近年來，中國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入轉(zhuǎn)型升級的新階段，“工業(yè)4.0”加速發(fā)展，智能制造、柔性加工技術(shù)等理念在制造行業(yè)逐步推廣應(yīng)用，在諸多因素催化之下，智能倉儲物流裝備的研發(fā)和應(yīng)用成為中國物流裝備行業(yè)發(fā)展的新趨勢。
智能倉儲物流系統(tǒng)與生產(chǎn)線的融合，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程物料的點對點輸送，輔助完成較復(fù)雜的生產(chǎn)輸送和配方工藝，甚至成為生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在微電子和三代半導(dǎo)體智能制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了物料的智能緩存和高效精準(zhǔn)配送，開辟了智能緩存技術(shù)的新模式，具有一定的應(yīng)用前景。
一、全自動緩存庫的用途及發(fā)展現(xiàn)狀
全自動緩存庫是一種新型的自動倉儲設(shè)備，主要用于存放生瓷片、盤料等薄片形狀類物料，該設(shè)備可實現(xiàn)物料自動出入庫，而且能與共燒陶瓷（LTCC/HTCC）基板數(shù)字化車間進(jìn)行對接聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)智能制造。由于生瓷片需要存放在恒溫恒濕的環(huán)境下，該緩存庫還可以通過增加溫濕度控制系統(tǒng)實現(xiàn)內(nèi)部溫濕度的恒定，適用于對存儲環(huán)境具有溫濕度特殊要求的物料。
目前，國內(nèi)外還沒有應(yīng)用在智能制造生產(chǎn)線上針對生瓷片存放的設(shè)備，傳統(tǒng)的LTCC生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中生瓷片都是在恒溫恒濕柜中存放，無法實現(xiàn)線上自動化生產(chǎn)。中電二所設(shè)計的生瓷片緩存庫能夠與智能制造線對接，實現(xiàn)物料在線上自動出入和存放，該設(shè)備還能有效控制物料存儲環(huán)境，滿足生瓷片對存儲環(huán)境的需求。
二、全自動緩存庫的工作原理及結(jié)構(gòu)
1.全自動緩存庫的工作原理
全自動緩存庫以特定的托盤為存儲單元，采用伺服控制技術(shù)，由上下兩個行走伺服電機通過同步驅(qū)動帶動行走機構(gòu)做水平運動，由提升伺服電機通過帶動貨叉機構(gòu)做垂直升降運動，由貨叉機構(gòu)上的伸縮伺服電機和旋轉(zhuǎn)伺服電機同時驅(qū)動貨叉做掛取運動。通過上述三維運動可將指定貨位的貨物取出或?qū)⒇浳锼腿胫付ㄘ浳弧Ｈ胴洉r，則由入貨機構(gòu)的輸送伺服電機和氣缸定位組件共同將料盤送到入貨口指定位置，再由貨叉機構(gòu)取走；取貨時，則由貨叉機構(gòu)將指定料盤送到出貨口，再由出貨機構(gòu)的伺服電機將料盤輸送到下個工序。所有伺服電機采用絕對值編碼器定位，采用總線控制方式，控制系統(tǒng)還配備條碼識別系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，通過工控機與LTCC基板智能生產(chǎn)線的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)由整個智能生產(chǎn)線的MES系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)對全自動緩存庫的控制管理和狀態(tài)監(jiān)控。
2.全自動緩存庫的結(jié)構(gòu)
全自動緩存庫的外形是一個長方體，結(jié)構(gòu)由骨架、底座、行走機構(gòu)、貨叉機構(gòu)、入貨機構(gòu)、出貨機構(gòu)、面板、貨架、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。（1）骨架：所有立柱、橫梁均采用鋁合金型材，受力穩(wěn)定、均勻，確保滿足承載的情況下盡可能使整個設(shè)備的重量輕量化。
（2）行走機構(gòu)：行走機構(gòu)由上下2個水平運動模組和1個垂直運動模組組成，上下2個模組由2個伺服電機采用同步方式驅(qū)動。
（3）貨叉機構(gòu)：貨叉機構(gòu)是全自動緩存庫的關(guān)鍵部件，該機構(gòu)由取貨板、滑軌、旋轉(zhuǎn)電機、伸縮電機等部分組成。貨叉往同側(cè)方向運動時，只需伸縮電機動作；而貨叉往相反側(cè)（180°方向）運動時，旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動取貨板轉(zhuǎn)動180°，在旋轉(zhuǎn)電機動作的同時，伸縮電機也進(jìn)行動作。
（4）入貨、出貨機構(gòu)：進(jìn)出貨口由皮帶傳送部件和物料定位部件組成，物料入庫時，由傳輸線送過來的物料通過進(jìn)出貨口的皮帶傳送到緩存庫入口，然后通過氣缸定位裝置將物料定位后，再通過行走機構(gòu)將物料存放到某個貨位；物料出庫時，由行走機構(gòu)從某個貨位將物料送到出貨口，通過皮帶傳送部件將物料送入傳輸線。
（5）貨架：貨架骨架均采用鋁型材，在確保貨架強度和承載的同時，既能滿足安裝精度要求，又能達(dá)到減輕設(shè)備重量的目的。貨架采用模塊化設(shè)計思想，將整個貨架分成三個模塊：左框架模塊、右框架模塊和標(biāo)準(zhǔn)框架模塊，如果想擴(kuò)大存儲容量，只需要在左、右模塊中間加入標(biāo)準(zhǔn)框架模塊即可。物料存放層格為不銹鋼板制作，不銹鋼板采用激光切割和鈑金折彎加工，具有良好的尺寸一致性，能保證安裝精度。
（6）電氣控制系統(tǒng)：全自動緩存庫電氣控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、IO模塊、通訊模塊、人機界面（工控機）、傳感器、條碼識別系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換機等部分組成。
三、控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)
全自動緩存庫控制系統(tǒng)以工控機為控制中心，主要由運動控制、氣動控制、條碼識別、監(jiān)控系統(tǒng)和存儲管理軟件系統(tǒng)等組成。運動系統(tǒng)控制伺服電機實現(xiàn)各運動部件的高速精確定位；氣動控制通過控制真空電磁閥的動作完成料盤的就位準(zhǔn)備；條碼識別則是采集物料的基本信息；監(jiān)控系統(tǒng)實時顯示和記錄全自動緩存庫內(nèi)部動作情況，并具有回放功能；存儲管理軟件系統(tǒng)與智能生產(chǎn)線的MES系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)對接，使全自動緩存庫能夠?qū)ξ锪线M(jìn)行自動化存取管理，達(dá)到全自動的控制效果。為達(dá)到全自動存儲、智能存儲的功能，運動控制、條碼識別、存儲管理軟件設(shè)計為控制系統(tǒng)設(shè)計重點。
1.控制系統(tǒng)的硬件及網(wǎng)絡(luò)組成
（1）運動控制系統(tǒng)部分：安川PLC+通訊模塊+IO模塊、伺服驅(qū)動器+伺服電機+絕對值編碼器+傳感器信號反饋校驗，運動控制采用總線控制技術(shù)，PLC與IO模塊及各伺服驅(qū)動采用MECHATROLINK方式進(jìn)行通訊。為確保全自動緩存庫高速高效存儲和精確定位，行走機構(gòu)采用上下2臺伺服電機同步差補運行方式，實現(xiàn)高速運行，水平運行速度可達(dá)1.5m/s。
（2）條碼識別部分：二維條碼識別系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)交換機，以Ethernet方式與工控機進(jìn)行通訊。
（3）工控機存儲管理軟件部分：工控機由工控機（人機界面）與PLC通過Ethernet方式進(jìn)行通訊，工控機（人機界面）與條碼系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程服務(wù)器均采用Ethernet方式進(jìn)行通訊。
2.存儲管理軟件設(shè)計
對設(shè)備存儲管理軟件采用C#語言開發(fā)，以數(shù)據(jù)庫SQL SERVER2008作為平臺，可方便嵌入企業(yè)ERP系統(tǒng)中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的管理。中電二所共燒陶瓷（LTCC/HTCC）基板數(shù)字化車間的全自動緩存庫主要與SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，入庫時，全自動緩存庫接收到上游設(shè)備來料，完成入庫或設(shè)備狀態(tài)改變時，調(diào)用SCADA服務(wù)接口，向SCADA系統(tǒng)上報入庫物料信息和設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)；出庫時，SCADA系統(tǒng)根據(jù)緩存庫下游設(shè)備物料需求下達(dá)出庫任務(wù)指令，調(diào)用全自動緩存庫WEBAPI服務(wù)接口，全自動緩存庫將相關(guān)數(shù)據(jù)信息寫入，并執(zhí)行物料出庫任務(wù)。
在全自動運行狀態(tài)下，當(dāng)傳輸線有物料過來時，存儲管理系統(tǒng)通過條碼系統(tǒng)讀取物料上的二維碼，獲取該物料生產(chǎn)批號、時間等基本信息，并在數(shù)據(jù)庫內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，計算出合理的存放位置，然后控制運動系統(tǒng)將物料存儲在緩存庫內(nèi)部，同時將該物料的基本信息與存儲位置記錄在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。取料時，生產(chǎn)線的服務(wù)器下達(dá)出料指令，將要出庫的物料基本信息發(fā)送到存儲管理系統(tǒng)，緩存庫存儲管理系統(tǒng)通過對比內(nèi)部數(shù)據(jù)庫資料，找到該物料的存取位置，控制運動機構(gòu)將該物料自動取出，并通過出貨機構(gòu)輸送至下個工藝，在輸送的同時，出貨口條碼系統(tǒng)讀取物料信息，通過存儲管理系統(tǒng)記錄出庫信息，同時通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。全自動緩存庫自動操作軟件界面。全自動緩存庫入庫流程。
四、結(jié)語
通過庫存管理系統(tǒng)和整線SCADA控制系統(tǒng)，全面覆蓋緩存庫及各設(shè)備的工單、生產(chǎn)、報警及質(zhì)量管控等相關(guān)信息，可根據(jù)需要定制化選擇模塊，對產(chǎn)線整體的運行控制，實現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備在線的調(diào)度和控制，實現(xiàn)了無人化全自動出入庫操作和信息化管理，在提高生產(chǎn)效率的同時，也節(jié)約了人員成本，減少了人為因素而出現(xiàn)的各種狀況，提高了生產(chǎn)線運行的穩(wěn)定性。同時，對于存儲環(huán)境要求更高的生瓷片基板，全自動緩存庫可通過充氮氣和加裝潔凈房空調(diào)方式，使緩存庫內(nèi)部環(huán)境濕度控制在±1%，溫度控制在±1℃，對緩存庫內(nèi)部的生瓷片基板進(jìn)行恒溫恒濕存儲，滿足產(chǎn)線特殊工藝要求。
就目前情況來看，智能生產(chǎn)線實際使用情況來看，應(yīng)用效果很好，實現(xiàn)了生瓷片的自動化存儲和信息化管理。從目前市場的需求信息分析，全自動緩存庫同樣適用于其他智能生產(chǎn)線和物流配送線，如太陽能行業(yè)、電子行業(yè)等。當(dāng)然，針對不同用戶，全自動緩存庫仍有需要改進(jìn)和完善的地方，如與機器人和AGV智能搬運車相結(jié)合，實現(xiàn)不同物品的揀選和存放。
總之，隨著智能制造技術(shù)革新，自動倉儲行業(yè)正向著全自動化、智能化方向發(fā)展，而全自動緩存庫也將逐漸在各行各業(yè)得到普及應(yīng)用。
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