張智臻，楊永記，李彥虎，張華杰

（中節(jié)能西安啟源機電裝備有限公司，陜西 西安710018）

0 前言

目前，自動化立體倉庫在國內(nèi)外醫(yī)藥、煙草、食品飲料、汽車制造及物流等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-4]，但在國內(nèi)外變壓器鐵心制造領(lǐng)域，由于硅鋼卷料的特殊性及設(shè)備投資較大等原因應(yīng)用廠家屈指可數(shù)[5]。國內(nèi)第一座鐵心硅鋼卷料立體倉庫于2002年底在保定變壓器廠鐵心車間投入使用，到目前為止，只有衡陽特變、山東電力等為數(shù)不多的主變廠家建成鐵心硅鋼卷料立體倉庫，而國外對變壓器鐵心的立體倉庫應(yīng)用沒有公開文獻報道。目前建成的立體倉庫，卷料都是采用臥式平放在托盤上。由于卷料臥式平放和鐵心加工設(shè)備工作方向不一致，需要在出入庫時將卷料90°翻轉(zhuǎn)。該技術(shù)方案優(yōu)點是，堆垛機和貨架可以采用標準的橫梁式貨架及雙層標準伸縮貨叉，不需要特殊定制。但缺點是：1）卷料出入庫需要進行90°翻轉(zhuǎn)，如圖1所示，影響出入庫效率；2）卷料出入庫及上料需要由人工操作，自動化程度低；3）由于是臥式平放在托盤上，對卷料端面不齊度有要求，容易對卷料造成損傷。

圖1 卷料出庫翻轉(zhuǎn)后的結(jié)構(gòu)圖

隨著變壓器鐵心自動智能制造技術(shù)的快速發(fā)展[6-8]，現(xiàn)有鐵心卷料立體庫技術(shù)方案已無法滿足鐵心智能制造的要求。迫切需要研制出能和鐵心加工設(shè)備形成先進物流的自動化鐵心硅鋼卷料立體倉庫，本文提出一種懸掛式硅鋼卷料立體倉庫，可實現(xiàn)硅鋼卷料自動存儲、出庫、上料及管理等功能，滿足了變壓器企業(yè)鐵心智能制造的要求。

1 懸掛式立體倉庫的設(shè)計

根據(jù)鐵心加工工藝研究[6-8]及客戶技術(shù)交流后，硅鋼卷料確定采用懸掛立式存放方式，如圖2所示，懸掛式硅鋼卷料立體倉庫由立柱貨架、旋轉(zhuǎn)貨叉式堆垛機、旋轉(zhuǎn)接（上）料臂裝置、上料平臺、稱重裝置、電控系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)（WMS）、LED顯示系統(tǒng)及安全護欄等組成。

圖2 懸掛式儲料結(jié)構(gòu)圖

1.1 確定硅鋼卷料的尺寸和庫位重量

針對客戶主要是生產(chǎn)配電變壓器，按照客戶提供的硅鋼片卷料最大物料標準（SCB10-3150/10，11020），確定單卷卷料尺寸為Φ1 100×300 mm。單個庫位最大承重：1 500 kg。

1.2 懸臂式掛梁貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用立柱與懸臂式掛梁形式，主體貨架由55根立柱組成，每根立柱設(shè)有四個懸掛梁，形成一個懸掛式承載的立體貨架。在貨架立柱的底端設(shè)有與立柱垂直安放并平行于地面的底梁，底梁方向與堆垛機軌道垂直，與懸掛梁構(gòu)成若干個C型，以提高貨架立柱承載受力后的穩(wěn)定性的。

其中懸臂掛梁由鋼板焊接制成，其結(jié)構(gòu)采用兩個條型板對稱中心平行立放，在立板的上方設(shè)有中間開口的圓柱弧板，柱面弧度與硅鋼卷料內(nèi)徑一致，中間開口寬度尺寸略大于堆垛機抓取機構(gòu)寬度，以便抓取機構(gòu)入庫做料卷置放時插入，在懸臂拖掛梁的另一端，設(shè)有與立柱連接的鋼板，通過鋼板和螺栓連接固定。

1.3 旋轉(zhuǎn)式取料機構(gòu)設(shè)計

采用懸掛式硅鋼卷料技術(shù)最大難點是，立體庫里面一排貨架的卷料無法用標準的多級伸縮貨叉取出。本文設(shè)計了旋轉(zhuǎn)式抓取貨叉機構(gòu)，如圖3所示。拋棄傳統(tǒng)多級伸縮貨叉，使用單級貨叉即可實現(xiàn)兩列貨架的卷料叉取，并且能夠自動與回轉(zhuǎn)接（上）料臂裝置無縫對接，如圖4所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)式抓取貨叉機構(gòu)圖

圖4 回轉(zhuǎn)接（上）料臂圖

用于出入庫插取貨物的抓取貨叉機構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)盤上，回轉(zhuǎn)支承分別和轉(zhuǎn)盤及底座相連接。小齒輪和固定在底座的電機輸出軸相連，小齒輪和回轉(zhuǎn)支承嚙合，電機驅(qū)動抓取貨叉機構(gòu)可實現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)。抓取貨叉機構(gòu)的貨叉通過電機帶動底座位置的齒條實現(xiàn)貨叉伸縮。

在抓取貨叉機構(gòu)上設(shè)有雙螺桿伸縮機構(gòu)的輔助支撐，該機構(gòu)在貨叉進入到被取的卷料內(nèi)圈中后，輔助支撐7通過微型電機和微型減速器帶動雙螺桿做伸出運動，支撐在卷料內(nèi)徑表面上，使卷料平穩(wěn)的置于抓取貨叉上，避免運動時產(chǎn)生晃動。稱重傳感裝置設(shè)在貨叉抓取機構(gòu)的端頭上部，承重精度0.5%。當貨物被貨叉叉起時，卷料的重力將作用在稱重傳感器上，從而自動獲取重量并錄入數(shù)據(jù)庫中。

1.4 確定貨格尺寸和倉庫總體尺寸

立體庫由55個立柱組成，每根立柱設(shè)有4個懸臂掛梁，共計220個貨位，每個貨位最多掛3卷料。貨架總高（含天軌）6 280 mm，貨架全長76 000 mm，寬度3 500 mm，占地面積266 m2。

1.5 立體庫出入庫效率計算

由于出入庫設(shè)備的效率遠大于堆垛機的存取效率，故自動化立體倉庫的出入庫效率，由堆垛機而定。堆垛機效率統(tǒng)計見表1。

表1 立體庫出入庫效率統(tǒng)計表

因設(shè)計方案倉儲整體的出入庫效率集中在倉儲搬運環(huán)節(jié)，所以堆垛機的出庫效率直接可以體現(xiàn)。堆垛機存在單指令模式和復(fù)合指令模式，單指令體現(xiàn)的是堆垛機的最低搬運效率，復(fù)合指體現(xiàn)的是堆垛機最高搬運效率。從上表可以看出，設(shè)計方案8 h工作制下的80%倉儲搬運效率為：最低294卷/天，最高345卷/天，可以滿足客戶最大產(chǎn)能275卷/天出入庫的需求。

1.6 卷料出庫及余料退庫自動流程

橫剪線接收MES（Manufacturing Execution System）生產(chǎn)指令后，操作者根據(jù)橫剪指令使用的條料列表，選擇條料后，發(fā)送上料請求到立體倉庫。倉儲管理系統(tǒng)（WMS，Warehouse Management System）會根據(jù)優(yōu)先使用同型號、同規(guī)格的余料，其次考慮先進先出，同時考慮條料的出庫路徑與效率的關(guān)系后，自動選出最優(yōu)方案。堆垛機將按MES指定的庫址執(zhí)行出庫命令，根據(jù)指令，堆垛機上的抓取貨叉機構(gòu)將卷料抓取出后，將卷料自動上到回轉(zhuǎn)接（上）料臂上，再由回轉(zhuǎn)接（上）料臂自動上到橫剪線開卷機放料軸上，同時把卷料出庫記錄上傳到MES系統(tǒng)，如圖5和圖6所示。余料退庫是按上述相反動作順序執(zhí)行，同時將余料退庫記錄及重量信息發(fā)往MES系統(tǒng)，流程圖如圖7所示。

圖5 回轉(zhuǎn)接料臂接料圖

圖6 回轉(zhuǎn)接料臂上料圖

圖7 卷料出入庫工藝流程圖

1.7 確定立體倉庫及設(shè)備的總體布局

針對客戶鐵心加工工藝流程，本文按照精益生產(chǎn)的最短距離、物料順暢等原則進行布置規(guī)劃，同時，根據(jù)客戶生產(chǎn)產(chǎn)能，立體庫按滿足二條縱剪線和六條橫剪線生產(chǎn)用料的需求設(shè)計，其中包含預(yù)留縱剪、橫剪各一條線，為客戶后期產(chǎn)能增加留有裕度，如圖7所示。在每個設(shè)備上料位置都設(shè)置出料口及自動上下料裝置，從而實現(xiàn)一套先進完整的自動物流系統(tǒng)。

圖7 立體庫整體布局

懸掛式硅鋼卷料立體倉庫較現(xiàn)有的臥式平放方式有如下優(yōu)點：1）立式存放硅鋼卷料的方向和鐵心加工設(shè)備一致，出入庫卷料不需要90°翻轉(zhuǎn)，出入庫效率高；2）卷料在貯存和轉(zhuǎn)運均采用內(nèi)圈定位，便于和鐵心加工設(shè)備自動對接，自動化程度高；3）由于是懸掛立式存放，不會損傷材料，且適合窄邊料的存放；4）空間利用率更高，相同面積下，比臥式平放貯存卷料數(shù)量多50%。

2 結(jié)束語

本文提出一種懸掛式硅鋼卷料立體倉庫，通過設(shè)計旋轉(zhuǎn)抓取貨叉機構(gòu)和回轉(zhuǎn)接（上）料臂裝置，結(jié)合MES系統(tǒng)，實現(xiàn)卷料入庫、出庫及上料全過程的自動物流系統(tǒng)。

目前，該自動化立體庫在某變壓器企業(yè)，已安裝調(diào)試完成并投入使用，設(shè)備運行狀態(tài)良好，各項指標均能滿足使用要求，解決了國內(nèi)變壓器行業(yè)縱剪分切后的硅鋼片卷料存放、庫存數(shù)據(jù)共享以及呆滯物料造成的資源浪費問題，對以后變壓器鐵心智能制造、智能倉儲及物流運輸?shù)倪M一步研究具有較高的實際應(yīng)用意義。