曹志杰

中國恩菲工程技術有限公司 北京 100038

0 引言

隨著自動化立體倉庫技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的地面堆放式、地面普通貨架式存儲不再適應現(xiàn)今高效率、高準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，只有通過智能立體倉庫和物流輸送系統(tǒng)以及上位機軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)庫管理才能實現(xiàn)物料的精準管理和選配，實現(xiàn)物料管理的全流程追溯管理。在使用智能倉儲管理前，動車組軸承的存儲、選配采用傳統(tǒng)的人工方式要靠人力從倉庫中選配出適合壓裝的軸承，并逐一進行測量直至選到合適尺寸的軸承，這種被動式的選配方式工作量大、勞動強度大。在本方案中，立體倉庫在存儲軸承前，對每個軸承的內(nèi)徑進行精確測量后記錄于數(shù)據(jù)庫中，將測量工作前置到入庫前，根據(jù)壓裝工位測量出最優(yōu)內(nèi)徑尺寸的軸承；通過立體倉庫中軟件系統(tǒng)中的選配系統(tǒng)算法，自動優(yōu)選出最接近所需內(nèi)徑尺寸的軸承出庫；通過地下輸送線，按照順序送至壓裝工位；根據(jù)壓裝工位要求進行分揀軸承出庫，實現(xiàn)了智能倉儲-智能選配-智能輸送的全流程智能化、數(shù)字化管理。

1 軸承立體倉庫的系統(tǒng)結構

1.1 軸承立體倉庫的總體布置

軸承以立體倉庫進行存儲，每一個軸承在存入立體倉庫前都要經(jīng)過軸承內(nèi)徑精密測量后方可存入貨位，同時該軸承的各項內(nèi)外徑尺寸信息存于WMS 數(shù)據(jù)庫中。立體倉庫的貨架采用貫通式貨架形式，每個軸承單獨占一個貨位，被貨位內(nèi)的2 根貫通式懸臂橫梁架在中間。堆垛機設計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 個軸承尺寸由上位機的選配系統(tǒng)在立體倉庫中找出最優(yōu)匹配的2 個軸承，分別由堆垛機的雙貨叉各取一個軸承送至橫向輸送線的地面接貨端口，由升降接料機構依次按前后順序?qū)⑵渌腿氲叵聠捂湴遢斔途€的載具上進行排列，接收完2 個軸承后輸送線間歇性向前移動2 個工位，等待下一組2 個軸承承接后再向前間歇移動2 個工位，堆垛機會根據(jù)壓裝工位當天的壓裝任務順序在工人上班前將軸承出庫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)接料機構將1 組軸承中需要旋轉(zhuǎn)方向的軸承進行180°換向后縱向輸送；每一組軸承分別送至2 個壓裝工位的軸承滑道端頭接駁口，分別由升降推料機構將縱向輸送線上揀選出的2 個軸承按照順序提升送至地面以上與軸承滑道對接，再由推桿推動軸承滾入軸承滑道，直到軸承滑道存滿軸承。待壓裝工位操作工人上班后，開始按照順序?qū)S承進行壓裝，軸承滑道讓出空間后，軸承輸送線、堆垛機繼續(xù)開始工作，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)

軸承立體倉庫系統(tǒng)是檢修車間內(nèi)倉儲和配送中重要一環(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、控制設備執(zhí)行的電氣控制部分，最終目標實現(xiàn)軸承智能選配系統(tǒng)，選配出壓裝工位欲裝配的軸承。由堆垛機從立體倉庫內(nèi)選出目標軸承后，再經(jīng)輸送系統(tǒng)送至合格的壓裝軸承端，實現(xiàn)全流程的智能化存、揀、選、裝等作業(yè)。

在檢修過程中，任務流程、任務單、檢修數(shù)據(jù)等信息都要與上層管理系統(tǒng)的MES、ERP 進行交互，立體倉庫系統(tǒng)接收上層管理系統(tǒng)的調(diào)度任務，同時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立體倉庫堆垛機、輸送線、升降接料機構、升降旋轉(zhuǎn)接料機構、升降推料機構的控制?？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，分別為遠程控制柜、軸承內(nèi)徑測量儀、監(jiān)控柜、堆垛機控制柜供電；遠程控制柜通過以太網(wǎng)與地面控制柜PLC 連接，然后與監(jiān)控機連接；堆垛機電氣柜內(nèi)PLC 通過無線模塊與監(jiān)控機無線模塊實現(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輸送系統(tǒng)的設備進行手動操作、設備啟停和急停操作；堆垛機電氣柜面板安裝有觸摸屏，可對堆垛機進行手動、自動操作，面板按鈕實現(xiàn)對堆垛機的啟停、急停、控制方式選擇。用遠程控制柜作為分站，可通過以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)遠端設備的信號采集和執(zhí)行機構啟停。

圖3 系統(tǒng)總體線路布置圖

2 機械設備方案

2.1 立體倉庫設計

如圖4 所示，本方案中的立體倉庫已在車輛段投入使用，堆垛機采用雙立柱、雙貨叉單伸位形式，有1 個巷道、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 根貨位橫梁上進行存儲；載貨臺并排2 根帶V 形槽的貨叉，每個貨叉可單獨控制實現(xiàn)伸縮，貨叉根據(jù)選配任務分別到不同的貨位選取軸承。在取貨時，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，貨叉縮回到載貨臺中位完成取貨；在卸貨時，貨叉載著軸承高于貨位橫梁伸入貨位，然后在2 個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貨位上的軸承均可一次性取到。在貨架一層選1 個貨位作為軸承輸入接口，與輸送機、軸承內(nèi)徑測量儀連接，自動測量后通過輸送機入庫；在一層貨位空出1 個空貨位，空貨位下方地面開孔作為出庫接口，與地下輸送線的升降接料機構進行對接以實現(xiàn)軸承出庫。

圖4 立體倉庫現(xiàn)場情況

如果立體倉庫有防塵需求，可對立體倉庫的外表面進行封閉管理，并用塑鋼材料進行包裝。用密封門封住，只預留出入庫口和檢修口，在有需要時進入立體倉庫內(nèi)部進行處理，正常投入使用時均在密閉環(huán)境下進行。圖5 為封閉后的立體倉庫效果。

圖5 封閉后的軸承立體倉庫

2.2 升降接料機構設計

如圖6 所示，升降接料機構采用龍門式主體結構，跨接在地溝內(nèi)單鏈條輸送機上，龍門架頂端設置升降馬達，驅(qū)動升降鏈條帶動接料夾具提升至地面以上，接料夾具升高到高位時與一層貨位高度一致。當軸承出庫時，接料夾具首先要升起到高位等待，然后堆垛機貨叉把出庫的軸承卸貨到接料夾具上。當貨叉縮回到堆垛機中位后，接料夾具攜帶軸承下降到單鏈條輸送機的V 形接料載具上，接料夾具再次上升到高位，等待下一個軸承卸貨；通過這種升降接料機構可實現(xiàn)軸承從地面貨架到地溝內(nèi)輸送機的接駁。

圖6 升降接料機構方案圖

2.3 單鏈條輸送機系統(tǒng)設計

在帶有滾輪的單鏈條輸送機上，隔一定節(jié)距安裝1組2 個楔形塊，形成帶有V 形凹槽的結構，稱為軸承載具。軸承通過升降接料機構把軸承放置到凹槽內(nèi)后，鏈條輸送機向前輸送一定距離，使下一個空載具對準升降接料機構的正下方，等待下一個軸承卸貨，如此往復循環(huán)，即可實現(xiàn)單鏈條輸送機的載具持續(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 單鏈條輸送機系統(tǒng)方案

2.4 升降旋轉(zhuǎn)接料機構設計

升降旋轉(zhuǎn)接料機構安裝在地溝內(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，同時實現(xiàn)軸承的換向作用。如圖8 所示，機架頂部設置軌道，由移栽馬達驅(qū)動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構，用于將橫向輸送線端頭的軸承提起后移動到縱向輸送線端頭，并旋轉(zhuǎn)90°，以待托料機構接收軸承。在縱向輸送線端頭設置1 臺由托料氣缸組成的機構，在升起狀態(tài)下托舉接料夾具送到位的軸承，接料夾具松開后將軸承放到托料平臺上。當托料平臺下降到低位時，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 個輸出口的升降推料機構輸送。在圖1 中，B口和C 口為1 號壓裝工位軸承滑道出口，D 口和E 口為2 號壓裝工位軸承滑道出口，通過上位機管理系統(tǒng)按照順序把正確的軸承送到各出口，通過升降推料機構實現(xiàn)分揀。

圖8 升降旋轉(zhuǎn)接料機構方案示意圖

2.5 升降推料機構設計

由圖9 可知，升降推料機構設置在縱向輸送線的4 個出口處，安裝于地溝內(nèi)，頂部伸出地面，由龍門框架結構、升降馬達、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鏈條攜帶接料夾具3 實現(xiàn)升降，接料夾具3 是1 種L 形機構。升降推料機構的工作流程為：升降馬達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，當軸承運輸?shù)缴低屏蠙C構的正下方時接料夾具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作了方向調(diào)整，在壓裝工位只需啟動壓裝機進行壓裝即可。

圖9 升降推料機構方案

3 PLC 控制流程設計

3.1 軸承入庫流程

在入庫時，軸承由軸承內(nèi)徑檢測儀將其兩側內(nèi)徑尺寸分別進行標定，然后調(diào)整軸承入庫方向，與規(guī)定的內(nèi)徑尺寸大小方向朝向一致進行存儲，將測量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并與貨位編號綁定。軸承在入庫輸送機行至輸送機里端位后，由上位機調(diào)動堆垛機將軸承提取入庫。由于軸承內(nèi)徑檢測儀檢測速度慢，不需要堆垛機前后2個貨叉同時取軸承進行存儲，只需單叉作業(yè)即可。入口輸送機和堆垛機配合作業(yè)入庫程序流程如圖10 所示。

圖10 入口輸送機與堆垛機配合作業(yè)入庫流程圖

3.2 軸承出庫流程

在出庫時，由于軸承壓裝工位需要左右各設置1 個軸承進行壓裝，所以應由選配系統(tǒng)在倉庫內(nèi)進行篩選合適尺寸的軸承出庫。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，WCS 軟件調(diào)度堆垛機的前后貨叉在倉庫貨架上按指定的貨位各取1 個軸承出庫，并按順序放置于升降接料機構；然后，升降接料機構降入到地下，由橫向輸送線載具承接到軸承向前輸送，經(jīng)升降旋轉(zhuǎn)接料機構旋轉(zhuǎn)調(diào)整軸承的輸送方向，沿縱向輸送線繼續(xù)向前輸送。在壓裝工位的出庫口，由升降推料機構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；當壓裝工位檢測到軸承到位后，啟動壓裝工序。軸承出庫流程如圖11 所示。

圖11 軸承出庫流程圖

4 結束語

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