棒材立體庫系統(tǒng)在軸鋼數(shù)字化制造車間中的應用

文 / 王中軍

沈陽飛機工業(yè)集團物流裝備有限公司

軸鋼作為電機主軸的原材料，一般按長度3m或6m供貨，直徑從幾毫米到幾百毫米，主流生產(chǎn)廠家的軸鋼加工車間年消耗量達千噸以上，規(guī)格有幾十種。本文以某企業(yè)軸鋼加工數(shù)字化車間的建設項目為例，介紹沈飛公司規(guī)劃并實施的軸鋼棒材立體庫及三坐標機器人揀選系統(tǒng)在企業(yè)數(shù)字化制造車間中的應用。

在制造企業(yè)中，長大物料與使用標準托盤裝載的常規(guī)物料在倉儲方式、輸送搬運設備及生產(chǎn)管理等方面采用的形式有所不同。棒材作為長大物料中常見的一種類型，應用廣泛。棒材立體庫系統(tǒng)由頂部軌道棒材立體庫、出入庫RGV、地面輸送機以及三坐標機械手等構成。其中，頂部軌道棒材立體庫是長大物料動態(tài)立體倉儲解決方案中的核心產(chǎn)品之一，由于其具有占地面積小、貨位多、存儲量大、自動化出入庫等特點，在棒材加工車間中是一種有效節(jié)省占地面積、提高物料揀選效率的可用設備。

近年來，隨著智能制造技術的應用，數(shù)字化車間的建設項目明顯增多。圍繞原材料立體庫布局的倉儲、加工一體化生產(chǎn)布局的生產(chǎn)模式也進入應用階段，長大物料的線邊立體倉儲系統(tǒng)建設需求逐年增加。

2021年沈陽飛機工業(yè)集團物流裝備有限公司（以下簡稱“沈飛公司”）在某電機制造企業(yè)的軸鋼數(shù)字化車間的物流系統(tǒng)規(guī)劃中，通過使用頂部軌道棒材立體庫及三坐標機器人揀選系統(tǒng)，實現(xiàn)了軸鋼在倉儲、搬運、生產(chǎn)等作業(yè)環(huán)節(jié)的無縫集成，車間的物流倉儲作業(yè)除在入庫環(huán)節(jié)需要人工檢驗以及裝盤外，其它環(huán)節(jié)均實現(xiàn)了無人化作業(yè)。該項目是棒材立體庫（倉儲）、搬運輸送揀選（物流）設備與機加機床（生產(chǎn)設備）一種典型的集成應用，對該類型生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字化車間的建設具有一定的示范意義。

一、軸鋼數(shù)字化加工車間總體工藝布局

1.車間情況及基本需求

軸鋼加工車間區(qū)域地面寬度16m、長度48m，車間高度10.5m。車間規(guī)劃9套棒料加工中心，以加工直徑100mm以下光圓軸鋼為主。軸鋼SKU數(shù)量不大于30，軸鋼存儲量不大于500噸。貨位尺寸規(guī)格為3200 mm x530 mm x350mm，載荷3000kg。

用戶需求：以信息化和自動化為驅動，建設成有行業(yè)影響力的智能軸鋼數(shù)字化車間。

2.車間總體工藝布局

依據(jù)用戶基本需求結合生產(chǎn)特點，經(jīng)充分調研，沈飛公司確定為以頂部軌道棒材立體庫為線邊緩存，以出入庫RGV及三坐標機械手為主要物料搬運設備為9套棒料加工中心自動上料，以WMS/WCS與ERP、MES以及棒料加工中心PLC等系統(tǒng)進行接口開發(fā)，實現(xiàn)用戶數(shù)字化車間的建設需求。車間總體布局如圖1所示。

圖1 車間總體布局

車間主要設備構成：①入庫RGV，1套；②頂部軌道棒材立體庫，1套；③出庫RGV，1套；④地面輸送機，6套；⑤三坐標機械手，1套；⑥棒料加工中心，9套，圖1中A為棒料加工中心的上料工作臺位置。

二、系統(tǒng)設備功能及主要作業(yè)流程

1.入庫RGV

本項目配置1臺入庫RGV，用于軸鋼的入庫，入庫口現(xiàn)場見圖2。

圖2 立體庫入庫區(qū)現(xiàn)場

圖3 立體庫頂部現(xiàn)場圖

圖4 立體庫結構示意圖

（1）入庫RGV 主要技術參數(shù)

載荷：3500kg；

運行速度：12m/min；

尺寸檢測：有；

重量檢測：有。

（2）涉及的主要作業(yè)流程為軸鋼入庫流程，具體如下：

軸鋼卸車→檢驗（外觀、數(shù)量等）→系統(tǒng)分配貨位，托盤隨入庫RGV出庫就位→人工輔助將軸鋼放入托盤，系統(tǒng)稱重，人工確認軸鋼相關信息→入庫RGV回送托盤到待入庫位。

2.頂部軌道棒材立體庫

頂部軌道棒材立體庫是一種專用、非常規(guī)類型的自動化立體庫，采用焊接式貨架、橋式堆垛機，適用于在有限場地內對棒材等細長大物料的高密度立體存儲，是目前棒材、型材等加工現(xiàn)場節(jié)省原材料占地面積、消除物料人工配送環(huán)節(jié)、提高生產(chǎn)效率的有效倉儲設備之一。在特定應用環(huán)境下，與其它類型倉儲設備相比，頂部軌道棒材立體庫在空間利用率、倉儲作業(yè)效率、設備總體投入成本以及與生產(chǎn)設備銜接等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。

本項目中，立體庫區(qū)域占地8mx16m，托盤尺寸規(guī)格長3336mmx深736 mmx高395mm（外尺寸），載荷3000kg，項目有效貨位166個，頂部軌道堆垛機1臺，出入庫RGV共2套，托盤平均出入庫效率20托盤/分鐘。頂部軌道棒材立體庫的主要作業(yè)流程如下：

（1）堆垛機依據(jù)WMS/WVCS指令，與入庫RGV對接，執(zhí)行托盤入庫作業(yè)；

（2）堆垛機依據(jù)WMS/WVCS指令，與出庫RGV對接，執(zhí)行托盤入庫作業(yè)以及托盤返庫作業(yè)。

3.出庫RGV與地面輸送機

出庫RGV依據(jù)WCS指令，負責從立體庫接收托盤，搬運托盤到指定位置的地面輸送機，或從指定位置的地面輸送機上接收托盤回送立體庫，其中地面輸送機配置稱重系統(tǒng)。參見圖7。

圖5 立體庫出庫位置現(xiàn)場圖

圖6 立體庫與機床設備現(xiàn)場圖

圖7 出庫RGV與地面輸送機

4.三坐標桁架機械手

本項目選用三坐標桁架機械手，根據(jù)需要在Z軸末端增加旋轉軸A軸，其中X軸總長31m，Y軸總長13.6m，Z軸的有效行程3.8m，在A軸下面安裝電磁吊具，額定吸附鋼棒能力大于100kgf。

（1）主要物流作業(yè)

依據(jù)WCS指令，機械手到已經(jīng)輸送到地面輸送機上的托盤中抓取軸鋼，搬運到指定棒料加工中心的上料位置，完成棒料加工中心的供料。

（2）關鍵技術

在機械手位置安裝視覺傳感器，通過圖像識別確定被抓取軸鋼的位置信息及角度信息，輔助機械手完成抓取作業(yè)和落料作業(yè)。參見圖8。

圖8 圖像處理示意圖

（3）機械手作業(yè)能力

機械手從6套地面輸送機上的托盤中為9套棒料加工中心供料，平均單次作業(yè)時間90s，完成9套棒料加工中心供料（單次）總時間小于15min。參見圖9。

圖9 機械手作業(yè)區(qū)域

5.棒料加工中心

軸鋼的加工設備為均有車、銑功能的棒料加工中心，采用步進式上料機構。在上料機構有空位時，由機械手抓取目標軸鋼放到上料機構的空位處，完成補料工作。參見圖10。

圖10 棒料加工中心上料位置

棒料加工中心在加工直徑22mm的軸鋼時，平均20min消耗1根3m的軸鋼。

三、WMS/WCS 功能及主要模塊

本項目中WMS/WCS系統(tǒng)由沈飛公司提供，在常規(guī)物料管理、設備監(jiān)控調度管理的基礎上，WCS模塊增加了現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)信息處理功能，接收ERP、MES的指令并反饋處理后的相關生產(chǎn)作業(yè)信息，實現(xiàn)WMS/WCS、MES及ERP系統(tǒng)之間的信息互通，提高系統(tǒng)的信息自動處理能力。

（1）WCS 構成與功能

WCS主要由物料管理、設備作業(yè)調度、系統(tǒng)監(jiān)控、運行仿真、信息看板、客戶端人機交互系統(tǒng)、設備診斷與告警故障信息管理、日志管理、權限管理、接口服務、保養(yǎng)維護等部分組成，主要負責立體庫、出入庫RGV、地面輸送機、桁架機械手的任務分配、調度、監(jiān)控、運行維護、信息看板以及與ERP、MES等系統(tǒng)接口。WCS系統(tǒng)采用工業(yè)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)采集分析技術、基于深度學習的人工智能調度算法，實現(xiàn)工作任務的最優(yōu)分配、信息及時準確反饋，讓機械手、加工中心、立體庫、ERP等系統(tǒng)和操作員協(xié)調工作、互相合作、發(fā)揮最大效能。

WCS系統(tǒng)同期實時監(jiān)控、記錄項目中立體庫、RGV、輸送及搬運設備的運行狀態(tài)，根據(jù)設備的歷史情況和當前狀態(tài)分析評估設備的工作負荷情況、健康情況等，并記錄分析、匯總設備的告警信息、故障信息，及時將信息推送給運維人員，由其給出相應的檢查和處理建議，供運維人員及時掌握具體項目的告警、故障信息、維護保養(yǎng)信息，保障系統(tǒng)健康可靠運行。

WCS控制的信息看板、現(xiàn)場操作終端和計算機管理控制終端，可根據(jù)各工位、人員的工作要求自由訂閱所需的系統(tǒng)信息和操作界面，供操作人員及時準確了解系統(tǒng)工況和快捷有效地管控系統(tǒng)。

（2）作業(yè)調度

WCS系統(tǒng)根據(jù)ERP、MES的工作計劃、設備工況、加工中心用料需求計劃、立體庫物料取送任務等信息，基于深度學習的人工智能調度算法，實現(xiàn)作業(yè)任務合理分配，確保搬運路徑優(yōu)化、工位負載均衡、各工位有序高效地協(xié)同工作。

主要物流作業(yè)流程如下：

①立體庫物料入庫：由正面出入庫口入庫。

空托盤出庫→材料裝入托盤→信息（規(guī)格、品種、數(shù)量等）錄入→重量、尺寸檢測→分配貨位→入庫。

②立體庫物料出庫：可由正面出入庫口或側面出口出庫。

WCS系統(tǒng)操作計算機選定出庫材料，選擇出庫貨位，確定出庫口→設備運行將托盤送到相應出庫口→RGV輸送托盤到達取料位置→余料或空托盤回庫。

③軸鋼揀選送料

棒料加工中心物料狀態(tài)檢測系統(tǒng)檢測到缺料→機械手到達托盤上方→經(jīng)相關檢測、識別通過→抓手抓取目標軸鋼，抓手回位→X軸運行到棒料加工中心接料臺上方，檢測→抓手下降，軸鋼到空位后被釋放，抓手回位→機械手回托盤上方待命。

（3）系統(tǒng)監(jiān)控

WCS系統(tǒng)與設備系統(tǒng)和各工位設備進行通訊，實時采集各設備和工位終端信息并提供相應的反饋，按照作業(yè)計劃、工位呼叫信息等控制機器人在各工位、托盤之間揀選、搬運、碼放鋼軸，根據(jù)料架內鋼軸碼放存儲情況實現(xiàn)精準上下料。

（4）運行仿真

采用工業(yè)現(xiàn)場控制動畫仿真技術，在控制終端上實時顯示工作現(xiàn)場的機器人、工位等仿真動畫場景，直觀準確地掌握動態(tài)和關鍵信息。并可在運行仿真界面中按需提取機器人、工位終端等設備、傳感器、信息采集點的詳細動態(tài)信息，以及人工操作各個控制點。

（5）信息看板

采用BI技術，利用多種表格、圖示、文字組合配置，將WMS/WCS系統(tǒng)的作業(yè)信息、設備狀態(tài)、告警故障、工位呼叫等信息進行定制布局，并實時推送到各工位看板?，F(xiàn)場加工中心看板主要顯示加工中心工位所需的取送料任務情況、工位呼叫處理情況等；總控看板主要顯示現(xiàn)場各設備主要工作情況、總體任務調度隊列、各工位主要工況、工作進度和運行仿真等信息。

（6）客戶端人機交互系統(tǒng)

WCS系統(tǒng)運行于現(xiàn)場操作電腦、工位終端，主要提供人機交互功能，用于操作員配置系統(tǒng)參數(shù)、設置操作權限、瀏覽和管理系統(tǒng)信息、管理控制機器人及相關設備，完成對所有設備的運行監(jiān)控、啟停控制、任務監(jiān)控管理、任務調度設定、告警故障人工控制處理等人機交互功能。

（7）設備診斷與告警故障信息管理

WCS系統(tǒng)記錄、分析和匯總全部設備、管理控制系統(tǒng)的告警故障信息，并向運維人員指定終端發(fā)送通知信息，及時進行檢查處理。還包含設備診斷界面，供運維人員檢查和診斷各輸入輸出信號狀態(tài)。

（8）接口服務

按照ERP、MES的接口協(xié)議，W M S 系 統(tǒng) 完 成E R P、M E S 工 作 計劃、任務的接收、解析服務，將相關解析后的信息分別傳遞給任務調度、看板、客戶端系統(tǒng)、工位終端等子系統(tǒng)；并將各子系統(tǒng)的工作計劃、任務執(zhí)行情況、設備工況等按照ERP、MES的接口協(xié)議打包，回傳ERP和MES。

四、結束語

近年來，長大物料自動化倉儲解決方案需求上升。沈陽飛機工業(yè)集團物流裝備有限公司自2008年以來，一致致力于長大物料立體存儲技術的研究，基于公司自身的行業(yè)（航空、航天）特點，自2010年以來陸續(xù)推出如直升機旋翼立體庫（貨位長度11m）、棒材立體庫（貨位長度6m以上，載荷5000kg）系列、板材立體庫（幅面3mx8m，5000kg）以及板材棒材單體庫等具有密集存儲特征的長大物料自動化立體倉儲解決方案，以彌補常規(guī)立體庫設備在存儲密度方面的不足，解決用戶長大物料立體倉儲難的問題。

在本項目中，棒材立體庫首次在軸鋼數(shù)字化車間項目中得到應用，體現(xiàn)了國產(chǎn)倉儲物流技術近年來在國內的快速發(fā)展，希望給各類長大物料的自動化立體倉儲解決方案與相關設備在國內的推廣提供借鑒。