軸鋼作為電機(jī)主軸的原材料，一般按長度3m或6m供貨，直徑從幾毫米到幾百毫米，主流生產(chǎn)廠家的軸鋼加工車間年消耗量達(dá)千噸以上，規(guī)格有幾十種。本文以某企業(yè)軸鋼加工數(shù)字化車間的建設(shè)項(xiàng)目為例，介紹沈飛公司規(guī)劃并實(shí)施的軸鋼棒材立體庫及三坐標(biāo)機(jī)器人揀選系統(tǒng)在企業(yè)數(shù)字化制造車間中的應(yīng)用。

在制造企業(yè)中，長大物料與使用標(biāo)準(zhǔn)托盤裝載的常規(guī)物料在倉儲(chǔ)方式、輸送搬運(yùn)設(shè)備及生產(chǎn)管理等方面采用的形式有所不同。棒材作為長大物料中常見的一種類型，應(yīng)用廣泛。棒材立體庫系統(tǒng)由頂部軌道棒材立體庫、出入庫RGV、地面輸送機(jī)以及三坐標(biāo)機(jī)械手等構(gòu)成。其中，頂部軌道棒材立體庫是長大物料動(dòng)態(tài)立體倉儲(chǔ)解決方案中的核心產(chǎn)品之一，由于其具有占地面積小、貨位多、存儲(chǔ)量大、自動(dòng)化出入庫等特點(diǎn)，在棒材加工車間中是一種有效節(jié)省占地面積、提高物料揀選效率的可用設(shè)備。

近年來，隨著智能制造技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)字化車間的建設(shè)項(xiàng)目明顯增多。圍繞原材料立體庫布局的倉儲(chǔ)、加工一體化生產(chǎn)布局的生產(chǎn)模式也進(jìn)入應(yīng)用階段，長大物料的線邊立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)建設(shè)需求逐年增加。

2021年沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)物流裝備有限公司（以下簡稱“沈飛公司”）在某電機(jī)制造企業(yè)的軸鋼數(shù)字化車間的物流系統(tǒng)規(guī)劃中，通過使用頂部軌道棒材立體庫及三坐標(biāo)機(jī)器人揀選系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軸鋼在倉儲(chǔ)、搬運(yùn)、生產(chǎn)等作業(yè)環(huán)節(jié)的無縫集成，車間的物流倉儲(chǔ)作業(yè)除在入庫環(huán)節(jié)需要人工檢驗(yàn)以及裝盤外，其它環(huán)節(jié)均實(shí)現(xiàn)了無人化作業(yè)。該項(xiàng)目是棒材立體庫（倉儲(chǔ)）、搬運(yùn)輸送揀選（物流）設(shè)備與機(jī)加機(jī)床（生產(chǎn)設(shè)備）一種典型的集成應(yīng)用，對(duì)該類型生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字化車間的建設(shè)具有一定的示范意義。

一、軸鋼數(shù)字化加工車間總體工藝布局

1.車間情況及基本需求

軸鋼加工車間區(qū)域地面寬度16m、長度48m，車間高度10.5m。車間規(guī)劃9套棒料加工中心，以加工直徑100mm以下光圓軸鋼為主。軸鋼SKU數(shù)量不大于30，軸鋼存儲(chǔ)量不大于500噸。貨位尺寸規(guī)格為3200 mm x530 mm x350mm，載荷3000kg。

用戶需求：以信息化和自動(dòng)化為驅(qū)動(dòng)，建設(shè)成有行業(yè)影響力的智能軸鋼數(shù)字化車間。

2.車間總體工藝布局

依據(jù)用戶基本需求結(jié)合生產(chǎn)特點(diǎn)，經(jīng)充分調(diào)研，沈飛公司確定為以頂部軌道棒材立體庫為線邊緩存，以出入庫RGV及三坐標(biāo)機(jī)械手為主要物料搬運(yùn)設(shè)備為9套棒料加工中心自動(dòng)上料，以WMS/WCS與ERP、MES以及棒料加工中心PLC等系統(tǒng)進(jìn)行接口開發(fā)，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)字化車間的建設(shè)需求。車間總體布局如圖1所示。

車間主要設(shè)備構(gòu)成：①入庫RGV，1套；②頂部軌道棒材立體庫，1套；③出庫RGV，1套；④地面輸送機(jī)，6套；⑤三坐標(biāo)機(jī)械手，1套；⑥棒料加工中心，9套，圖1中A為棒料加工中心的上料工作臺(tái)位置。 

二、系統(tǒng)設(shè)備功能及主要作業(yè)流程

1.入庫RGV

本項(xiàng)目配置1臺(tái)入庫RGV，用于軸鋼的入庫，入庫口現(xiàn)場(chǎng)見圖2。

（1）入庫RGV主要技術(shù)參數(shù)

載荷：3500kg；

運(yùn)行速度：12m/min；

尺寸檢測(cè)：有；

重量檢測(cè)：有。

（2）涉及的主要作業(yè)流程為軸鋼入庫流程，具體如下：

軸鋼卸車→檢驗(yàn)（外觀、數(shù)量等）→系統(tǒng)分配貨位，托盤隨入庫RGV出庫就位→人工輔助將軸鋼放入托盤，系統(tǒng)稱重，人工確認(rèn)軸鋼相關(guān)信息→入庫RGV回送托盤到待入庫位。

2.頂部軌道棒材立體庫

頂部軌道棒材立體庫是一種專用、非常規(guī)類型的自動(dòng)化立體庫，采用焊接式貨架、橋式堆垛機(jī)，適用于在有限場(chǎng)地內(nèi)對(duì)棒材等細(xì)長大物料的高密度立體存儲(chǔ)，是目前棒材、型材等加工現(xiàn)場(chǎng)節(jié)省原材料占地面積、消除物料人工配送環(huán)節(jié)、提高生產(chǎn)效率的有效倉儲(chǔ)設(shè)備之一。在特定應(yīng)用環(huán)境下，與其它類型倉儲(chǔ)設(shè)備相比，頂部軌道棒材立體庫在空間利用率、倉儲(chǔ)作業(yè)效率、設(shè)備總體投入成本以及與生產(chǎn)設(shè)備銜接等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

本項(xiàng)目中，立體庫區(qū)域占地8mx16m，托盤尺寸規(guī)格長3336mmx深736 mmx高395mm（外尺寸），載荷3000kg，項(xiàng)目有效貨位166個(gè)，頂部軌道堆垛機(jī)1臺(tái)，出入庫RGV共2套，托盤平均出入庫效率20托盤/分鐘。頂部軌道棒材立體庫的主要作業(yè)流程如下：

（1）堆垛機(jī)依據(jù)WMS/WVCS指令，與入庫RGV對(duì)接，執(zhí)行托盤入庫作業(yè)；

（2）堆垛機(jī)依據(jù)WMS/WVCS指令，與出庫RGV對(duì)接，執(zhí)行托盤入庫作業(yè)以及托盤返庫作業(yè)。

3.出庫RGV與地面輸送機(jī)

出庫RGV依據(jù)WCS指令，負(fù)責(zé)從立體庫接收托盤，搬運(yùn)托盤到指定位置的地面輸送機(jī)，或從指定位置的地面輸送機(jī)上接收托盤回送立體庫，其中地面輸送機(jī)配置稱重系統(tǒng)。參見圖7。

4.三坐標(biāo)桁架機(jī)械手

本項(xiàng)目選用三坐標(biāo)桁架機(jī)械手，根據(jù)需要在Z軸末端增加旋轉(zhuǎn)軸A軸，其中X軸總長31m，Y軸總長13.6m，Z軸的有效行程3.8m，在A軸下面安裝電磁吊具，額定吸附鋼棒能力大于100kgf。

（1）主要物流作業(yè)

依據(jù)WCS指令，機(jī)械手到已經(jīng)輸送到地面輸送機(jī)上的托盤中抓取軸鋼，搬運(yùn)到指定棒料加工中心的上料位置，完成棒料加工中心的供料。

（2）關(guān)鍵技術(shù)

在機(jī)械手位置安裝視覺傳感器，通過圖像識(shí)別確定被抓取軸鋼的位置信息及角度信息，輔助機(jī)械手完成抓取作業(yè)和落料作業(yè)。參見圖8。

（3）機(jī)械手作業(yè)能力

機(jī)械手從6套地面輸送機(jī)上的托盤中為9套棒料加工中心供料，平均單次作業(yè)時(shí)間90s，完成9套棒料加工中心供料（單次）總時(shí)間小于15min。參見圖9。

5.棒料加工中心

軸鋼的加工設(shè)備為均有車、銑功能的棒料加工中心，采用步進(jìn)式上料機(jī)構(gòu)。在上料機(jī)構(gòu)有空位時(shí)，由機(jī)械手抓取目標(biāo)軸鋼放到上料機(jī)構(gòu)的空位處，完成補(bǔ)料工作。參見圖10。

棒料加工中心在加工直徑22mm的軸鋼時(shí)，平均20min消耗1根3m的軸鋼。

三、WMS/WCS功能及主要模塊

本項(xiàng)目中WMS/WCS系統(tǒng)由沈飛公司提供，在常規(guī)物料管理、設(shè)備監(jiān)控調(diào)度管理的基礎(chǔ)上，WCS模塊增加了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)信息處理功能，接收ERP、MES的指令并反饋處理后的相關(guān)生產(chǎn)作業(yè)信息，實(shí)現(xiàn)WMS/WCS、MES及ERP系統(tǒng)之間的信息互通，提高系統(tǒng)的信息自動(dòng)處理能力。

（1）WCS構(gòu)成與功能

WCS主要由物料管理、設(shè)備作業(yè)調(diào)度、系統(tǒng)監(jiān)控、運(yùn)行仿真、信息看板、客戶端人機(jī)交互系統(tǒng)、設(shè)備診斷與告警故障信息管理、日志管理、權(quán)限管理、接口服務(wù)、保養(yǎng)維護(hù)等部分組成，主要負(fù)責(zé)立體庫、出入庫RGV、地面輸送機(jī)、桁架機(jī)械手的任務(wù)分配、調(diào)度、監(jiān)控、運(yùn)行維護(hù)、信息看板以及與ERP、MES等系統(tǒng)接口。WCS系統(tǒng)采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)、基于深度學(xué)習(xí)的人工智能調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)的最優(yōu)分配、信息及時(shí)準(zhǔn)確反饋，讓機(jī)械手、加工中心、立體庫、ERP等系統(tǒng)和操作員協(xié)調(diào)工作、互相合作、發(fā)揮最大效能。

WCS系統(tǒng)同期實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄項(xiàng)目中立體庫、RGV、輸送及搬運(yùn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)設(shè)備的歷史情況和當(dāng)前狀態(tài)分析評(píng)估設(shè)備的工作負(fù)荷情況、健康情況等，并記錄分析、匯總設(shè)備的告警信息、故障信息，及時(shí)將信息推送給運(yùn)維人員，由其給出相應(yīng)的檢查和處理建議，供運(yùn)維人員及時(shí)掌握具體項(xiàng)目的告警、故障信息、維護(hù)保養(yǎng)信息，保障系統(tǒng)健康可靠運(yùn)行。

WCS控制的信息看板、現(xiàn)場(chǎng)操作終端和計(jì)算機(jī)管理控制終端，可根據(jù)各工位、人員的工作要求自由訂閱所需的系統(tǒng)信息和操作界面，供操作人員及時(shí)準(zhǔn)確了解系統(tǒng)工況和快捷有效地管控系統(tǒng)。

（2）作業(yè)調(diào)度

WCS系統(tǒng)根據(jù)ERP、MES的工作計(jì)劃、設(shè)備工況、加工中心用料需求計(jì)劃、立體庫物料取送任務(wù)等信息，基于深度學(xué)習(xí)的人工智能調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)合理分配，確保搬運(yùn)路徑優(yōu)化、工位負(fù)載均衡、各工位有序高效地協(xié)同工作。

主要物流作業(yè)流程如下：

①立體庫物料入庫：由正面出入庫口入庫。

空托盤出庫→材料裝入托盤→信息（規(guī)格、品種、數(shù)量等）錄入→重量、尺寸檢測(cè)→分配貨位→入庫。

②立體庫物料出庫：可由正面出入庫口或側(cè)面出口出庫。

WCS系統(tǒng)操作計(jì)算機(jī)選定出庫材料，選擇出庫貨位，確定出庫口→設(shè)備運(yùn)行將托盤送到相應(yīng)出庫口→RGV輸送托盤到達(dá)取料位置→余料或空托盤回庫。

③軸鋼揀選送料

棒料加工中心物料狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到缺料→機(jī)械手到達(dá)托盤上方→經(jīng)相關(guān)檢測(cè)、識(shí)別通過→抓手抓取目標(biāo)軸鋼，抓手回位→X軸運(yùn)行到棒料加工中心接料臺(tái)上方，檢測(cè)→抓手下降，軸鋼到空位后被釋放，抓手回

位→機(jī)械手回托盤上方待命。

（3）系統(tǒng)監(jiān)控

WCS系統(tǒng)與設(shè)備系統(tǒng)和各工位設(shè)備進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)采集各設(shè)備和工位終端信息并提供相應(yīng)的反饋，按照作業(yè)計(jì)劃、工位呼叫信息等控制機(jī)器人在各工位、托盤之間揀選、搬運(yùn)、碼放鋼軸，根據(jù)料架內(nèi)鋼軸碼放存儲(chǔ)情況實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)上下料。

（4）運(yùn)行仿真

采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制動(dòng)畫仿真技術(shù)，在控制終端上實(shí)時(shí)顯示工作現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人、工位等仿真動(dòng)畫場(chǎng)景，直觀準(zhǔn)確地掌握動(dòng)態(tài)和關(guān)鍵信息。并可在運(yùn)行仿真界面中按需提取機(jī)器人、工位終端等設(shè)備、傳感器、信息采集點(diǎn)的詳細(xì)動(dòng)態(tài)信息，以及人工操作各個(gè)控制點(diǎn)。

（5）信息看板

采用BI技術(shù)，利用多種表格、圖示、文字組合配置，將WMS/WCS系統(tǒng)的作業(yè)信息、設(shè)備狀態(tài)、告警故障、工位呼叫等信息進(jìn)行定制布局，并實(shí)時(shí)推送到各工位看板?，F(xiàn)場(chǎng)加工中心看板主要顯示加工中心工位所需的取送料任務(wù)情況、工位呼叫處理情況等；總控看板主要顯示現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備主要工作情況、總體任務(wù)調(diào)度隊(duì)列、各工位主要工況、工作進(jìn)度和運(yùn)行仿真等信息。

（6）客戶端人機(jī)交互系統(tǒng)

WCS系統(tǒng)運(yùn)行于現(xiàn)場(chǎng)操作電腦、工位終端，主要提供人機(jī)交互功能，用于操作員配置系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)置操作權(quán)限、瀏覽和管理系統(tǒng)信息、管理控制機(jī)器人及相關(guān)設(shè)備，完成對(duì)所有設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控、啟?？刂啤⑷蝿?wù)監(jiān)控管理、任務(wù)調(diào)度設(shè)定、告警故障人工控制處理等人機(jī)交互功能。

（7）設(shè)備診斷與告警故障信息管理

WCS系統(tǒng)記錄、分析和匯總?cè)吭O(shè)備、管理控制系統(tǒng)的告警故障信息，并向運(yùn)維人員指定終端發(fā)送通知信息，及時(shí)進(jìn)行檢查處理。還包含設(shè)備診斷界面，供運(yùn)維人員檢查和診斷各輸入輸出信號(hào)狀態(tài)。

（8）接口服務(wù)

按照ERP、MES的接口協(xié)議，WMS系統(tǒng)完成ERP、MES工作計(jì)劃、任務(wù)的接收、解析服務(wù)，將相關(guān)解析后的信息分別傳遞給任務(wù)調(diào)度、看板、客戶端系統(tǒng)、工位終端等子系統(tǒng)；并將各子系統(tǒng)的工作計(jì)劃、任務(wù)執(zhí)行情況、設(shè)備工況等按照ERP、MES的接口協(xié)議打包，回傳ERP和MES。

四、結(jié)束語

近年來，長大物料自動(dòng)化倉儲(chǔ)解決方案需求上升。沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)物流裝備有限公司自2008年以來，一致致力于長大物料立體存儲(chǔ)技術(shù)的研究，基于公司自身的行業(yè)（航空、航天）特點(diǎn)，自2010年以來陸續(xù)推出如直升機(jī)旋翼立體庫（貨位長度11m）、棒材立體庫（貨位長度6m以上，載荷5000kg）系列、板材立體庫（幅面3mx8m，5000kg）以及板材棒材單體庫等具有密集存儲(chǔ)特征的長大物料自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)解決方案，以彌補(bǔ)常規(guī)立體庫設(shè)備在存儲(chǔ)密度方面的不足，解決用戶長大物料立體倉儲(chǔ)難的問題。

在本項(xiàng)目中，棒材立體庫首次在軸鋼數(shù)字化車間項(xiàng)目中得到應(yīng)用，體現(xiàn)了國產(chǎn)倉儲(chǔ)物流技術(shù)近年來在國內(nèi)的快速發(fā)展，希望給各類長大物料的自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)解決方案與相關(guān)設(shè)備在國內(nèi)的推廣提供借鑒。