垂直循環(huán)升降立體停車技術(shù) 在光纖預(yù)制棒智能物流方面的應(yīng)用

劉 偉，趙海倫，陶 偉

（1.江蘇金冠停車設(shè)備安裝工程有限公司，江蘇 南通 226000；2.南昌大學(xué)，江西 南昌 330047； 3.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310000）

1 引言

光纖預(yù)制棒（以下簡稱光棒）是一種具有特定折射率剖面、用于制造石英光纖的原材料，在超2 200℃的高溫條件下通過拉絲塔拉制形成光纖，再經(jīng)過外部涂料包覆制成光纜，用于大容量高速數(shù)據(jù)通信。光棒處于光纖光纜產(chǎn)業(yè)鏈上游，是產(chǎn)業(yè)鏈最核心的組成部分，其主要成分是SiO，主要通過H+O燃燒后與SiCl水解反應(yīng)生成，單根成品光棒重量超70kg。

光棒作為光纖通信核心原材料，隨著近年來國內(nèi)光纖需求激增，呈現(xiàn)井噴式增長，但是我國光棒產(chǎn)業(yè)整體工藝及物料流轉(zhuǎn)設(shè)備自主化水平低，生產(chǎn)制造過程大量使用手動操作，用工數(shù)量多，直接導(dǎo)致我國光棒企業(yè)在智能化、數(shù)字化生產(chǎn)管理方面落后于國際同行，很大程度限制了國內(nèi)光棒企業(yè)的競爭力。為突破這一瓶頸，我司立足于南通本地某光棒制造企業(yè)，聯(lián)合多家立體停車、智能倉儲等技術(shù)型公司，圍繞智能制造目標(biāo)，以自動化停車、智能化物流倉儲技術(shù)為基礎(chǔ)，通過流程再造以及融合應(yīng)用多種信息化管理平臺，成功實現(xiàn)光棒制造企業(yè)智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，顯著降低了光纖預(yù)制棒制造企業(yè)生產(chǎn)制造成本、提高了生產(chǎn)作業(yè)效率、提升了企業(yè)綜合競爭力和社會影響力。

2 車間布局與光棒流轉(zhuǎn)問題

光棒制造主要分為四大工序：芯棒沉積、燒結(jié)制造、外包沉積、加工測試。芯棒沉積和燒結(jié)制造設(shè)備均為垂直結(jié)構(gòu)，外包沉積設(shè)備均為臥式結(jié)構(gòu)，不能在同一車間進(jìn)行布局。這就要求在生產(chǎn)車間初期規(guī)劃和設(shè)計時需考慮兩點：第一、用地盡可能最優(yōu)化、節(jié)約化；第二、成品和半成品能夠通過一些自動化物流裝置進(jìn)行高效率流轉(zhuǎn)。在用地節(jié)約化方面，將車間整體規(guī)劃為兩塊區(qū)域，一塊單層區(qū)域用于芯棒和燒結(jié)制造，二塊雙層區(qū)域用于外包和部分加工設(shè)備定位。選擇將立式塔架結(jié)構(gòu)設(shè)備集中定位于芯棒車間和燒結(jié)車間，設(shè)計為單層結(jié)構(gòu)，將臥式制造結(jié)構(gòu)設(shè)備分別定位于一層加工車間和二層外包車間。半成品需要按照“芯棒-燒結(jié)-加工-外包-測試-出庫”進(jìn)行流轉(zhuǎn)，其過程中最大問題就是在G工序完成后光棒需從車間二層頻繁運送至一層進(jìn)行測試和出庫，之前工人將光棒放置于手動運棒車上利用載貨電梯進(jìn)行單根運輸，效率非常低下，同時，由于兩個載貨電梯每天都需要頻繁上下一二層幾百次，經(jīng)常發(fā)生故障報警，嚴(yán)重影響光棒高效制造，此些問題亟需 改善。車間布局建模仿真如圖1所示。

圖1 車間布局建模仿真

3 技術(shù)調(diào)研和方案設(shè)計

經(jīng)過技術(shù)調(diào)研，垂直循環(huán)升降立體停車技術(shù)可以跨行應(yīng)用于光棒流轉(zhuǎn)，主要原因有三點：①垂直循環(huán)升降立體停車庫適用于占地面積小、層高較高的場合，一般2個車位的占地面積就可停放30多輛汽車；②垂直循環(huán)升降式立體停車庫為特種設(shè)備，設(shè)計結(jié)構(gòu)安全可靠，對于高附加值的光棒產(chǎn)品運輸比較適合；③多工位載物設(shè)計可有效避免因物料和編碼錯亂導(dǎo)致的產(chǎn)品信息追溯難及生產(chǎn)管控難的問題。

依據(jù)垂直循環(huán)升降立體停車技術(shù)開發(fā)出垂直循環(huán)升降光棒立體運輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由6大部分組成：主體塔架、傳動系統(tǒng)、載物臺設(shè)計、供電系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、光棒出庫信息采集系統(tǒng)。主體塔架及傳動部分參照機械式智能垂直循環(huán)升降立體塔庫設(shè)計，主體塔架為鋼梁結(jié)構(gòu)，傳動系統(tǒng)主要為大齒輪+鏈條式設(shè)計；在鏈條部位設(shè)計和安裝多工位載物臺，用于光棒載運；利用滑觸線供電系統(tǒng)對每個工位的傳感器件和冷卻部件進(jìn)行供電；自主開發(fā)自控系統(tǒng)對物料的流轉(zhuǎn)進(jìn)行控制；在每個載物臺上設(shè)計有RFID物料讀碼系統(tǒng)，對所有流轉(zhuǎn)的光棒進(jìn)行制造信息錄入處理。本套物流系統(tǒng)雖未有載人設(shè)計，但出于高可靠性考慮，關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參考GB 17907—2010、GB/T 26559—2011、JB/T 10475—2015標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。多工位立體循環(huán)升降式立體停車庫如圖2 所示。

圖2 多工位垂直循環(huán)升降式立體停車庫

4 項目關(guān)鍵技術(shù)介紹

4.1 主體塔架系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要考慮將三樓G工序完成的光棒載運至一樓測試及出庫區(qū)域，由于G工序一個輪班的最大產(chǎn)能為9根，考慮到極端情況，設(shè)計時考慮預(yù)留20%余量，因此垂直升降平臺工位增加至11個，根據(jù)車間實際高度及安裝現(xiàn)場前后側(cè)預(yù)留空間，主體塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 垂直升降平臺塔架示意圖

為便于現(xiàn)場主體機構(gòu)吊裝和精度調(diào)節(jié)，主體塔架分為上層、中層、下層三部分，結(jié)合各層鋼平臺高度設(shè)計，要求塔架的人機操作面高度與車間每一層鋼平臺高度相對應(yīng)，最終設(shè)計的塔架高12.5m，長4.1m，寬1.8m。為確保塔架主體結(jié)構(gòu)強度，兩側(cè)塔架立柱部分設(shè)計支撐加強桿，防止裝載和運動過程中塔架晃動或精度偏移。

4.2 主傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于垂直升降平臺具有傳動距離長、負(fù)載大且對傳動精度要求較高的特點，選擇使用鏈條式傳動結(jié)構(gòu)?？紤]到升降平臺傳動特點為轉(zhuǎn)速低、載荷大，選用彎板滾子傳動鏈，由于中心距較大，需要選用大節(jié)距鏈輪。根據(jù)塔架高度得出鏈輪中心距約為9m，中心距一般為

式中，a為鏈輪中心距，單位是mm；p為鏈輪節(jié)距，單位是mm。

由于中心距不能調(diào)整，這里取30p，計算出節(jié)距300mm，可以算出鏈長節(jié)數(shù)：

式中，X為鏈長節(jié)數(shù)；Z為鏈輪齒數(shù)；a為鏈輪中心距，單位是mm；p為鏈輪節(jié)距，單位是mm。

計算得31.95，進(jìn)行圓整，得出實際鏈節(jié)數(shù)32，鏈條和鏈輪基本可以確定型號。

4.3 光棒承載臺設(shè)計

光棒承載臺的設(shè)計重點在于每一個工位需要設(shè)計水平移出功能，方便在一樓對接中轉(zhuǎn)運輸平板車裝卸作業(yè)時可以直接將光棒自動移出，避免人工搬運，減輕工人勞動強度，此外還需確保升降平臺移動時工位不發(fā)生竄動，載物臺主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。托棒裝置底部設(shè)計有滾輪，側(cè)面有導(dǎo)向輪，通過托棒裝置及平板車上的導(dǎo)向輪及底部滾輪，可輕易將托棒機構(gòu)上的光棒直接拉至平板車上，避免了人手接觸高溫光棒，轉(zhuǎn)運完成后在托棒機構(gòu)上重新放置空的載物托架即可。此外，載物臺在托棒裝置兩側(cè)設(shè)計有定點滾動式柱塞，以確保升降平臺移動時托棒機構(gòu)不會發(fā)生側(cè)向偏移，載物臺與塔架連接處采用活動機構(gòu)，以確保托棒裝置始終保持豎直狀態(tài)。預(yù)制棒移載功能示意如圖5所示。

圖4 預(yù)制棒承載臺結(jié)構(gòu)

圖5 預(yù)制棒移載功能示意

光棒載物臺為該系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的承載部件，數(shù)量較多，為降低設(shè)備整體重量，減輕塔架受力，載物臺設(shè)計方面需要最大程度減重，同時需確保升降平臺運行安全、裝載光棒后形變量必須小于1mm，設(shè)計過程中使用專業(yè)的有限元分析軟件對載物臺強度進(jìn)行模擬承載校核，如圖6所示。

圖6 初始載物臺結(jié)構(gòu)模擬分析

經(jīng)過受力模擬仿真測試，可以看出初始設(shè)計的載物臺在中間位置變形量較大，約為1.22mm，因此在載物臺中間位置增加設(shè)計一根加強型橫梁以增加該位置強度，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力模擬仿真，結(jié)果如圖7所示，可以看出中心位置形變量減小至0.56mm，符合結(jié)構(gòu)承載設(shè)計要求。

圖7 優(yōu)化后載物臺有限元仿真

4.4 供電系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)因涉及垂直循環(huán)升降運動，在光棒載物臺供電方面考慮使用滑觸線對各個工位進(jìn)行滑觸移動式供電?；|線防護(hù)等級高，使用工位數(shù)量不限，不受空間要求，可進(jìn)行彎弧設(shè)計，成熟應(yīng)用于汽車主機廠的EMS系統(tǒng)（電動單軌小車系統(tǒng)），實現(xiàn)相對運動過程中可靠供電，其次滑觸線供電系統(tǒng)維護(hù)簡單，只需定期檢查集電器使用狀態(tài)即可，滑觸線通用性能參數(shù)見表1、表2。

表1 滑觸線電氣參數(shù)

表2 滑觸線機械參數(shù)

根據(jù)本系統(tǒng)需傳導(dǎo)電流大小及信號通訊穩(wěn)定性要求，本次設(shè)計選用VAHLE品牌U10/25C型銅基滑觸線系統(tǒng)及PowerCom數(shù)據(jù)通訊模塊，此通訊模塊基于工業(yè)數(shù)據(jù)總線RS485方式設(shè)計，傳輸速率為19.2kbit/s，通過有線串口方式通訊，可實現(xiàn)信號穩(wěn)定傳輸，本系統(tǒng)利用其可實現(xiàn)樹形、環(huán)形及線型的數(shù)據(jù)通訊機構(gòu)直接解決了多岔路信號傳遞的難題。

4.5 自控系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的自動控制部分采用倍福公司CP9020系列PC型控制器，融合應(yīng)用RS485和EtherCat總線通信方式，大大提升了整機數(shù)據(jù)的傳輸和處理速率。整機系統(tǒng)信號設(shè)計見表3。

表3 整機信號設(shè)計

主升降平臺旋轉(zhuǎn)機構(gòu)選用SEW品牌DRL系列7.5kW異步伺服電機控制系統(tǒng)，可提供較高的電機軸外部轉(zhuǎn)動慣量，并精準(zhǔn)控制在合適范圍，此電機系統(tǒng)設(shè)計和構(gòu)造可在電流動態(tài)過載值短時間內(nèi)達(dá)到350%，可有效防止因系統(tǒng)慣性過載出現(xiàn)電氣故障，減少設(shè)備故障停機時間。

光棒在G工序結(jié)束后，其尾部表面溫度高達(dá)800℃以上，無法通過人工方式將處于三樓的光棒卸載至一樓的測試平臺上，此時需通過垂直平臺，將產(chǎn)品進(jìn)行周轉(zhuǎn)冷卻。本次設(shè)計對每個工位增加一套智能風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)，即每個工位增加溫度采集及風(fēng)扇降溫模塊，通過自動采集光棒尾端溫度，實現(xiàn)風(fēng)量大小自動調(diào)節(jié)，既節(jié)能又能達(dá)到快速冷卻的目的，同時，可根據(jù)智能冷風(fēng)感溫系統(tǒng)自主判斷產(chǎn)品是否滿足流轉(zhuǎn)至測試和出庫工序的條件，從而提高產(chǎn)品流轉(zhuǎn)效率。此外，本系統(tǒng)在每一個載棒工位上都創(chuàng)新應(yīng)用智能光棒重量檢測系統(tǒng)，在光棒上下料轉(zhuǎn)運過程中即可實現(xiàn)單根光棒重量數(shù)據(jù)自動采集。系統(tǒng)整體控制框架如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)整體控制框架

在打通系統(tǒng)信息流方面，此垂直循環(huán)升降系統(tǒng)創(chuàng)新集成應(yīng)用了基于RFID技術(shù)的光棒出庫信息采集系統(tǒng)，RFID即無線射頻識別技術(shù)，它主要包含讀寫器、電子標(biāo)簽及天線等部分。在每一個載物臺工位上都設(shè)計有讀碼器，在預(yù)制棒從G工序轉(zhuǎn)運至該平臺時，會自動讀取該工位上載運的光棒信息，并實時將此根光棒的上游信息（主要包含物料編號、生產(chǎn)機臺、操作人員信息等）讀取并上傳至上層MES，進(jìn)行智能統(tǒng)計和管理?；赗FID技術(shù)的預(yù)制棒信息讀取流程如圖9所示。

圖9 基于RFID技術(shù)的預(yù)制棒信息讀取流程

5 結(jié)束語

通過跨行業(yè)研究立體停車系統(tǒng)和光棒制造技術(shù)，并充分吸收和消化垂直循環(huán)升降式立體停車技術(shù)，將二者進(jìn)行有效融合和創(chuàng)新應(yīng)用，成功研發(fā)出智能預(yù)制棒垂直循環(huán)升降系統(tǒng)，服務(wù)于光纖預(yù)制棒制造行業(yè)。系統(tǒng)整體運行效果如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)整體運行效果

該系統(tǒng)已經(jīng)在某光棒企業(yè)成功投入使用一年多，運行效果超乎預(yù)期，投入使用后，該系統(tǒng)可實現(xiàn)節(jié)約用工2.5人/班，G工序運轉(zhuǎn)效率提升65%以上，直接經(jīng)濟(jì)效益18.5萬元/年。此外，該系統(tǒng)成功將RFID技術(shù)融合應(yīng)用到光棒制造過程流轉(zhuǎn)中，實現(xiàn)外包和出庫數(shù)據(jù)與MES打通對接，實現(xiàn)了從原材料入庫到成品出庫過程信息流全程打通，為光棒企業(yè)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通打通“最后一公里”，同時對我國光通信制造企業(yè)智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型起到了積極的示范、拉動作用。