全自動緩存庫關鍵技術及應用

文/ 張丹 高家興 李偉

近年來，中國經濟進入轉型升級的新階段，“工業4.0”加速發展，智能制造、柔性加工技術等理念在制造行業逐步推廣應用，在諸多因素催化之下，智能倉儲物流裝備的研發和應用成為中國物流裝備行業發展的新趨勢。

一、全自動緩存庫的用途及發展現狀

全自動緩存庫是一種新型的自動倉儲設備，主要用于存放生瓷片、盤料等薄片形狀類物料，該設備可實現物料自動出入庫，而且能與共燒陶瓷（LTCC/HTCC）基板數字化車間進行對接聯網，實現智能制造。由于生瓷片需要存放在恒溫恒濕的環境下，該緩存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，適用于對存儲環境具有溫濕度特殊要求的物料。

目前，國內外還沒有應用在智能制造生產線上針對生瓷片存放的設備，傳統的LTCC生產線生產過程中生瓷片都是在恒溫恒濕柜中存放，無法實現線上自動化生產。中電二所設計的生瓷片緩存庫能夠與智能制造線對接，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，滿足生瓷片對存儲環境的需求。

二、全自動緩存庫的工作原理及結構

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，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和旋轉伺服電機同時驅動貨叉做掛取運動。通過上述三維運動可將指定貨位的貨物取出或將貨物送入指定貨位。入貨時，則由入貨機構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LTCC基板智能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系統對全自動緩存庫的控制管理和狀態監控。

2.全自動緩存庫的結構

全自動緩存庫的外形是一個長方體（見圖1），結構由骨架、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（見圖2）。

圖1 全自動緩存庫的外形

圖2 全自動緩存庫的結構

（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整個設備的重量輕量化。

全自動緩存庫電氣控制系統由可編程控制器（PLC）、IO模塊、通訊模塊、人機界面（工控機）、傳感器、條碼識別系統、監控系統、網絡交換機等部分組成。

（2）行走機構：行走機構由上下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動（見圖3、圖4）。

圖3 行走機構示意圖

圖4 行走機構實物圖

（3）貨叉機構：貨叉機構是全自動緩存庫的關鍵部件，該機構由取貨板、滑軌、旋轉電機、伸縮電機等部分組成（見圖5、圖6）。貨叉往同側方向運動時，只需伸縮電機動作；而貨叉往相反側（180°方向）運動時，旋轉電機驅動取貨板轉動180°，在旋轉電機動作的同時，伸縮電機也進行動作。

由于跨境電商在個人、企業交易的背后是國與國之間的貿易。因此跨境電商在交易環節的復雜程度遠比國內電商高得多。由于需要海關、檢驗檢疫、物流等多方主體的參與，在審查、對賬、通關等方面也需要花費大量的人力物力成本。因此從事跨境電商的企業除了需要應對跨境物流、匯率等不確定性因素以外，還要打通諸多環節，從而推高了經濟成本和時間成本。

圖5 貨叉機構示意圖

圖6 貨叉機構實物圖

（4）入貨、出貨機構：進出貨口由皮帶傳送部件和物料定位部件組成（見圖7），物料入庫時，由傳輸線送過來的物料通過進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，再通過行走機構將物料存放到某個貨位；物料出庫時，由行走機構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。

圖7 入貨機構示意圖

（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（見圖8）。

圖8 貨架和不銹鋼層隔板

（6）電氣控制系統：全自動緩存庫電氣控制系統由可編程控制器（PLC）、IO模塊、通訊模塊、人機界面（工控機）、傳感器、條碼識別系統、監控系統、網絡交換機等部分組成（見圖9）。

圖9 全自動緩存庫電氣控制系統示意圖

三、全自動緩存庫的主要技術參數

1.外形尺寸：2 7 5 0 m m（長）×1250mm（寬）×2200mm（高）；

2.托盤尺寸：2 3 5 m m（長）×235mm（寬）；

3.物料容量：880片；

4.提升運行速度：1.0m/s；

5.水平運行速度：1.5m/s；

6.定位精度：±0.5mm；

7.貨格層間距：20mm；

8.存儲節拍：15s/次。

四、控制系統設計的關鍵技術

全自動緩存庫控制系統以工控機為控制中心，主要由運動控制、氣動控制、條碼識別、監控系統和存儲管理軟件系統等組成（見圖10）。運動系統控制伺服電機實現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備；條碼識別則是采集物料的基本信息（見圖11）；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（見圖12）；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、存儲管理軟件設計為控制系統設計重點。

圖10 全自動緩存庫控制系統網絡示意圖

圖11 全自動緩存庫出入貨口及條碼識別系統

圖12 全自動緩存庫內部監控系統

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+IO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IO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2臺伺服電機同步差補運行方式，實現高速運行，水平運行速度可達1.5m/s。

（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。

（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。中電二所共燒陶瓷（LTCC/HTCC）基板數字化車間的全自動緩存庫主要與SCADA系統進行數據處理（見圖13），入庫時，全自動緩存庫接收到上游設備來料，完成入庫或設備狀態改變時，調用SCADA服務接口，向SCADA系統上報入庫物料信息和設備當前狀態；出庫時，SCADA系統根據緩存庫下游設備物料需求下達出庫任務指令，調用全自動緩存庫WEBAPI服務接口，全自動緩存庫將相關數據信息寫入，并執行物料出庫任務。

圖13 全自動緩存庫與SCADA系統數據處理示意圖

在全自動運行狀態下，當傳輸線有物料過來時，存儲管理系統通過條碼系統讀取物料上的二維碼，獲取該物料生產批號、時間等基本信息，并在數據庫內進行數據對比，計算出合理的存放位置，然后控制運動系統將物料存儲在緩存庫內部，同時將該物料的基本信息與存儲位置記錄在數據庫內。取料時，生產線的服務器下達出料指令，將要出庫的物料基本信息發送到存儲管理系統，緩存庫存儲管理系統通過對比內部數據庫資料，找到該物料的存取位置，控制運動機構將該物料自動取出，并通過出貨機構輸送至下個工藝，在輸送的同時，出貨口條碼系統讀取物料信息，通過存儲管理系統記錄出庫信息，同時通過網絡發送至遠程服務器。全自動緩存庫自動操作軟件界面，如圖14。全自動緩存庫入庫流程，見圖15。

圖14 全自動緩存庫自動操作軟件界面

圖15 物料入庫流程圖

全自動緩存庫出庫流程，見圖16。

圖16 物料出庫流程圖

五、結語

中電二所研制的全自動緩存庫與共燒陶瓷（LTCC/HTCC）基板數字化車間產線深度融合，通過自主研發庫存管理系統和整線SCADA控制系統，全面覆蓋緩存庫及各設備的工單、生產、報警及質量管控等相關信息，可根據需要定制化選擇模塊，對產線整體的運行控制，實現生產線設備在線的調度和控制，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。同時，對于存儲環境要求更高的生瓷片基板，中電二所研制的全自動緩存庫可通過充氮氣和加裝潔凈房空調方式，使緩存庫內部環境濕度控制在±1%，溫度控制在±1℃，對緩存庫內部的生瓷片基板進行恒溫恒濕存儲，滿足產線特殊工藝要求。

就目前情況來看，全自動緩存庫系中電二所在微電子和三代半導體智能制造領域首創，國內尚未有相同產品。從中電二所LTCC基板智能生產線實際使用情況來看，應用效果很好，實現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線和物流配送線，如太陽能行業、電子行業等。當然，針對不同用戶，全自動緩存庫仍有需要改進和完善的地方，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，而全自動緩存庫也將逐漸在各行各業得到普及應用。