智能高速元件庫的關鍵技術及應用

文/張英英

近年來，智能制造的理念在制造行業逐步推廣應用，在中國經濟進入轉型升級新常態、工業4.0加速發展以及各行業紛紛推動“智能制造”等眾多因素的催化下，智能倉儲物流裝備的研發和應用成為中國物流裝備行業新的發展趨勢。

智能倉儲物流系統與生產線的融合，可以實現生產過程物料的點對點輸送，輔助完成較復雜的生產輸送和配方工藝，甚至成為生產工藝的關鍵環節。中國電子科技集團公司第二研究所研制的智能高速元件庫，通過與生產線的深度融合，實現了物料的智能緩存和高效精準配送，開辟了智能緩存技術的新模式，具有一定的應用前景。

一、智能高速元件庫的用途及發展現狀

智能高速元件庫是一種新型的自動倉儲設備，主要用于存放電子元器件、標準件等小型物料，該設備能實現物料自動出入庫，而且能夠與生產線進行對接聯網，實現智能制造。該智能高速元件庫還可以通過增加溫濕度控制系統實現內部溫濕度的恒定，適用于對存儲環境有溫濕度特殊要求的物料。

縱觀國內外，目前還沒有應用在智能制造生產線上針對電子元件等物料存放的設備，中國電子科技集團公司第二研究所設計的智能高速元件庫能夠與智能生產線進行無縫對接，實現物料在線上自動出入和存放。該設備還能有效控制物料存儲環境，滿足各種電子元件對存儲環境的需求。

二、智能高速元件庫的工作原理及結構

1.智能高速元件庫的工作原理

智能高速元件庫以特定的料盒為存儲單元，采用伺服控制技術，由上下兩個行走伺服電機通過同步驅動帶動行走機構做水平運動，由提升伺服電機通過帶動貨叉機構做垂直升降運動，由貨叉機構上的伸縮伺服電機驅動貨叉做掛取運動。

圖1：智能高速元件庫的外形

圖2：智能高速元件庫的結構

圖3：行走機構示意圖

圖4：貨叉機構

圖5：入貨、出貨機構

圖6： 貨架、防靜電隔板和防靜電物料盒

圖7：智能高速元件庫電氣控制系統示意圖

通過上述三維運動可將指定貨位的貨物取出或將貨物送入指定貨位。入貨時，由入貨機構的輸送伺服電機和定位組件共同將料盤送到入貨口指定位置，再由貨叉機構取走；取貨時，則由貨叉機構將指定料盤送到出貨口，再由出貨機構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，控制系統還配備條碼識別系統、監控系統，通過工控機與生產線的服務器進行數據交換，實現由整個智能生產線的MES系統和SCADA系統對智能高速元件庫的控制管理和狀態監控。

2.智能高速元件庫的結構

智能高速元件庫由骨架、底座、行走機構、貨叉機構、入貨機構、出貨機構、面板、貨架、電氣控制系統等部分組成。智能高速元件庫的外形，如圖1。智能高速元件庫的結構，如圖2。

①骨架：所有立柱、橫梁均采用鋁合金型材，受力穩定、均勻，確保滿足承載的情況下盡可能使得整個設備的重量輕量化。

②行走機構：行走機構由上下兩個水平運動模組和1個垂直運動模組組成，上下兩個模組由兩個伺服電機采用同步方式驅動，如圖3。

③貨叉機構：貨叉機構是智能高速元件庫的關鍵部件，該機構由取貨板、滑軌、旋轉電機、伸縮電機等部分組成，如圖4。

④入貨、出貨機構：進出貨口由傳送部件、物料定位部件和抽屜等部分組成，如圖5。物料入庫時，將物料放入特定的料盒中，將料盒放入抽屜中，定位傳動機構將關閉抽屜，再由貨叉機構將料盒取到貨叉上，然后做水平和提升定位運動，放入貨架上。物料出庫時，由行走機構做水平和提升定位運動從某個貨位將物料的料盒取到貨叉上，再由貨叉送到出貨口，通過抽屜傳送部件將料盒送出。

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，又能達到減輕設備重量的目的。貨架采用模塊化設計思想，將整個貨架分成三個模塊：左框架模塊、右框架模塊和標準框架模塊，如果想擴大存儲容量，只需要在左、右模塊中間加入標準框架模塊即可。物料存放層格為防靜電隔板制作，防靜電隔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，并滿足電子元件防靜電要求，如圖6。

⑥電氣控制系統：智能高速元件庫電氣控制系統由可編程控制器（PLC）、I/O模塊、通訊模塊、人機界面（工控機）、傳感器、條碼識別系統、監控系統、網絡交換機等部分組成，如圖7。

三、智能高速元件庫的主要技術參數

外形尺寸：6 0 0 0 m m（長）×2420mm（寬）×2850mm（高）；

料盒尺寸：6 0 0 m m（長）×400mm（寬）×120mm（高）；

料盒容量：400個；

提升運行速度：1.0m/s；

水平運行速度：2.0m/s；

定位精度：±0.5mm；

貨格層間距：200mm；

存儲節拍：25s/次；

電源：380V±10%，50Hz，三相五線；

單料盒載重：80公斤。

四、控制系統設計的關鍵技術

智能高速元件庫控制系統以工控機為控制中心，主要由運動控制、條碼識別、監控系統和存儲管理軟件系統等組成。運動系統控制伺服電機實現各運動部件的高速精確定位；條碼識別則是采集物料的基本信息；監控系統實時顯示和記錄全自動緩存庫內部動作情況，并具有回放功能；存儲管理軟件系統與智能生產線的MES系統和SCADA系統對接，使全自動緩存庫能夠對物料進行自動化存取管理，達到全自動的控制效果。為達到全自動存儲、智能存儲的功能，運動控制、條碼識別和存儲管理軟件設計為控制系統設計重點。

圖8：智能高速元件庫自動操作軟件界面

圖9：物料入庫流程圖

1.控制系統的硬件及網絡組成

（1）運動控制系統部分：安川PLC+通訊模塊+I/O模塊、伺服驅動器+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，PLC與I/O模塊及各伺服驅動采用MECHATROLINK方式進行通訊。為確保全自動緩存庫高速高效存儲和精確定位，行走機構采用上下兩臺伺服電機同步差補運行方式，實現了高速運行，水平運行速度達到了2.0米/秒。

（2）條碼識別部分：二維條碼識別系統通過網絡交換機，以Ethernet方式與工控機進行通訊。

圖10：物料出庫流程圖

（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方式進行通訊，工控機（人機界面）與條碼系統、監控系統以及遠程服務器均采用Ethernet方式進行通訊。

2.存儲管理軟件設計

存儲管理軟件采用C#語言開發，以數據庫SQL SERVER2008作為平臺，可方便嵌入企業ERP系統中，實現網絡化的管理。該存儲管理軟件通過讀取數據庫中間表的方式，與智能生產線的服務器的MES系統和SCADA系統對接，進行數據交換。智能高速元件庫自動操作軟件界面，如圖8。

智能高速元件庫的入庫流程，如圖9。

智能高速元件庫的出庫流程，如圖10。

五、結語

中國電子科技集團公司第二研究所研制的智能高速元件庫，通過與生產線深度融合，實現了無人化全自動出入庫操作和信息化管理，在提高生產效率的同時，也節約了人員成本，減少了人為因素而出現的各種狀況，提高了生產線運行的穩定性。

就目前情況來看，智能高速元件庫系中國電子科技集團公司第二研究所首創，國內還沒有相同產品，從目前市場的需求信息分析，智能高速元件庫適用于其它智能生產線和物流配送線，比如太陽能行業、電子行業等等。當然，針對不同用戶，智能高速元件庫仍有需要改進和完善的地方，比如與機器人和AGV智能搬運車相結合，實現不同物品的揀選和存放。

總之，隨著工業4.0迅猛發展以及智能制造技術革新，自動倉儲行業正向著全自動化、智能化方向發展，而智能高速元件庫也將逐漸在各行各業普及應用。