大型汽車部件自動(dòng)化立體倉儲的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石征錦 單志凌 富斯盟 劉高峰 宿一凡

（沈陽理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159）

2017年，全球汽車市場銷量一舉突破9000萬輛大關(guān)，其中中國和美國構(gòu)成第一世界，中國汽車銷量達(dá)到2888萬輛，美國汽車銷量1724萬輛。中國的銷量排名全球第一，已經(jīng)連續(xù)9年蟬聯(lián)銷冠，占據(jù)全球市場大約三分之一的份額。全球前十大市場份額超過全球份額四分之三，成為市場的真正統(tǒng)治者[1]。

零部件產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展與汽車工業(yè)發(fā)展處于同等重要的地位，汽車零部件生產(chǎn)作為汽車工業(yè)的基礎(chǔ)，是支撐汽車工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的必要因素。提高專業(yè)化、規(guī)模化水平，才是順應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢和必然[2]。

大型汽車部件的成品倉儲也是汽車流水線生產(chǎn)的最后一道重要環(huán)節(jié)，一直沿用流水線式叉車搬運(yùn)方式。以國內(nèi)現(xiàn)使用的成品橋堆垛、解垛及運(yùn)輸方式為例，成品車橋，從自動(dòng)化流水生產(chǎn)線下線后，被固定安置于特殊的物流運(yùn)輸料架上，并按照先入先出的原則，對料架進(jìn)行2層堆垛；空料架從物流車叉運(yùn)搬出后需單獨(dú)解垛，之后再由叉車運(yùn)輸至成品料區(qū)或者下橋工位，完成倉儲入庫。

1 大型汽車部件的成品立體倉儲方式及現(xiàn)狀

1.1 生產(chǎn)節(jié)拍的制定

生產(chǎn)節(jié)拍是衡量裝配制造廠供貨生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)之一，是客戶需求一件產(chǎn)品的市場必要時(shí)間。生產(chǎn)節(jié)拍的控制對企業(yè)穩(wěn)定持續(xù)生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用，為了滿足市場需求的增長，每年汽車生產(chǎn)行業(yè)都要對生產(chǎn)線節(jié)拍進(jìn)行提速優(yōu)化，以準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)方式為標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化工藝、設(shè)備、物流和操作人員操作規(guī)范[3]。

以某企業(yè)汽車前后橋生產(chǎn)線為例，年設(shè)計(jì)產(chǎn)量20萬臺，年工作日260d，3班制，每班工作8h。在設(shè)備開動(dòng)率85%的情況下，生產(chǎn)節(jié)拍等于：

因此，生產(chǎn)1臺車橋最長耗時(shí)約為：

式中，T為生產(chǎn)節(jié)拍，臺/h；Ta為可用工作時(shí)間，h；Td為客戶需求，件數(shù)/年；T1為生產(chǎn)1臺車橋最長耗時(shí)，s/臺。

為了保證可靠供貨，實(shí)際的生產(chǎn)節(jié)拍是要低于理論生產(chǎn)節(jié)拍的。目前，車橋生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍大約為100s/臺（具體計(jì)算見表1，為96s/臺）。作為部件成品制造過程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，成品橋下線后，連續(xù)將3臺車橋放置于同一料架上，每個(gè)料架完成耗時(shí)：

1.2 大型汽車部件立體倉儲的堆垛、解垛及運(yùn)輸方式

目前，國內(nèi)倉儲都一直沿用叉車搬運(yùn)方式。車橋下線區(qū)域共有2個(gè)下線工位，當(dāng)一個(gè)料架裝滿時(shí)，保證仍有另一個(gè)空料架可用，持續(xù)完成下線作業(yè)。倉儲過程如圖1所示，倉儲料架下線步驟如下：3臺車橋裝入1個(gè)料架后，叉車先將其搬運(yùn)至就近的臨時(shí)堆垛區(qū)；折回，從空料架區(qū)解垛1個(gè)空料架，放置在步驟1移走的料架空缺位置；等待第2個(gè)料架裝滿后，同樣將其運(yùn)輸?shù)脚R時(shí)堆垛區(qū)；退出，按照先入先出的原則，拾起第1次搬運(yùn)的料架，放在第2次搬運(yùn)的料架上；放置完畢后，退出，拾起2層料架搬運(yùn)至成品出庫區(qū)域；等待期間內(nèi)，完成空料架從進(jìn)貨空料架區(qū)域至就近空料架存放區(qū)的補(bǔ)給[4]。

圖1 倉儲過程生產(chǎn)線叉車物流路線

圖2 車橋物流料架

物流料架如圖2所示，物料架的四角為5cm×5cm立柱。在整個(gè)過程中，堆垛步驟是故障停機(jī)率最高的環(huán)節(jié)，完成一次二層成品料架堆垛，叉車需要完成四次移動(dòng)，并配合多次轉(zhuǎn)向。堆料時(shí)，先要將靠近叉車側(cè)的上層料架的2個(gè)腳先插入底層料架中，這個(gè)過程是司機(jī)在駕駛室位置觀察操作完成；遠(yuǎn)離叉車的2個(gè)腳，由于視線的阻隔，只能通過調(diào)整上下二層料架的整體平行度，憑借司機(jī)的感覺和經(jīng)驗(yàn)插入，易失敗，二次調(diào)整概率高。目前，在生產(chǎn)線未滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，完成一次堆垛、運(yùn)輸及空料架補(bǔ)給時(shí)長為5min，堆料停機(jī)故障率3%，車橋成品下線節(jié)拍和生產(chǎn)線節(jié)拍基本平衡。

由此可見，國內(nèi)現(xiàn)使用的大型汽車部件的立體倉儲中堆垛、解垛及運(yùn)輸方式，故障率高，耗時(shí)長。特別是當(dāng)生產(chǎn)線區(qū)域滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，節(jié)拍時(shí)間縮短，現(xiàn)有的叉車數(shù)量將無法滿足新節(jié)拍的要求，需額外增加叉車配合生產(chǎn)。此時(shí)多臺叉車在狹窄的生產(chǎn)線過道的間隔區(qū)行走，存在互相干擾、避讓問題，工作現(xiàn)場混亂，極易發(fā)生事故，存在重大安全隱患。

2 大型汽車部件自動(dòng)化立體倉儲的設(shè)計(jì)方案

為了解決大型汽車部件的立體倉儲中存在的問題，在有限的生產(chǎn)線車間空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)安全可靠的堆垛、解垛、傳輸，使其滿足生產(chǎn)線滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的要求，筆者設(shè)計(jì)了大型汽車部件自動(dòng)化立體倉儲方案。

2.1 大型汽車部件自動(dòng)化立體倉儲的總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)方案如下：大型汽車部件自動(dòng)化立體倉儲的路徑、節(jié)拍、布局規(guī)劃；自動(dòng)堆垛、解垛及傳輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)確立；車橋成品料架傳送、解垛及堆垛電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要包括主程序、升降機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的同步控制閉環(huán)控制、系統(tǒng)故障報(bào)警及安全系統(tǒng)、速度調(diào)節(jié)控制等；上位機(jī)故障報(bào)警、傳感器在線診斷及監(jiān)控系統(tǒng)[5]。

2.2 大型汽車部件自動(dòng)化立體倉儲的節(jié)拍方案

生產(chǎn)節(jié)拍一旦制定，整個(gè)生產(chǎn)的循環(huán)周期就確定了，同時(shí)每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的節(jié)奏也確定了，這對現(xiàn)代化生產(chǎn)線是非常重要的。大型汽車部件成品橋的堆垛、解垛及傳輸系統(tǒng)節(jié)拍要求如表1所示[6]。

表1 大型汽車部件成品橋的堆垛、解垛及傳輸系統(tǒng)節(jié)拍計(jì)算表

2.3 大型汽車部件自動(dòng)化立體倉儲的控制系統(tǒng)方案

根據(jù)當(dāng)前大型汽車部件成品橋倉儲系統(tǒng)現(xiàn)狀，確定控制系統(tǒng)方案如下，控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

一是根據(jù)節(jié)拍要求和貨物發(fā)送路線規(guī)劃，確定堆垛、解垛工作方式；二是基于Profinet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開展系統(tǒng)安全回路設(shè)計(jì)；三是以SIMENES ET200S系列PLC作為控制核心，它支持脫離主站運(yùn)行、熱插拔操作，不需要停機(jī)維修；四是SIMATIC WinCC有良好的開放性和靈活性，將它作為上位機(jī)和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各工位工作狀態(tài)、故障、報(bào)警、歷史記錄等功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，方便維護(hù)人員設(shè)備診斷；五是采用西門子伺服控制系統(tǒng)S120控制伺服電機(jī)提升機(jī)構(gòu)，利于同步控制，確保料架兩端同步行走；六是為了保證叉車駛?cè)牍ぷ鲄^(qū)時(shí)的人員、設(shè)備及成品安全，選用了SICK安全光幕及西門子F Safety系統(tǒng)故障安全系統(tǒng)，取代急停按鈕，保證叉車從不同角度、高度駛?cè)霑r(shí)，均能實(shí)現(xiàn)可靠緊急響應(yīng)。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

3 大型汽車部件自動(dòng)化立體倉儲的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由輥道式傳輸機(jī)構(gòu)和雙立柱提升機(jī)構(gòu)組成，配合傳感器，對料架行走路徑跟蹤定位。堆垛、解垛及傳輸機(jī)構(gòu)主要包括：舉升機(jī)構(gòu)、進(jìn)料傳送、中間傳送、橫移傳送、廢料傳送、滿料旋轉(zhuǎn)出口等部分，傳輸系統(tǒng)布置如圖4所示。

圖4 大型汽車部件自動(dòng)堆垛、解垛及傳輸系統(tǒng)布置圖

3.1 上料區(qū)、旋轉(zhuǎn)出料區(qū)及廢料區(qū)的實(shí)現(xiàn)

原有叉車叉架進(jìn)入這些工位，取放料架時(shí)，為防止有料架向此工位移動(dòng)發(fā)生碰撞，系統(tǒng)需頻繁停止運(yùn)行，等待叉車結(jié)束工作后，再恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。操作員的工作量大，生產(chǎn)效率極低。為此，筆者采用安全光幕，實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能。

光幕傳感器是一種紅外線類的光電保護(hù)器，構(gòu)成保護(hù)光柵。當(dāng)光柵被遮擋時(shí)，受光器發(fā)現(xiàn)遮光信號，控制器將此信號進(jìn)行處理，發(fā)出控制輸出信號，控制制動(dòng)控制回路或其他報(bào)警設(shè)備，間斷工作或安全報(bào)警。同時(shí)，光幕傳感器是不可見光，不會對人的眼睛造成干擾，利于安全生產(chǎn)。德國SICK deTec4 Core安全光幕保護(hù)區(qū)域高度為300～2100mm，單層料架高度1100mm，叉車的叉架工作高度僅限在底層料架區(qū)域，光幕保護(hù)高度可以滿足防護(hù)范圍要求。另外，安全光幕還具有遠(yuǎn)程復(fù)位功能，可通過PLC控制，在叉車移出后，自動(dòng)恢復(fù)安全故障[7]。

SIEMENS故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)（F系統(tǒng)），它是具有較高級別安全要求的系統(tǒng)。F系統(tǒng)用于控制中斷后可立即處于安全狀態(tài)。F系統(tǒng)在這些過程中發(fā)生即時(shí)中斷不會危害人身或環(huán)境。故障安全模塊的內(nèi)部設(shè)計(jì)為兩個(gè)通道。兩個(gè)集成處理器互相監(jiān)視，自動(dòng)測試I/O電路，并在發(fā)生故障時(shí)將F模塊設(shè)置為安全狀態(tài)。F系統(tǒng)配合SICK安全光幕，保證叉車駛?cè)霑r(shí)，生產(chǎn)線安全停機(jī)等待，保障人身、成品安全。

3.2 堆垛區(qū)、解垛區(qū)的實(shí)現(xiàn)

料架底部有兩個(gè)長條形通孔，叉車做堆垛作業(yè)時(shí)，叉架插入通孔，不可避免地刮擦，料架會隨著叉架的移入在地面小幅度移動(dòng)。本系統(tǒng)堆垛、解垛工作，同樣需要利用通孔完成。為了解決這個(gè)問題，提升機(jī)構(gòu)選用雙立柱結(jié)構(gòu)，料架通孔兩側(cè)同時(shí)受叉架力量作用，可互相抵消部分堆力。為了更進(jìn)一步確保2層料架框架4腳相對位置固定，增設(shè)輔助定位推板。料架進(jìn)入堆垛工位后，推板升起，利用氣缸對料架對中擠壓，將料架定位在固定區(qū)域。

因?yàn)檫x用雙立柱舉升臂結(jié)構(gòu)，兩側(cè)電機(jī)行走速度和行程同步必須保持嚴(yán)格的一致性。為此，本系統(tǒng)選用SIEMENS S120伺服定位系統(tǒng)，在PLC程序和S120控制器內(nèi)做閉環(huán)同步跟隨程序設(shè)計(jì)。

3.3 人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)

料架在各工位橫向、縱向變換工位移動(dòng)時(shí)，單一的指示燈報(bào)警無法滿足復(fù)雜工況指示，而且并不直觀。所以，本系統(tǒng)在控制柜本體上,安裝有西門子HMI觸摸屏，設(shè)置生產(chǎn)線狀況概覽界面、故障報(bào)警界面、電機(jī)狀態(tài)顯示及手動(dòng)控制界面、氣缸狀態(tài)顯示及手動(dòng)控制界面等。這樣可以增加系統(tǒng)狀態(tài)的可讀性，方便維修人員直觀了解設(shè)備情況。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行近四個(gè)月，運(yùn)行結(jié)果表明，將自動(dòng)化系統(tǒng)與生產(chǎn)工藝相結(jié)合，通過采用輥道式傳輸機(jī)構(gòu)和雙立柱提升機(jī)構(gòu)，配合傳感器等，實(shí)現(xiàn)大型汽車部件倉儲的精準(zhǔn)堆垛、解垛及傳輸；通過采用SICK安全光幕及西門子F Safety系統(tǒng)故障安全系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可靠緊急響應(yīng)，保證了人員、設(shè)備及成品安全；依靠準(zhǔn)確的定位功能，提升堆垛成功率，降低故障率，提高了生產(chǎn)效率。生產(chǎn)節(jié)拍可隨意調(diào)整，保證了成品產(chǎn)量的變化，不需增加額外設(shè)備，節(jié)約運(yùn)行成本，同時(shí)進(jìn)一步提升生產(chǎn)現(xiàn)代化水平。大型汽車部件自動(dòng)化立體倉儲系統(tǒng)完全達(dá)到生產(chǎn)要求，取得了滿意的效果，受到用戶的好評。

[1]風(fēng)語者.2017全球汽車市場銷量大統(tǒng)計(jì)[EB/OL].（2018-03-05）[2018-04-02]http：//news.bitauto.com/hao/wenzhang/650270.

[2]慧聰汽車配件網(wǎng).我國汽車零部件的發(fā)展趨勢[EB/OL].（2010-11-22）[2018-04-02]http：//auto.ifeng.com/usecar/news/20101122/471539.shtml.

[3]徐雯露，周丹誠，劉淑紅.一種無存儲托盤的自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)[J].物流工程與管理，2015，37（4）：62-63.

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