軸承立體倉(cāng)儲(chǔ)及輸送的智能選配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹志杰

中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 北京 100038

0 引言

隨著自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的地面堆放式、地面普通貨架式存儲(chǔ)不再適應(yīng)現(xiàn)今高效率、高準(zhǔn)確性的物料管理方式，尤其是傳統(tǒng)的紙本手工記錄方式非常容易出現(xiàn)物料和記錄信息不匹配的情況。在鐵路系統(tǒng)車輛檢修車間，火車的零配件種類繁多且數(shù)量龐大，只有通過(guò)智能立體倉(cāng)庫(kù)和物流輸送系統(tǒng)以及上位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理才能實(shí)現(xiàn)物料的精準(zhǔn)管理和選配，實(shí)現(xiàn)物料管理的全流程追溯管理。在使用智能倉(cāng)儲(chǔ)管理前，動(dòng)車組軸承的存儲(chǔ)、選配采用傳統(tǒng)的人工方式要靠人力從倉(cāng)庫(kù)中選配出適合壓裝的軸承，并逐一進(jìn)行測(cè)量直至選到合適尺寸的軸承，這種被動(dòng)式的選配方式工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大。在本方案中，立體倉(cāng)庫(kù)在存儲(chǔ)軸承前，對(duì)每個(gè)軸承的內(nèi)徑進(jìn)行精確測(cè)量后記錄于數(shù)據(jù)庫(kù)中，將測(cè)量工作前置到入庫(kù)前，根據(jù)壓裝工位測(cè)量出最優(yōu)內(nèi)徑尺寸的軸承；通過(guò)立體倉(cāng)庫(kù)中軟件系統(tǒng)中的選配系統(tǒng)算法，自動(dòng)優(yōu)選出最接近所需內(nèi)徑尺寸的軸承出庫(kù)；通過(guò)地下輸送線，按照順序送至壓裝工位；根據(jù)壓裝工位要求進(jìn)行分揀軸承出庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了智能倉(cāng)儲(chǔ)-智能選配-智能輸送的全流程智能化、數(shù)字化管理。

1 軸承立體倉(cāng)庫(kù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 軸承立體倉(cāng)庫(kù)的總體布置

軸承以立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，每一個(gè)軸承在存入立體倉(cāng)庫(kù)前都要經(jīng)過(guò)軸承內(nèi)徑精密測(cè)量后方可存入貨位，同時(shí)該軸承的各項(xiàng)內(nèi)外徑尺寸信息存于WMS 數(shù)據(jù)庫(kù)中。立體倉(cāng)庫(kù)的貨架采用貫通式貨架形式，每個(gè)軸承單獨(dú)占一個(gè)貨位，被貨位內(nèi)的2 根貫通式懸臂橫梁架在中間。堆垛機(jī)設(shè)計(jì)為雙貨叉單伸位形式，根據(jù)壓裝工位輪軸需要的精密配合的2 個(gè)軸承尺寸由上位機(jī)的選配系統(tǒng)在立體倉(cāng)庫(kù)中找出最優(yōu)匹配的2 個(gè)軸承，分別由堆垛機(jī)的雙貨叉各取一個(gè)軸承送至橫向輸送線的地面接貨端口，由升降接料機(jī)構(gòu)依次按前后順序?qū)⑵渌腿氲叵聠捂湴遢斔途€的載具上進(jìn)行排列，接收完2 個(gè)軸承后輸送線間歇性向前移動(dòng)2 個(gè)工位，等待下一組2 個(gè)軸承承接后再向前間歇移動(dòng)2 個(gè)工位，堆垛機(jī)會(huì)根據(jù)壓裝工位當(dāng)天的壓裝任務(wù)順序在工人上班前將軸承出庫(kù)至橫向輸送線緩存一部分。在橫向輸送線和縱向輸送線垂直交叉處，用升降旋轉(zhuǎn)接料機(jī)構(gòu)將1 組軸承中需要旋轉(zhuǎn)方向的軸承進(jìn)行180°換向后縱向輸送；每一組軸承分別送至2 個(gè)壓裝工位的軸承滑道端頭接駁口，分別由升降推料機(jī)構(gòu)將縱向輸送線上揀選出的2 個(gè)軸承按照順序提升送至地面以上與軸承滑道對(duì)接，再由推桿推動(dòng)軸承滾入軸承滑道，直到軸承滑道存滿軸承。待壓裝工位操作工人上班后，開(kāi)始按照順序?qū)S承進(jìn)行壓裝，軸承滑道讓出空間后，軸承輸送線、堆垛機(jī)繼續(xù)開(kāi)始工作，持續(xù)不斷的按照既定的順序選配軸承，該系統(tǒng)的總體布置圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體布置圖

1.2 控制系統(tǒng)

軸承立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)是檢修車間內(nèi)倉(cāng)儲(chǔ)和配送中重要一環(huán)，控制系統(tǒng)包含與上層管理系統(tǒng)通訊及數(shù)據(jù)傳遞的WMS/WCS 軟件部分、控制設(shè)備執(zhí)行的電氣控制部分，最終目標(biāo)實(shí)現(xiàn)軸承智能選配系統(tǒng)，選配出壓裝工位欲裝配的軸承。由堆垛機(jī)從立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)選出目標(biāo)軸承后，再經(jīng)輸送系統(tǒng)送至合格的壓裝軸承端，實(shí)現(xiàn)全流程的智能化存、揀、選、裝等作業(yè)。

在檢修過(guò)程中，任務(wù)流程、任務(wù)單、檢修數(shù)據(jù)等信息都要與上層管理系統(tǒng)的MES、ERP 進(jìn)行交互，立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)接收上層管理系統(tǒng)的調(diào)度任務(wù)，同時(shí)將檢修信息回傳給上層管理系統(tǒng)。電氣控制部分主要是對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)、輸送線、升降接料機(jī)構(gòu)、升降旋轉(zhuǎn)接料機(jī)構(gòu)、升降推料機(jī)構(gòu)的控制?？刂葡到y(tǒng)的軟硬件總圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)總圖

1.3 控制系統(tǒng)線路布置

圖3 為控制系統(tǒng)總體線路布置圖，圖中總的電源接入地面控制柜，分別為遠(yuǎn)程控制柜、軸承內(nèi)徑測(cè)量?jī)x、監(jiān)控柜、堆垛機(jī)控制柜供電；遠(yuǎn)程控制柜通過(guò)以太網(wǎng)與地面控制柜PLC 連接，然后與監(jiān)控機(jī)連接；堆垛機(jī)電氣柜內(nèi)PLC 通過(guò)無(wú)線模塊與監(jiān)控機(jī)無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)通訊；地面控制柜集成了電源柜和控制柜的功能，在地面控制柜面板按鈕和觸摸屏可對(duì)輸送系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作、設(shè)備啟停和急停操作；堆垛機(jī)電氣柜面板安裝有觸摸屏，可對(duì)堆垛機(jī)進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)操作，面板按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)的啟停、急停、控制方式選擇。用遠(yuǎn)程控制柜作為分站，可通過(guò)以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端設(shè)備的信號(hào)采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟停。

圖3 系統(tǒng)總體線路布置圖

2 機(jī)械設(shè)備方案

2.1 立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)

如圖4 所示，本方案中的立體倉(cāng)庫(kù)已在車輛段投入使用，堆垛機(jī)采用雙立柱、雙貨叉單伸位形式，有1 個(gè)巷道、2 排貨架；貨架的貨位采用貫通式懸臂形式，圓柱形軸承外表面卡在2 根貨位橫梁上進(jìn)行存儲(chǔ)；載貨臺(tái)并排2 根帶V 形槽的貨叉，每個(gè)貨叉可單獨(dú)控制實(shí)現(xiàn)伸縮，貨叉根據(jù)選配任務(wù)分別到不同的貨位選取軸承。在取貨時(shí)，貨叉低于指定貨位軸承下圓柱表面伸入到貨位內(nèi)，然后載貨臺(tái)抬升將軸承用貨叉承載起并與貨位橫梁脫離，貨叉縮回到載貨臺(tái)中位完成取貨；在卸貨時(shí)，貨叉載著軸承高于貨位橫梁伸入貨位，然后在2 個(gè)貨位橫梁間的空隙下落，將軸承落入到貨位橫梁上完成卸貨。目前的單巷道、雙排貨架形式可以確保任意一個(gè)貨位上的軸承均可一次性取到。在貨架一層選1 個(gè)貨位作為軸承輸入接口，與輸送機(jī)、軸承內(nèi)徑測(cè)量?jī)x連接，自動(dòng)測(cè)量后通過(guò)輸送機(jī)入庫(kù)；在一層貨位空出1 個(gè)空貨位，空貨位下方地面開(kāi)孔作為出庫(kù)接口，與地下輸送線的升降接料機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)接以實(shí)現(xiàn)軸承出庫(kù)。

圖4 立體倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)情況

如果立體倉(cāng)庫(kù)有防塵需求，可對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)的外表面進(jìn)行封閉管理，并用塑鋼材料進(jìn)行包裝。用密封門封住，只預(yù)留出入庫(kù)口和檢修口，在有需要時(shí)進(jìn)入立體倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部進(jìn)行處理，正常投入使用時(shí)均在密閉環(huán)境下進(jìn)行。圖5 為封閉后的立體倉(cāng)庫(kù)效果。

圖5 封閉后的軸承立體倉(cāng)庫(kù)

2.2 升降接料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖6 所示，升降接料機(jī)構(gòu)采用龍門式主體結(jié)構(gòu)，跨接在地溝內(nèi)單鏈條輸送機(jī)上，龍門架頂端設(shè)置升降馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)升降鏈條帶動(dòng)接料夾具提升至地面以上，接料夾具升高到高位時(shí)與一層貨位高度一致。當(dāng)軸承出庫(kù)時(shí)，接料夾具首先要升起到高位等待，然后堆垛機(jī)貨叉把出庫(kù)的軸承卸貨到接料夾具上。當(dāng)貨叉縮回到堆垛機(jī)中位后，接料夾具攜帶軸承下降到單鏈條輸送機(jī)的V 形接料載具上，接料夾具再次上升到高位，等待下一個(gè)軸承卸貨；通過(guò)這種升降接料機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)軸承從地面貨架到地溝內(nèi)輸送機(jī)的接駁。

圖6 升降接料機(jī)構(gòu)方案圖

2.3 單鏈條輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在帶有滾輪的單鏈條輸送機(jī)上，隔一定節(jié)距安裝1組2 個(gè)楔形塊，形成帶有V 形凹槽的結(jié)構(gòu)，稱為軸承載具。軸承通過(guò)升降接料機(jī)構(gòu)把軸承放置到凹槽內(nèi)后，鏈條輸送機(jī)向前輸送一定距離，使下一個(gè)空載具對(duì)準(zhǔn)升降接料機(jī)構(gòu)的正下方，等待下一個(gè)軸承卸貨，如此往復(fù)循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)單鏈條輸送機(jī)的載具持續(xù)接到軸承，并按照一定順序持續(xù)向前輸送。如圖7 所示。

圖7 單鏈條輸送機(jī)系統(tǒng)方案

2.4 升降旋轉(zhuǎn)接料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降旋轉(zhuǎn)接料機(jī)構(gòu)安裝在地溝內(nèi)橫向和縱向輸送線的垂直交叉處，用于將橫向輸送的軸承旋轉(zhuǎn)90°后換到縱向輸送線上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸承的換向作用。如圖8 所示，機(jī)架頂部設(shè)置軌道，由移栽馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的橫移小車攜帶升降氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸組成的接料夾具機(jī)構(gòu)，用于將橫向輸送線端頭的軸承提起后移動(dòng)到縱向輸送線端頭，并旋轉(zhuǎn)90°，以待托料機(jī)構(gòu)接收軸承。在縱向輸送線端頭設(shè)置1 臺(tái)由托料氣缸組成的機(jī)構(gòu)，在升起狀態(tài)下托舉接料夾具送到位的軸承，接料夾具松開(kāi)后將軸承放到托料平臺(tái)上。當(dāng)托料平臺(tái)下降到低位時(shí)，恰好將軸承交換到縱向輸送線間隔分布的載具上，縱向輸送線再持續(xù)將軸承向4 個(gè)輸出口的升降推料機(jī)構(gòu)輸送。在圖1 中，B口和C 口為1 號(hào)壓裝工位軸承滑道出口，D 口和E 口為2 號(hào)壓裝工位軸承滑道出口，通過(guò)上位機(jī)管理系統(tǒng)按照順序把正確的軸承送到各出口，通過(guò)升降推料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分揀。

圖8 升降旋轉(zhuǎn)接料機(jī)構(gòu)方案示意圖

2.5 升降推料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖9 可知，升降推料機(jī)構(gòu)設(shè)置在縱向輸送線的4 個(gè)出口處，安裝于地溝內(nèi)，頂部伸出地面，由龍門框架結(jié)構(gòu)、升降馬達(dá)、升降鏈條、推料氣缸、接料夾具3等組成。龍門框架頂部的升降碼垛通過(guò)鏈條攜帶接料夾具3 實(shí)現(xiàn)升降，接料夾具3 是1 種L 形機(jī)構(gòu)。升降推料機(jī)構(gòu)的工作流程為：升降馬達(dá)首先將接料夾具降低到低位等待，使L 形夾具伸出到縱向輸送線的載具的正下方，當(dāng)軸承運(yùn)輸?shù)缴低屏蠙C(jī)構(gòu)的正下方時(shí)接料夾具3 升起，恰好將軸承從輸送線載具分離；托起軸承升到地面滑道高度后，通過(guò)推料氣缸伸出將軸承推入軸承滑道，使軸承在重力作用下滾至壓裝工位，軸承的安裝方向已在輸送換向時(shí)作了方向調(diào)整，在壓裝工位只需啟動(dòng)壓裝機(jī)進(jìn)行壓裝即可。

圖9 升降推料機(jī)構(gòu)方案

3 PLC 控制流程設(shè)計(jì)

3.1 軸承入庫(kù)流程

在入庫(kù)時(shí)，軸承由軸承內(nèi)徑檢測(cè)儀將其兩側(cè)內(nèi)徑尺寸分別進(jìn)行標(biāo)定，然后調(diào)整軸承入庫(kù)方向，與規(guī)定的內(nèi)徑尺寸大小方向朝向一致進(jìn)行存儲(chǔ)，將測(cè)量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并與貨位編號(hào)綁定。軸承在入庫(kù)輸送機(jī)行至輸送機(jī)里端位后，由上位機(jī)調(diào)動(dòng)堆垛機(jī)將軸承提取入庫(kù)。由于軸承內(nèi)徑檢測(cè)儀檢測(cè)速度慢，不需要堆垛機(jī)前后2個(gè)貨叉同時(shí)取軸承進(jìn)行存儲(chǔ)，只需單叉作業(yè)即可。入口輸送機(jī)和堆垛機(jī)配合作業(yè)入庫(kù)程序流程如圖10 所示。

圖10 入口輸送機(jī)與堆垛機(jī)配合作業(yè)入庫(kù)流程圖

3.2 軸承出庫(kù)流程

在出庫(kù)時(shí)，由于軸承壓裝工位需要左右各設(shè)置1 個(gè)軸承進(jìn)行壓裝，所以應(yīng)由選配系統(tǒng)在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)進(jìn)行篩選合適尺寸的軸承出庫(kù)。根據(jù)壓裝工位的數(shù)據(jù)，選配系統(tǒng)可知道貨位上的軸承是否適合出庫(kù)，WCS 軟件調(diào)度堆垛機(jī)的前后貨叉在倉(cāng)庫(kù)貨架上按指定的貨位各取1 個(gè)軸承出庫(kù)，并按順序放置于升降接料機(jī)構(gòu)；然后，升降接料機(jī)構(gòu)降入到地下，由橫向輸送線載具承接到軸承向前輸送，經(jīng)升降旋轉(zhuǎn)接料機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)調(diào)整軸承的輸送方向，沿縱向輸送線繼續(xù)向前輸送。在壓裝工位的出庫(kù)口，由升降推料機(jī)構(gòu)將地下輸送線的軸承送出地面，軸承沿滑道滾入到壓裝工位；當(dāng)壓裝工位檢測(cè)到軸承到位后，啟動(dòng)壓裝工序。軸承出庫(kù)流程如圖11 所示。

圖11 軸承出庫(kù)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

在車輛檢修領(lǐng)域中，類似于軸承存儲(chǔ)、選配、輸送、分揀過(guò)程的應(yīng)用場(chǎng)景很多，以此項(xiàng)目的成功應(yīng)用可推廣到其他類似產(chǎn)品的存儲(chǔ)和輸送應(yīng)用中，這種軸承立體倉(cāng)庫(kù)中的雙貨叉堆垛機(jī)、地下單鏈板輸送線、升降接料機(jī)構(gòu)、升降旋轉(zhuǎn)接料機(jī)構(gòu)、升降推料機(jī)構(gòu)、地面軸承滑道等組合的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了軸承的存儲(chǔ)和輸送的硬件組成。本方案中的軸承內(nèi)徑測(cè)量前置，在存入立體倉(cāng)庫(kù)前即完成了測(cè)量，出庫(kù)時(shí)即已知各軸承的內(nèi)徑尺寸，省去了傳統(tǒng)人工測(cè)量匹配的環(huán)節(jié)；尤其使用地下流水線的形式進(jìn)行輸送，不占用廠房地面空間，為廠房?jī)?nèi)其他設(shè)備提供了寶貴的空間；軸承智能選配系統(tǒng)成功地根據(jù)軸承壓裝機(jī)的需求，在倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行篩選匹配，提高了智能化水平。該項(xiàng)目的機(jī)械、電氣、軟件有效地組合成軸承智能存儲(chǔ)選配系統(tǒng)，為鐵路的智能檢修領(lǐng)域提供了一種智能裝備解決方案。此項(xiàng)目的解決方案已經(jīng)獲得發(fā)明專利授權(quán)，值得為此類項(xiàng)目的解決方案提供借鑒和推廣。