكونات الرئيسية وحدة القيادة، وجهاز الشد، والسلسلة، والعربة/العربة التابعة، والدافع، والمسار المستقيم، والمسار المنحني الأفقي (باستخدام بكرات الانحناء)، والمسار المنحني الرأسي، والمفاتيح، ومجموعة الحامل، والمصدات، وأجهزة الإرسال (فك التشفير)، وشبكات الحماية، وغيرها من الهياكل الفولاذية للتركيب. أما الأشكال الهيكلية فهي كالتالي:

1. وحدة القيادة
تعتمد وحدة القيادة نظام نقل حركة خطي. تُجهز محطة القيادة الخطية بسلسلة قيادة مستقلة من نوع الجنزير لتشغيل سلسلة الجر. تتميز لوحة توجيه سلسلة القيادة من نوع الجنزير بشكل قوس كبير لتقليل تذبذب سلسلة الجر وضمان قيادة سلسة. تتكون محطة القيادة الخطية من إطار ثابت وإطار متحرك. يستخدم محرك القيادة نظام تحكم متغير التردد في السرعة، وهو مزود بجهاز حماية من الحمل الزائد.
تتألف وحدة القيادة الخطية من نوع الجنزير من هيكل الآلة، وإطار عائم، ومحرك تروس، وسلسلة قيادة. يقوم المحرك بتشغيل المخفض مباشرةً عبر وصلة، ويتميز بنظام حماية ميكانيكية خطية (دوارة) عائمة ضد الحمل الزائد. يضمن إطار الدعم المتين توفير وحدة القيادة لقوة دفع كافية. تسهل عجلة الشد القابلة للتعديل وآلية دعم السلسلة عملية التركيب وضبط خلوص تعشيق السلسلة. في حالة الحمل الزائد، يمكن لنظام الحماية الميكانيكية الخطية العائمة إرسال إشارة وقطع التيار الكهربائي في الوقت المناسب. تم تجهيز منصة فحص في وحدة القيادة لتسهيل الوصول إلى جميع المكونات. تم وضع نقاط التشحيم في مواقع ملائمة للتشحيم اليدوي.

2. جهاز الشد
يعتمد ناقل P&F على آلية شد هوائية، مع دعامات بكرات بين الإطارين الثابت والمتحرك. تم تركيب مفاتيح حدية على طرفي جهاز الشد للحماية من عدم كفاية شد السلسلة وتجاوز جهاز الشد لحدود الحركة. تم اختيار جهاز شد هوائي بشوط s=800 مم، مما يضمن قدرته على استيعاب طول سلسلة يساوي خطوة دافعة واحدة. بعد الضبط، لا يقل الشوط غير المستخدم لجهاز الشد عن 50% من إجمالي الشوط. جهاز الشد مزود بمنصة فحص.

3. سلسلة، عربة (عربة العبيد)، ودافع
تستخدم سلسلة الجر سلسلة قياسية قابلة للفصل مصنوعة من فولاذ 45Mn2. تتميز سلسلة X-458 بقوة كسر تبلغ 216 كيلو نيوتن وقوة شد مسموح بها تبلغ 15 كيلو نيوتن، مع خطوة نظرية تبلغ 102.4 ملم. يجب أن تعمل السلسلة بسلاسة دون زحف أو قفز.
تُدعم سلسلة الجر بواسطة عربات دعم السلسلة. جسم العربة قطعة واحدة مُشكّلة من قطعة واحدة عالية المتانة. يتم تجميع عربة الدعم باستخدام البراغي. البكرات عبارة عن عجلات محامل متكاملة (مجموعة كاملة من الكرات بدون قفص)، توفر خلوصًا معتدلًا، ومقاومة منخفضة، وحماية مانعة للتسرب ثلاثية الطبقات، وحلمة تشحيم خارجية تعمل بالضغط، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في درجات الحرارة العالية والبيئات القاسية. تصميم العربة منطقي ومتناسق مع الانعطافات الرأسية والأفقية لسلسلة الجر. يجب استخدام دعامة مزدوجة على جانبي الدافعة.
تُستخدم عربة تحميل رباعية العجلات، تتكون من عربة أمامية، وعربة خلفية، وعربتين وسطيتين، وقضيب توصيل مُخفف للصدمات، وقضيب توصيل صلب، وقضيب توزيع. العربة الأمامية هي عربة الجر، وتعمل بالتنسيق مع العربة الخلفية وعربة التوقف لتحقيق وظيفتي التوقف والتجميع. تُستخدم العربتان الوسطيتان لدعم الحامل، حيث يمكن لمجموعتين من دبابيس التوصيل حمل الحامل. تضمن مجموعة قضبان التوصيل المُخففة للصدمات طول التجميع وتُوفر التخميد لمجموعة الحامل. صُنعت العربتان الأمامية والخلفية من الفولاذ المصبوب بدقة عالية. تم توصيل جسم العربة والألواح الجانبية بمسامير وصواميل قفل عالية القوة لضمان سلامة العربة وموثوقيتها. تُلبي عربة التحميل متطلبات سهولة التركيب، ومرونة التشغيل، والتصميم المُناسب، والمتانة، وطول العمر، وسهولة الصيانة. يتميز بخلوص معتدل، ومقاومة منخفضة، وإحكام جيد، وحلمة تشحيم خارجية من نوع الضغط.

4. المسار (المسار المستقيم)
يتكون المسار من ثلاثة أقسام من الفولاذ المُشكّل، متصلة باللحام، ويتم ربط أقسام المسار ببعضها البعض باستخدام البراغي. يستخدم مسار السلسلة فولاذ I10، بينما يستخدم مسار العربات فولاذًا خاصًا على شكل قناة بقياس 4 بوصات.

5. مسار منحني أفقي (منعطفات أسطوانية)
يُجهز قسم الانعطاف الأفقي لسلسلة السكة في المسار المنحني الأفقي بانحناءات أسطوانية لضمان المسار الصحيح لسلسلة الجر وعلاقة التعشيق السليمة بين القاطرة والعربة. في قسم الانعطاف الأفقي، تتلامس سلسلة الجر مع أسطوانات الانحناءات الأسطوانية، والتي تتميز بصلابة معينة. تُركّب هذه الأسطوانات في مسار أخدودي مصمم خصيصًا للعجلات. وهي مزودة بمحامل مغلقة ذات حلمات زيت خارجية لتزييت منتظم. تُحدد زاوية المسار المنحني الأفقي وفقًا لتصميم الخط العام. المادة المستخدمة في تصنيع المسار المنحني الأفقي هي نفسها المستخدمة في تصنيع المسار المستقيم.

6. مسار منحني رأسي
سطح المسار المنحني العمودي أملس، ولا يؤثر انحناؤه على شد السلسلة. ويتم تحديد انحناء المسار وفقًا لمتطلبات العملية.

7. المحولات (المفاتيح التحويلية)
تنقسم المحولات إلى محولات تحويل ومحولات تقارب.

• مفاتيح التحويل: تُستخدم لتقسيم خط واحد إلى خطين. يتم التحكم في اختيار الاتجاه عند مرور عربة الحمولة عبر مفتاح التحويل تلقائيًا بواسطة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) في غرفة التحكم الكهربائية عبر صمام لولبي وأسطوانة هواء ولسان مفتاح في الوحدة الهوائية للمفتاح.
• مفاتيح التقارب: هذه مفاتيح غير متحكم بها، تُستخدم لدمج خطين في خط واحد. تمر عربة الحمل عبر مفتاح التقارب بالاعتماد على العربة نفسها لدفع لسان المفتاح لفتحه.

8. مجموعة الحامل
تتكون مجموعة الحامل من عربة أمامية، وعربتين وسطيتين، وعربة خلفية، وقضبان توصيل أمامية وخلفية، والحامل (التركيب).

9. سدادة
يستخدم نظام الإيقاف لوحة إيقاف أسطوانية تعمل بأسطوانة هوائية. عند تفعيل نظام الإيقاف، فإنه يوقف دافع العربة الأمامية لمجموعة الحامل بعد انفصاله عن قضيب دافع سلسلة الجر، وبالتالي يثبته في مكانه. هذا النظام مزود بجهاز استشعار لتحديد موضع نظام الإيقاف.

10. شبكات الحماية الأمنية وغيرها من الهياكل الفولاذية للتركيب
تُركّب شبكات الحماية كجزء لا يتجزأ من النظام في المناطق التي يمر بها خط النقل. ويعتمد الهيكل الفولاذي للتركيب على نظام تعليق مستقل للجمالونات.

رابعًا: تصميم نظام التحكم الكهربائي لسلسلة P&F

يعتمد نظام التحكم الكهربائي على وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) من سلسلة Siemens S7 كعنصر أساسي للتحكم على مستوى المعدات، وهي مُجهزة بوحدات اتصال إيثرنت ووحدات اتصال ناقل المجال. يصدر تنبيه موسيقي قبل بدء التشغيل التلقائي للخط. الدائرة الرئيسية لجميع محركات النظام مزودة بقواطع دوائر منخفضة الجهد. تكتمل دائرة التحكم بشكل مشترك بواسطة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة ومحولات التردد لتحقيق سرعة عالية/منخفضة وتشغيل المحركات في الاتجاهين الأمامي/العكسي. في الوقت نفسه، توفر دائرة التحكم في محول التردد مخرجات أعطال للحماية من الحمل الزائد، وقصر الدائرة، وفقدان الطور، وغيرها من وظائف الحماية للمحركات.

تعتمد عملية الحصول على إشارات الإدخال الميدانية وتبادل المعلومات مع خط الضبط وورشة الطلاء على تقنية ناقل البيانات الميداني. تتميز هذه التقنية بانفتاحها الممتاز وبروتوكول شبكي متكامل ودقيق. تشكل محطة التحكم الرئيسية (PLC) ومحطات التشغيل التابعة لها شبكة Profibus-DP عبر ناقل البيانات، مما يضمن قراءة وكتابة البيانات بشكل موثوق بين وحدة التحكم والمحطات الفرعية، وبالتالي يضمن الإنتاج الآلي والتحكم التلقائي في معايير العملية للخط بأكمله من خلال البرمجة. كما يمكن إرسال حالة جميع المعدات الميدانية إلى وحدة التحكم أولاً، ثم إلى الحاسوب المركزي للمراقبة المركزية عبر شبكة ناقل البيانات الميداني. يتميز نظام التحكم بالبساطة والوضوح وسهولة الصيانة. بالإضافة إلى ذلك، تم تجهيز خزانة التحكم بشاشة لمس لعرض حالة تشغيل المعدات والاستعلام السريع عن الأعطال.

يتكون نظام التحكم الكهربائي لسلسلة اللحام P&F من لوحة تحكم رئيسية واحدة (MCP)، وثلاث لوحات تحكم عن بُعد (RCP)، وتسع محطات تشغيل (OS). لوحة التحكم الرئيسية هي لوحة التحكم الرئيسية لسلسلة اللحام P&F؛ ولوحات التحكم عن بُعد هي خزائن التحكم الكهربائي لسلسلة اللحام P&F، وهي RCP01 وRCP02 وRCP03؛ ومحطات التشغيل هي BS01 وBS02 وBS03 وBS04 وBS05 وBS06 وBS07 وBS08 وBS09. ومن بين هذه المحطات، تم تجهيز محطات التشغيل BS01 وBS03 وBS09 بشاشات لمس.

يتكون نظام محرك السلسلة P&F من 6 محركات قيادة: M1، M2، M3، M4، M5، وM6.

إجراءات بدء تشغيل خط سلسلة P&F:

أغلق قاطع الدائرة الرئيسي داخل وحدة التحكم الرئيسية لسلسلة اللحام لتزويد الطاقة إلى RCP01 وRCP02 وRCP03 ← أغلق قواطع الدائرة داخل RCP01 وRCP02 وRCP03 لتزويد الطاقة إلى وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) والأجهزة الكهربائية داخل RCP01 وRCP02 وRCP03، وإلى محطات التشغيل من BS01 إلى BS09 ← أغلق قواطع الدائرة داخل محطات التشغيل لتزويد الطاقة إلى وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) والأجهزة الكهربائية داخل محطات التشغيل ← إذا كان كل شيء طبيعيًا، يمكن إغلاق طاقة التحكم باستخدام مفتاح، وسيضيء مؤشر طاقة التحكم ← انتقل إلى المحطة البعيدة RCP01، وحدد وضع تشغيل الخط: "شبه آلي" أو "صيانة" أو "آلي". → أغلق قواطع الدائرة الكهربائية للمحركات داخل المحطة البعيدة لتمكين بدء تشغيل محركات القيادة M1 وM2 وM3 وM6 وM4 وM5، التي تقوم بتشغيل خط السلسلة → انتقل إلى المحطة البعيدة RCP01، واضغط على "بدء النظام".

في حال اختيار وضع "الصيانة"، سيضيء مؤشر بدء تشغيل النظام. أما في حال اختيار وضع "شبه آلي" أو "آلي"، فسيبدأ خط السلسلة بالعمل تلقائيًا، وسيضيء مؤشر بدء تشغيل النظام.

إجراء إيقاف خط سلسلة P&F:

انتقل إلى لوحة التحكم عن بعد RCP01 واضغط على "إيقاف النظام". سيتوقف خط السلسلة، وسيضيء مؤشر إيقاف النظام.

أنماط تشغيل خط السلسلة هي "شبه آلي" و"صيانة" و"آلي". في حال كان نمط تشغيل الخط "صيانة"، يمكن تشغيل الرافعات LF1 وLF2 والمثبتات يدويًا لأغراض الصيانة. أما في حال كان نمط تشغيل الخط "شبه آلي" أو "آلي"، فلا يمكن تشغيل أي من أجهزة التحكم والمثبتات إلا أثناء تشغيل خط السلسلة. في حال توقف خط السلسلة بشكل طارئ، ستبقى جميع أجهزة التحكم والمثبتات في وضعها الحالي حتى إعادة تشغيل خط السلسلة.
في حال حدوث عطل في الجهاز، اضغط فوراً على زر إيقاف الطوارئ في لوحة التحكم عن بُعد أو محطة التشغيل أو صندوق الأزرار. بعد إصلاح العطل، لا يمكن إعادة تشغيل خط السلسلة إلا بعد الضغط على زر "إعادة ضبط العطل".

اختبار مؤشر الإنتاج:

اضغط على زر "مؤشر الاختبار"؛ ستضيء جميع الأضواء مصحوبة بصوت تنبيه. يؤدي تحرير الزر إلى إيقاف الاختبار.

لا تقتصر وظيفة السيور الناقلة العلوية المستخدمة حاليًا من قبل مصنعي السيارات على نقل قطع العمل وهياكل السيارات فحسب، بل هي نظام تحكم ميكانيكي وكهربائي متكامل يتميز بدرجة عالية من الأتمتة. يدعم هذا النظام الإنتاج المتزامن لأنواع متعددة من هياكل السيارات، ويتيح نقل وتخزين هذه الهياكل وفقًا لمتطلبات الإنتاج. تتطلب محطة النقل تحديدًا دقيقًا للموقع ونقلًا آليًا. يضمن نظام النقل المتكامل (P&F) نقل هياكل السيارات المكتملة في ورشة اللحام إلى ورشة الطلاء بدقة متناهية دون الحاجة إلى تدخل يدوي.