沈飞：轴钢棒材立体库及三坐标机器人拣选系统

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（主持人/记者：江红）。

文字：沈阳飞机工业集团物流设备有限公司 王忠军

作为电机主轴的原材料，轴钢一般按长度3m或6m供应，直径从几毫米到几百毫米不等，主流厂家的轴钢加工车间年消耗量在1000吨以上，规格有几十种。本文以某企业轴钢加工数字化车间建设项目为例，介绍了神飞公司规划实施的轴钢筋立体仓库和三坐标机器人拣选系统在企业数字化制造车间中的应用。

在制造企业中，存储方法、输送和搬运设备以及生产管理的形式不同于标准托盘上装载的常规物料。棒材作为一种常见的长材，应用广泛。棒材立体仓库系统由顶轨杆立体仓库、进库出料RGV、地面输送机和三坐标机械手组成。其中，顶轨棒立体仓库是长物料动态立体存储解决方案中的核心产品之一，由于其占地面积小、位置多、存储容量大、自动入库等特点，在棒材加工车间有效节省了占地面积，提高了物料拣选的可用设备效率。

近年来，随着智能制造技术的应用，数字化车间建设项目数量大幅增加。围绕原料立体仓库布局的仓加工一体化生产布局生产模式也进入应用阶段，长物料线边立体仓储系统建设需求逐年增加。

2021年，沈阳飞机工业集团物流设备有限公司（以下简称“神飞公司”）在某电机制造企业轴钢数字化车间的物流系统规划中，利用顶轨杆立体仓库和三坐标机器人拣选系统，实现了轴钢在仓储、装卸、生产等作业中的无缝集成。该项目是棒材立体仓库（仓储）、搬运输送拣选（物流）设备与机床加工（生产设备）的典型集成应用，对此类生产企业数字化车间建设具有一定的示范意义。

1、轴钢数字化加工车间整体工艺布局

一、车间情况及基本需求

这

轴钢加工车间面积的楼面宽度和长度为16m，长度为48m，车间高度为10.5m。车间规划9套棒材加工中心，主要加工直径小于100mm的光学圆轴钢。轴钢SKU数量不超过30个，轴钢的存储能力不超过500吨。货舱尺寸为3200毫米x530毫米x350mm，载重为3000kg。

用户需求：以信息化、自动化为驱动，打造具有行业影响力的智能轴钢数字化车间。

二、车间整体工艺布局

根据用户的基本需求和

生产特点，经过充分调研，神飞公司确定，顶轨棒材立体库为线边缓冲器，RGV和三坐标机械手为9套棒材加工中心自动送料的主要物料搬运设备，WMS/WCS采用ERP、MES和棒材加工中心PLC等系统开发，实现用户数字化车间的施工需求。车间整体布局如图1所示。

车间主要设备包括：（1）仓储RGV，1套;（2）顶轨杆立体仓库，1套;（3）出境RGV，1套;（4）地面输送机，6台;（5）三坐标机械手，1台;（6）棒材加工中心，9套，图1A为棒材加工中心的进料台位置。

二、系统设备的功能及主要操作流程

1. 入站 RGV

本项目配备1个储能RGV，用于竖井钢的储能，储能口位置如图2所示。

（1）仓储RGV的主要技术参数

载荷：3500kg;

运行速度：12m/min;

尺寸检查：是;

重量检测：是的。

（2）涉及的主要操作流程是轴钢仓储流程，具体如下：

这

轴钢卸→检查（外观、数量等） →系统分配位置，托盘就位，仓储RGV出库→人工协助将车桥钢放入托盘，系统称重，手动确认车桥钢的相关信息→并将托盘与仓储RGV一起送回入库位置。

2.顶部轨道栏三维库

顶轨杆立体仓库是一种专用的、非常规的自动化立体仓库，采用焊接货架、桥式堆垛机，适用于在有限场地内对棒材等细长物料进行高密度立体存储，是节省原料占地面积，省去人工配料环节，提高棒材、型材加工现场生产效率的有效仓储设备之一。在特定的应用环境中，与其他类型的仓储设备相比，顶轨杆立体仓库在空间利用率、仓储作业效率、整体设备投入成本以及与生产设备的对接等方面具有无可比拟的优势。

在这个项目中，

立体仓库面积占地8mx16m，托盘尺寸规格为3336mmmm长x 736mmx高395mm（外尺寸），载重3000kg，项目有166个有效货位，顶轨堆垛机1台，共2套RGV进出仓库，托盘进出仓库平均效率为每分钟20个托盘。顶轨杆立体仓库主要操作流程如下：

（1）根据WMS/WVCS指令，堆垛机与仓储RGV对接，执行托盘仓储作业;

（2）根据WMS/WVCS指令，堆垛机与出库RGV对接，进行托盘入库作业和托盘退货作业。

3. 带地面输送机的出站RGV

根据WCS指令，出库RGV负责从立体仓库接收托盘，将托盘运送到指定位置的地面输送机，或从地面输送机接收托盘。

指定位置并将它们送回立体仓库，地面输送机在那里配备了称重系统。请参阅图 7。

4.三坐标桁架机械手

本项目选用三坐标桁架机械手，根据需要在Z轴末端增加旋转轴A轴，其中X轴总长31m，Y轴总长13.6m，Z轴有效行程3.8m，A轴下方安装电磁吊具， 额定吸附钢棒容量大于100kgf。

（1）主要物流业务

根据WCS指令，机械手从已输送到地面输送机的托盘中抓取轴钢，并将其输送到指定棒材加工中心的装载位置，完成棒材加工中心的供应。

（2）关键技术

视觉传感器安装在机械手的位置，并且

通过图像识别确定夹持轴钢的位置信息和角度信息，辅助机械手完成抓取操作和落料操作。请参阅图 8。

（3）机械手操作能力

这

机械手在6台地面输送机上从托盘上送料9套棒材加工中心，平均单次作业时间为90s，完成9套棒材加工中心送料（单次）的总时间不到15min。请参阅图 9。

5.棒材加工中心

轴钢的加工设备是具有车铣功能的棒材加工中心，采用分步进料机构。当送料机构出现空位时，机械手抓取目标轴钢，置于送料机构的空位，完成送料工作。请参阅图 10。

在加工直径为 22 mm 的轴钢时，棒材加工中心平均在 20 分钟内消耗一根 3 m 的轴钢。

3. WMS/WCS功能及主要模块本项目WMS/WCS

系统由申飞公司提供，在常规物料管理和设备监控调度管理的基础上，WCS模块增加了现场生产作业信息处理功能，接收ERP、MES指令并反馈处理后的相关生产作业信息，实现WMS/WCS之间的信息交换， MES和ERP系统，提高了系统的自动化信息处理能力。

（1）WCS的组成和功能

WCS主要由物料管理、设备运行调度、系统监控、运行模拟、信息化组成看

板、客户端人机交互系统、设备诊断与报警故障信息管理、日志管理、权限管理、接口服务、维护等部分，主要负责任务分配、调度、监控、运维、信息看板及与ERP、MES等系统的接口，如立体仓库、仓储RGV、地面输送机、桁架机械手等。WCS系统采用工业现场实时数据采集分析技术，基于深度学习的人工智能调度算法，实现工作任务的优化分配和信息的及时准确反馈，使机械手、加工中心、立体仓库、ERP等系统和操作人员协同工作，相互配合，实现效率最大化。

WCS系统同时实时监控和记录项目内三维库、RGV、输送、搬运设备的运行状态，根据设备的历史和当前状态，对设备的工作量和健康状况进行分析和评估，对设备的报警信息和故障信息进行记录、分析和汇总， 并将信息推送给运维人员

及时，世卫组织会给出相应的检查和处理建议，使运维人员及时掌握具体项目的报警、故障信息和维修信息，确保系统健康可靠运行。

WCS控制信息看板、现场操作终端和计算机管理控制终端，根据各工位的工作要求，人员可以自由订阅所需的系统信息和操作界面，为操作人员及时准确地了解系统工况并快速有效地控制系统。

（2）作业调度

WCS系统根据加工中心的工作计划、设备工况、物料需求计划、立体仓库的物料提送任务等，基于深度学习的人工智能调度算法，实现作业任务的合理分配，保证搬运路径的优化、工位的负载均衡、 以及各站的有序高效协调。

主要物流操作流程如下：

（1）立体仓库物料仓储：从前进出口岸入库。

空托盘装入托盘→物料装入托盘→输入信息（规格、品种、数量等→），检测重量和尺寸→并将货物分配到仓库→入库。

（2）立体仓库出料：可从前出入口或侧出料口出库。

WCS系统操作计算机选择出料，选择出料位置，确定出库口→设备运行将托盘送到相应的出库口→RGV将托盘输送到取料位置→剩余的物料或空托盘返回仓库。

（3）轴钢拾取和送料

棒材材料状态检测系统

加工中心检测缺料→机械手到达托盘上方→通过相关检测识别通过→夹持器抓取目标轴钢，夹具返回→X轴运行至棒材加工中心收料台顶部，夹持器通过检测→降低， 空位后释放轴钢，夹持器返回

→机械手返回托盘顶部并待命。

（3）系统监控

WCS系统与各站的设备系统和设备进行通信，收集各站的终端信息设备和工位

实时并提供相应的反馈，控制机器人根据作业计划和工位呼叫信息对各工位和托盘之间的钢轴进行拣选、搬运、堆垛，根据钢轴在料架上的堆垛和存储情况，实现精准上下料。

（4） 运行模拟采用工业现场控制动画仿真技术，在

控制终端上实时展示作业现场机器人、工位等仿真动画场景，直观准确地掌握动态和关键信息。并在运行仿真界面中，可根据需要提取机器人、工位终端等设备的详细动态信息、传感器、信息采集点，以及各控制点进行人工操作。

（5）信息看板

采用BI技术，利用多种表格、图表、文字组合配置，将WMS/WCS系统的运行信息、设备状态、报警故障、站址呼叫等信息自定义，实时推送到各站看板。现场加工中心看板主要展示加工中心工位所需的上料送料任务、工位呼叫处理情况等;总控仪表盘主要展示现场各设备的主要工况、整体任务调度队列、各工位主要工况、工作进度及运行模拟等信息。

（6）客户端人机交互系统

WCS系统运行在现场操作计算机和工站终端上，主要提供人机交互功能，供操作人员用于配置系统参数、设置操作权限、浏览和管理系统信息、管理和控制机器人及相关设备，完成运行监控、启停控制、任务监控管理等人机交互功能， 所有设备的任务调度设置、报警故障手动控制和处理。

（7）设备诊断及报警故障信息管理

WCS系统对所有设备和管理控制系统的报警和故障信息进行记录、分析、汇总，并将通知信息发送到运维人员指定的终端，以便及时检查和处理。它还包括一个设备诊断接口，供运维人员检查和诊断每个输入和输出信号的状态。

（8） 接口服务

根据ERP和MES的接口协议，

WMS系统完成ERP和MES工作计划、任务接收、分析服务，并将分析后的相关信息传送到任务调度、看板、客户端系统、站终端等子系统。并按照ERP和MES的接口协议对各子系统的工作计划、任务执行、设备工况进行打包，并将ERP和MES回传。

四、结束语

近年来，对长物料自动化仓储解决方案的需求不断增加。自2008年以来，沈阳飞机工业集团物流设备有限公司一直致力于长物料立体存储技术的研究，立足于公司自身行业（航空、航天）的特点，自2010年起，先后推出了直升机旋翼立体仓库（货舱长度11m）、棒状立体仓库（货舱长度超过6m、 载荷5000kg）系列板材立体仓库（格式3MX8M，5000KG）及板棒单体仓库等具有密集存储特性的大物料自动化立体存储解决方案，以弥补常规立体存储设备在存储密度方面的不足，为用户解决大物料立体存储难的问题。

在这个项目中，酒吧是三维的

仓库首次应用于竖井钢数字化车间项目，体现了近年来国内仓储物流技术的快速发展，希望为我国各类长材自动化立体仓储解决方案及相关设备的推广提供参考。

结束

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