一种悬挂式硅钢卷料立体仓库设计

张智臻，杨永记，李彦虎，张华杰

（中节能西安启源机电装备有限公司，陕西 西安710018）

0 前言

目前，自动化立体仓库在国内外医药、烟草、食品饮料、汽车制造及物流等行业得到广泛应用[1-4]，但在国内外变压器铁心制造领域，由于硅钢卷料的特殊性及设备投资较大等原因应用厂家屈指可数[5]。国内第一座铁心硅钢卷料立体仓库于2002年底在保定变压器厂铁心车间投入使用，到目前为止，只有衡阳特变、山东电力等为数不多的主变厂家建成铁心硅钢卷料立体仓库，而国外对变压器铁心的立体仓库应用没有公开文献报道。目前建成的立体仓库，卷料都是采用卧式平放在托盘上。由于卷料卧式平放和铁心加工设备工作方向不一致，需要在出入库时将卷料90°翻转。该技术方案优点是，堆垛机和货架可以采用标准的横梁式货架及双层标准伸缩货叉，不需要特殊定制。但缺点是：1）卷料出入库需要进行90°翻转，如图1所示，影响出入库效率；2）卷料出入库及上料需要由人工操作，自动化程度低；3）由于是卧式平放在托盘上，对卷料端面不齐度有要求，容易对卷料造成损伤。

图1 卷料出库翻转后的结构图

随着变压器铁心自动智能制造技术的快速发展[6-8]，现有铁心卷料立体库技术方案已无法满足铁心智能制造的要求。迫切需要研制出能和铁心加工设备形成先进物流的自动化铁心硅钢卷料立体仓库，本文提出一种悬挂式硅钢卷料立体仓库，可实现硅钢卷料自动存储、出库、上料及管理等功能，满足了变压器企业铁心智能制造的要求。

1 悬挂式立体仓库的设计

根据铁心加工工艺研究[6-8]及客户技术交流后，硅钢卷料确定采用悬挂立式存放方式，如图2所示，悬挂式硅钢卷料立体仓库由立柱货架、旋转货叉式堆垛机、旋转接（上）料臂装置、上料平台、称重装置、电控系统、仓储管理系统（WMS）、LED显示系统及安全护栏等组成。

图2 悬挂式储料结构图

1.1 确定硅钢卷料的尺寸和库位重量

针对客户主要是生产配电变压器，按照客户提供的硅钢片卷料最大物料标准（SCB10-3150/10，11020），确定单卷卷料尺寸为Φ1 100×300 mm。单个库位最大承重：1 500 kg。

1.2 悬臂式挂梁货架结构设计

采用立柱与悬臂式挂梁形式，主体货架由55根立柱组成，每根立柱设有四个悬挂梁，形成一个悬挂式承载的立体货架。在货架立柱的底端设有与立柱垂直安放并平行于地面的底梁，底梁方向与堆垛机轨道垂直，与悬挂梁构成若干个C型，以提高货架立柱承载受力后的稳定性的。

其中悬臂挂梁由钢板焊接制成，其结构采用两个条型板对称中心平行立放，在立板的上方设有中间开口的圆柱弧板，柱面弧度与硅钢卷料内径一致，中间开口宽度尺寸略大于堆垛机抓取机构宽度，以便抓取机构入库做料卷置放时插入，在悬臂拖挂梁的另一端，设有与立柱连接的钢板，通过钢板和螺栓连接固定。

1.3 旋转式取料机构设计

采用悬挂式硅钢卷料技术最大难点是，立体库里面一排货架的卷料无法用标准的多级伸缩货叉取出。本文设计了旋转式抓取货叉机构，如图3所示。抛弃传统多级伸缩货叉，使用单级货叉即可实现两列货架的卷料叉取，并且能够自动与回转接（上）料臂装置无缝对接，如图4所示。

图3 旋转式抓取货叉机构图

图4 回转接（上）料臂图

用于出入库插取货物的抓取货叉机构安装在转盘上，回转支承分别和转盘及底座相连接。小齿轮和固定在底座的电机输出轴相连，小齿轮和回转支承啮合，电机驱动抓取货叉机构可实现180°旋转。抓取货叉机构的货叉通过电机带动底座位置的齿条实现货叉伸缩。

在抓取货叉机构上设有双螺杆伸缩机构的辅助支撑，该机构在货叉进入到被取的卷料内圈中后，辅助支撑7通过微型电机和微型减速器带动双螺杆做伸出运动，支撑在卷料内径表面上，使卷料平稳的置于抓取货叉上，避免运动时产生晃动。称重传感装置设在货叉抓取机构的端头上部，承重精度0.5%。当货物被货叉叉起时，卷料的重力将作用在称重传感器上，从而自动获取重量并录入数据库中。

1.4 确定货格尺寸和仓库总体尺寸

立体库由55个立柱组成，每根立柱设有4个悬臂挂梁，共计220个货位，每个货位最多挂3卷料。货架总高（含天轨）6 280 mm，货架全长76 000 mm，宽度3 500 mm，占地面积266 m2。

1.5 立体库出入库效率计算

由于出入库设备的效率远大于堆垛机的存取效率，故自动化立体仓库的出入库效率，由堆垛机而定。堆垛机效率统计见表1。

表1 立体库出入库效率统计表

因设计方案仓储整体的出入库效率集中在仓储搬运环节，所以堆垛机的出库效率直接可以体现。堆垛机存在单指令模式和复合指令模式，单指令体现的是堆垛机的最低搬运效率，复合指体现的是堆垛机最高搬运效率。从上表可以看出，设计方案8 h工作制下的80%仓储搬运效率为：最低294卷/天，最高345卷/天，可以满足客户最大产能275卷/天出入库的需求。

1.6 卷料出库及余料退库自动流程

横剪线接收MES（Manufacturing Execution System）生产指令后，操作者根据横剪指令使用的条料列表，选择条料后，发送上料请求到立体仓库。仓储管理系统（WMS，Warehouse Management System）会根据优先使用同型号、同规格的余料，其次考虑先进先出，同时考虑条料的出库路径与效率的关系后，自动选出最优方案。堆垛机将按MES指定的库址执行出库命令，根据指令，堆垛机上的抓取货叉机构将卷料抓取出后，将卷料自动上到回转接（上）料臂上，再由回转接（上）料臂自动上到横剪线开卷机放料轴上，同时把卷料出库记录上传到MES系统，如图5和图6所示。余料退库是按上述相反动作顺序执行，同时将余料退库记录及重量信息发往MES系统，流程图如图7所示。

图5 回转接料臂接料图

图6 回转接料臂上料图

图7 卷料出入库工艺流程图

1.7 确定立体仓库及设备的总体布局

针对客户铁心加工工艺流程，本文按照精益生产的最短距离、物料顺畅等原则进行布置规划，同时，根据客户生产产能，立体库按满足二条纵剪线和六条横剪线生产用料的需求设计，其中包含预留纵剪、横剪各一条线，为客户后期产能增加留有裕度，如图7所示。在每个设备上料位置都设置出料口及自动上下料装置，从而实现一套先进完整的自动物流系统。

图7 立体库整体布局

悬挂式硅钢卷料立体仓库较现有的卧式平放方式有如下优点：1）立式存放硅钢卷料的方向和铁心加工设备一致，出入库卷料不需要90°翻转，出入库效率高；2）卷料在贮存和转运均采用内圈定位，便于和铁心加工设备自动对接，自动化程度高；3）由于是悬挂立式存放，不会损伤材料，且适合窄边料的存放；4）空间利用率更高，相同面积下，比卧式平放贮存卷料数量多50%。

2 结束语

本文提出一种悬挂式硅钢卷料立体仓库，通过设计旋转抓取货叉机构和回转接（上）料臂装置，结合MES系统，实现卷料入库、出库及上料全过程的自动物流系统。

目前，该自动化立体库在某变压器企业，已安装调试完成并投入使用，设备运行状态良好，各项指标均能满足使用要求，解决了国内变压器行业纵剪分切后的硅钢片卷料存放、库存数据共享以及呆滞物料造成的资源浪费问题，对以后变压器铁心智能制造、智能仓储及物流运输的进一步研究具有较高的实际应用意义。