大型汽車部件自動化立體倉儲的設計與實現

石征錦 單志凌 富斯盟 劉高峰 宿一凡

（沈陽理工大學 自動化與電氣工程學院，沈陽 110159）

2017年，全球汽車市場銷量一舉突破9000萬輛大關，其中中國和美國構成第一世界，中國汽車銷量達到2888萬輛，美國汽車銷量1724萬輛。中國的銷量排名全球第一，已經連續9年蟬聯銷冠，占據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，成為市場的真正統治者[1]。

零部件產業集群發展與汽車工業發展處于同等重要的地位，汽車零部件生產作為汽車工業的基礎，是支撐汽車工業持續健康發展的必要因素。提高專業化、規?；剑攀琼槕a業發展的趨勢和必然[2]。

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

1 大型汽車部件的成品立體倉儲方式及現狀

1.1 生產節拍的制定

生產節拍是衡量裝配制造廠供貨生產能力的重要指標之一，是客戶需求一件產品的市場必要時間。生產節拍的控制對企業穩定持續生產起到至關重要的作用，為了滿足市場需求的增長，每年汽車生產行業都要對生產線節拍進行提速優化，以準時制生產方式為標準，優化工藝、設備、物流和操作人員操作規范[3]。

以某企業汽車前后橋生產線為例，年設計產量20萬臺，年工作日260d，3班制，每班工作8h。在設備開動率85%的情況下，生產節拍等于：

因此，生產1臺車橋最長耗時約為：

式中，T為生產節拍，臺/h；Ta為可用工作時間，h；Td為客戶需求，件數/年；T1為生產1臺車橋最長耗時，s/臺。

為了保證可靠供貨，實際的生產節拍是要低于理論生產節拍的。目前，車橋生產線的生產節拍大約為100s/臺（具體計算見表1，為96s/臺）。作為部件成品制造過程的最后一個環節，成品橋下線后，連續將3臺車橋放置于同一料架上，每個料架完成耗時：

1.2 大型汽車部件立體倉儲的堆垛、解垛及運輸方式

目前，國內倉儲都一直沿用叉車搬運方式。車橋下線區域共有2個下線工位，當一個料架裝滿時，保證仍有另一個空料架可用，持續完成下線作業。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個料架后，叉車先將其搬運至就近的臨時堆垛區；折回，從空料架區解垛1個空料架，放置在步驟1移走的料架空缺位置；等待第2個料架裝滿后，同樣將其運輸到臨時堆垛區；退出，按照先入先出的原則，拾起第1次搬運的料架，放在第2次搬運的料架上；放置完畢后，退出，拾起2層料架搬運至成品出庫區域；等待期間內，完成空料架從進貨空料架區域至就近空料架存放區的補給[4]。

圖1 倉儲過程生產線叉車物流路線

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。在整個過程中，堆垛步驟是故障停機率最高的環節，完成一次二層成品料架堆垛，叉車需要完成四次移動，并配合多次轉向。堆料時，先要將靠近叉車側的上層料架的2個腳先插入底層料架中，這個過程是司機在駕駛室位置觀察操作完成；遠離叉車的2個腳，由于視線的阻隔，只能通過調整上下二層料架的整體平行度，憑借司機的感覺和經驗插入，易失敗，二次調整概率高。目前，在生產線未滿負荷運行的情況下，完成一次堆垛、運輸及空料架補給時長為5min，堆料停機故障率3%，車橋成品下線節拍和生產線節拍基本平衡。

由此可見，國內現使用的大型汽車部件的立體倉儲中堆垛、解垛及運輸方式，故障率高，耗時長。特別是當生產線區域滿負荷運行時，節拍時間縮短，現有的叉車數量將無法滿足新節拍的要求，需額外增加叉車配合生產。此時多臺叉車在狹窄的生產線過道的間隔區行走，存在互相干擾、避讓問題，工作現場混亂，極易發生事故，存在重大安全隱患。

2 大型汽車部件自動化立體倉儲的設計方案

為了解決大型汽車部件的立體倉儲中存在的問題，在有限的生產線車間空間內，實現安全可靠的堆垛、解垛、傳輸，使其滿足生產線滿負荷運轉時的要求，筆者設計了大型汽車部件自動化立體倉儲方案。

2.1 大型汽車部件自動化立體倉儲的總體設計方案

總體設計方案如下：大型汽車部件自動化立體倉儲的路徑、節拍、布局規劃；自動堆垛、解垛及傳輸系統總體結構確立；車橋成品料架傳送、解垛及堆垛電氣控制系統設計；系統軟件設計，主要包括主程序、升降機構伺服電機的同步控制閉環控制、系統故障報警及安全系統、速度調節控制等；上位機故障報警、傳感器在線診斷及監控系統[5]。

2.2 大型汽車部件自動化立體倉儲的節拍方案

生產節拍一旦制定，整個生產的循環周期就確定了，同時每個生產環節的節奏也確定了，這對現代化生產線是非常重要的。大型汽車部件成品橋的堆垛、解垛及傳輸系統節拍要求如表1所示[6]。

表1 大型汽車部件成品橋的堆垛、解垛及傳輸系統節拍計算表

2.3 大型汽車部件自動化立體倉儲的控制系統方案

根據當前大型汽車部件成品橋倉儲系統現狀，確定控制系統方案如下，控制系統框圖如圖3所示。

一是根據節拍要求和貨物發送路線規劃，確定堆垛、解垛工作方式；二是基于Profinet網絡系統的電氣系統設計，開展系統安全回路設計；三是以SIMENES ET200S系列PLC作為控制核心，它支持脫離主站運行、熱插拔操作，不需要停機維修；四是SIMATIC WinCC有良好的開放性和靈活性，將它作為上位機和實時監控系統，實現各工位工作狀態、故障、報警、歷史記錄等功能，同時實現遠程控制，方便維護人員設備診斷；五是采用西門子伺服控制系統S120控制伺服電機提升機構，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入工作區時的人員、設備及成品安全，選用了SICK安全光幕及西門子F Safety系統故障安全系統，取代急停按鈕，保證叉車從不同角度、高度駛入時，均能實現可靠緊急響應。

圖3 控制系統框圖

3 大型汽車部件自動化立體倉儲的實現

本系統由輥道式傳輸機構和雙立柱提升機構組成，配合傳感器，對料架行走路徑跟蹤定位。堆垛、解垛及傳輸機構主要包括：舉升機構、進料傳送、中間傳送、橫移傳送、廢料傳送、滿料旋轉出口等部分，傳輸系統布置如圖4所示。

圖4 大型汽車部件自動堆垛、解垛及傳輸系統布置圖

3.1 上料區、旋轉出料區及廢料區的實現

原有叉車叉架進入這些工位，取放料架時，為防止有料架向此工位移動發生碰撞，系統需頻繁停止運行，等待叉車結束工作后，再恢復運轉。操作員的工作量大，生產效率極低。為此，筆者采用安全光幕，實現防護功能。

光幕傳感器是一種紅外線類的光電保護器，構成保護光柵。當光柵被遮擋時，受光器發現遮光信號，控制器將此信號進行處理，發出控制輸出信號，控制制動控制回路或其他報警設備，間斷工作或安全報警。同時，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。德國SICK deTec4 Core安全光幕保護區域高度為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域，光幕保護高度可以滿足防護范圍要求。另外，安全光幕還具有遠程復位功能，可通過PLC控制，在叉車移出后，自動恢復安全故障[7]。

SIEMENS故障安全自動化系統（F系統），它是具有較高級別安全要求的系統。F系統用于控制中斷后可立即處于安全狀態。F系統在這些過程中發生即時中斷不會危害人身或環境。故障安全模塊的內部設計為兩個通道。兩個集成處理器互相監視，自動測試I/O電路，并在發生故障時將F模塊設置為安全狀態。F系統配合SICK安全光幕，保證叉車駛入時，生產線安全停機等待，保障人身、成品安全。

3.2 堆垛區、解垛區的實現

料架底部有兩個長條形通孔，叉車做堆垛作業時，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。本系統堆垛、解垛工作，同樣需要利用通孔完成。為了解決這個問題，提升機構選用雙立柱結構，料架通孔兩側同時受叉架力量作用，可互相抵消部分堆力。為了更進一步確保2層料架框架4腳相對位置固定，增設輔助定位推板。料架進入堆垛工位后，推板升起，利用氣缸對料架對中擠壓，將料架定位在固定區域。

因為選用雙立柱舉升臂結構，兩側電機行走速度和行程同步必須保持嚴格的一致性。為此，本系統選用SIEMENS S120伺服定位系統，在PLC程序和S120控制器內做閉環同步跟隨程序設計。

3.3 人機界面的實現

料架在各工位橫向、縱向變換工位移動時，單一的指示燈報警無法滿足復雜工況指示，而且并不直觀。所以，本系統在控制柜本體上,安裝有西門子HMI觸摸屏，設置生產線狀況概覽界面、故障報警界面、電機狀態顯示及手動控制界面、氣缸狀態顯示及手動控制界面等。這樣可以增加系統狀態的可讀性，方便維修人員直觀了解設備情況。

4 結論

本系統連續運行近四個月，運行結果表明，將自動化系統與生產工藝相結合，通過采用輥道式傳輸機構和雙立柱提升機構，配合傳感器等，實現大型汽車部件倉儲的精準堆垛、解垛及傳輸；通過采用SICK安全光幕及西門子F Safety系統故障安全系統，實現可靠緊急響應，保證了人員、設備及成品安全；依靠準確的定位功能，提升堆垛成功率，降低故障率，提高了生產效率。生產節拍可隨意調整，保證了成品產量的變化，不需增加額外設備，節約運行成本，同時進一步提升生產現代化水平。大型汽車部件自動化立體倉儲系統完全達到生產要求，取得了滿意的效果，受到用戶的好評。

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

[2]慧聰汽車配件網.我國汽車零部件的發展趨勢[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化立體倉庫系統[J].物流工程與管理，2015，37（4）：62-63.

[4]曾易鑫.論成品料架堆放的智能化策略[J].農村科學實驗，2017，（3）：101-102.

[5]李小三.堆垛機控制系統關鍵技術研究與設計[D].蘭州：蘭州交通大學，2014：8-9.

[6]楊康和.車身調度中心生產能力計算淺析[J].機械制造，2017，55（9）：9-12.

[7]孫景彬，蓋金星，李學強，等.智能馬鈴薯堆垛機的設計[J].農機化研究，2017，39（10）：144-148.