一種懸掛式硅鋼卷料立體倉庫設計

張智臻，楊永記，李彥虎，張華杰

（中節能西安啟源機電裝備有限公司，陜西 西安710018）

0 前言

目前，自動化立體倉庫在國內外醫藥、煙草、食品飲料、汽車制造及物流等行業得到廣泛應用[1-4]，但在國內外變壓器鐵心制造領域，由于硅鋼卷料的特殊性及設備投資較大等原因應用廠家屈指可數[5]。國內第一座鐵心硅鋼卷料立體倉庫于2002年底在保定變壓器廠鐵心車間投入使用，到目前為止，只有衡陽特變、山東電力等為數不多的主變廠家建成鐵心硅鋼卷料立體倉庫，而國外對變壓器鐵心的立體倉庫應用沒有公開文獻報道。目前建成的立體倉庫，卷料都是采用臥式平放在托盤上。由于卷料臥式平放和鐵心加工設備工作方向不一致，需要在出入庫時將卷料90°翻轉。該技術方案優點是，堆垛機和貨架可以采用標準的橫梁式貨架及雙層標準伸縮貨叉，不需要特殊定制。但缺點是：1）卷料出入庫需要進行90°翻轉，如圖1所示，影響出入庫效率；2）卷料出入庫及上料需要由人工操作，自動化程度低；3）由于是臥式平放在托盤上，對卷料端面不齊度有要求，容易對卷料造成損傷。

圖1 卷料出庫翻轉后的結構圖

隨著變壓器鐵心自動智能制造技術的快速發展[6-8]，現有鐵心卷料立體庫技術方案已無法滿足鐵心智能制造的要求。迫切需要研制出能和鐵心加工設備形成先進物流的自動化鐵心硅鋼卷料立體倉庫，本文提出一種懸掛式硅鋼卷料立體倉庫，可實現硅鋼卷料自動存儲、出庫、上料及管理等功能，滿足了變壓器企業鐵心智能制造的要求。

1 懸掛式立體倉庫的設計

根據鐵心加工工藝研究[6-8]及客戶技術交流后，硅鋼卷料確定采用懸掛立式存放方式，如圖2所示，懸掛式硅鋼卷料立體倉庫由立柱貨架、旋轉貨叉式堆垛機、旋轉接（上）料臂裝置、上料平臺、稱重裝置、電控系統、倉儲管理系統（WMS）、LED顯示系統及安全護欄等組成。

圖2 懸掛式儲料結構圖

1.1 確定硅鋼卷料的尺寸和庫位重量

針對客戶主要是生產配電變壓器，按照客戶提供的硅鋼片卷料最大物料標準（SCB10-3150/10，11020），確定單卷卷料尺寸為Φ1 100×300 mm。單個庫位最大承重：1 500 kg。

1.2 懸臂式掛梁貨架結構設計

采用立柱與懸臂式掛梁形式，主體貨架由55根立柱組成，每根立柱設有四個懸掛梁，形成一個懸掛式承載的立體貨架。在貨架立柱的底端設有與立柱垂直安放并平行于地面的底梁，底梁方向與堆垛機軌道垂直，與懸掛梁構成若干個C型，以提高貨架立柱承載受力后的穩定性的。

其中懸臂掛梁由鋼板焊接制成，其結構采用兩個條型板對稱中心平行立放，在立板的上方設有中間開口的圓柱弧板，柱面弧度與硅鋼卷料內徑一致，中間開口寬度尺寸略大于堆垛機抓取機構寬度，以便抓取機構入庫做料卷置放時插入，在懸臂拖掛梁的另一端，設有與立柱連接的鋼板，通過鋼板和螺栓連接固定。

1.3 旋轉式取料機構設計

采用懸掛式硅鋼卷料技術最大難點是，立體庫里面一排貨架的卷料無法用標準的多級伸縮貨叉取出。本文設計了旋轉式抓取貨叉機構，如圖3所示。拋棄傳統多級伸縮貨叉，使用單級貨叉即可實現兩列貨架的卷料叉取，并且能夠自動與回轉接（上）料臂裝置無縫對接，如圖4所示。

圖3 旋轉式抓取貨叉機構圖

圖4 回轉接（上）料臂圖

用于出入庫插取貨物的抓取貨叉機構安裝在轉盤上，回轉支承分別和轉盤及底座相連接。小齒輪和固定在底座的電機輸出軸相連，小齒輪和回轉支承嚙合，電機驅動抓取貨叉機構可實現180°旋轉。抓取貨叉機構的貨叉通過電機帶動底座位置的齒條實現貨叉伸縮。

在抓取貨叉機構上設有雙螺桿伸縮機構的輔助支撐，該機構在貨叉進入到被取的卷料內圈中后，輔助支撐7通過微型電機和微型減速器帶動雙螺桿做伸出運動，支撐在卷料內徑表面上，使卷料平穩的置于抓取貨叉上，避免運動時產生晃動。稱重傳感裝置設在貨叉抓取機構的端頭上部，承重精度0.5%。當貨物被貨叉叉起時，卷料的重力將作用在稱重傳感器上，從而自動獲取重量并錄入數據庫中。

1.4 確定貨格尺寸和倉庫總體尺寸

立體庫由55個立柱組成，每根立柱設有4個懸臂掛梁，共計220個貨位，每個貨位最多掛3卷料。貨架總高（含天軌）6 280 mm，貨架全長76 000 mm，寬度3 500 mm，占地面積266 m2。

1.5 立體庫出入庫效率計算

由于出入庫設備的效率遠大于堆垛機的存取效率，故自動化立體倉庫的出入庫效率，由堆垛機而定。堆垛機效率統計見表1。

表1 立體庫出入庫效率統計表

因設計方案倉儲整體的出入庫效率集中在倉儲搬運環節，所以堆垛機的出庫效率直接可以體現。堆垛機存在單指令模式和復合指令模式，單指令體現的是堆垛機的最低搬運效率，復合指體現的是堆垛機最高搬運效率。從上表可以看出，設計方案8 h工作制下的80%倉儲搬運效率為：最低294卷/天，最高345卷/天，可以滿足客戶最大產能275卷/天出入庫的需求。

1.6 卷料出庫及余料退庫自動流程

橫剪線接收MES（Manufacturing Execution System）生產指令后，操作者根據橫剪指令使用的條料列表，選擇條料后，發送上料請求到立體倉庫。倉儲管理系統（WMS，Warehouse Management System）會根據優先使用同型號、同規格的余料，其次考慮先進先出，同時考慮條料的出庫路徑與效率的關系后，自動選出最優方案。堆垛機將按MES指定的庫址執行出庫命令，根據指令，堆垛機上的抓取貨叉機構將卷料抓取出后，將卷料自動上到回轉接（上）料臂上，再由回轉接（上）料臂自動上到橫剪線開卷機放料軸上，同時把卷料出庫記錄上傳到MES系統，如圖5和圖6所示。余料退庫是按上述相反動作順序執行，同時將余料退庫記錄及重量信息發往MES系統，流程圖如圖7所示。

圖5 回轉接料臂接料圖

圖6 回轉接料臂上料圖

圖7 卷料出入庫工藝流程圖

1.7 確定立體倉庫及設備的總體布局

針對客戶鐵心加工工藝流程，本文按照精益生產的最短距離、物料順暢等原則進行布置規劃，同時，根據客戶生產產能，立體庫按滿足二條縱剪線和六條橫剪線生產用料的需求設計，其中包含預留縱剪、橫剪各一條線，為客戶后期產能增加留有裕度，如圖7所示。在每個設備上料位置都設置出料口及自動上下料裝置，從而實現一套先進完整的自動物流系統。

圖7 立體庫整體布局

懸掛式硅鋼卷料立體倉庫較現有的臥式平放方式有如下優點：1）立式存放硅鋼卷料的方向和鐵心加工設備一致，出入庫卷料不需要90°翻轉，出入庫效率高；2）卷料在貯存和轉運均采用內圈定位，便于和鐵心加工設備自動對接，自動化程度高；3）由于是懸掛立式存放，不會損傷材料，且適合窄邊料的存放；4）空間利用率更高，相同面積下，比臥式平放貯存卷料數量多50%。

2 結束語

本文提出一種懸掛式硅鋼卷料立體倉庫，通過設計旋轉抓取貨叉機構和回轉接（上）料臂裝置，結合MES系統，實現卷料入庫、出庫及上料全過程的自動物流系統。

目前，該自動化立體庫在某變壓器企業，已安裝調試完成并投入使用，設備運行狀態良好，各項指標均能滿足使用要求，解決了國內變壓器行業縱剪分切后的硅鋼片卷料存放、庫存數據共享以及呆滯物料造成的資源浪費問題，對以后變壓器鐵心智能制造、智能倉儲及物流運輸的進一步研究具有較高的實際應用意義。