近年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入轉(zhuǎn)型升級(jí)的新階段，“工業(yè)4.0”加速發(fā)展，智能制造、柔性加工技術(shù)等理念在制造行業(yè)逐步推廣應(yīng)用，在諸多因素催化之下，智能倉(cāng)儲(chǔ)物流裝備的研發(fā)和應(yīng)用成為中國(guó)物流裝備行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。

智能倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)與生產(chǎn)線(xiàn)的融合，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程物料的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輸送，輔助完成較復(fù)雜的生產(chǎn)輸送和配方工藝，甚至成為生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在微電子和三代半導(dǎo)體智能制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了物料的智能緩存和高效精準(zhǔn)配送，開(kāi)辟了智能緩存技術(shù)的新模式，具有一定的應(yīng)用前景。

一、全自動(dòng)緩存庫(kù)的用途及發(fā)展現(xiàn)狀

全自動(dòng)緩存庫(kù)是一種新型的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備，主要用于存放生瓷片、盤(pán)料等薄片形狀類(lèi)物料，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)出入庫(kù)，而且能與共燒陶瓷（LTCC/HTCC）基板數(shù)字化車(chē)間進(jìn)行對(duì)接聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能制造。由于生瓷片需要存放在恒溫恒濕的環(huán)境下，該緩存庫(kù)還可以通過(guò)增加溫濕度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫濕度的恒定，適用于對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境具有溫濕度特殊要求的物料。

目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有應(yīng)用在智能制造生產(chǎn)線(xiàn)上針對(duì)生瓷片存放的設(shè)備，傳統(tǒng)的LTCC生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中生瓷片都是在恒溫恒濕柜中存放，無(wú)法實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上自動(dòng)化生產(chǎn)。中電二所設(shè)計(jì)的生瓷片緩存庫(kù)能夠與智能制造線(xiàn)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)物料在線(xiàn)上自動(dòng)出入和存放，該設(shè)備還能有效控制物料存儲(chǔ)環(huán)境，滿(mǎn)足生瓷片對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境的需求。

二、全自動(dòng)緩存庫(kù)的工作原理及結(jié)構(gòu)

1.全自動(dòng)緩存庫(kù)的工作原理

全自動(dòng)緩存庫(kù)以特定的托盤(pán)為存儲(chǔ)單元，采用伺服控制技術(shù)，由上下兩個(gè)行走伺服電機(jī)通過(guò)同步驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)行走機(jī)構(gòu)做水平運(yùn)動(dòng)，由提升伺服電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)貨叉機(jī)構(gòu)做垂直升降運(yùn)動(dòng)，由貨叉機(jī)構(gòu)上的伸縮伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)貨叉做掛取運(yùn)動(dòng)。通過(guò)上述三維運(yùn)動(dòng)可將指定貨位的貨物取出或?qū)⒇浳锼腿胫付ㄘ浳?。入貨時(shí)，則由入貨機(jī)構(gòu)的輸送伺服電機(jī)和氣缸定位組件共同將料盤(pán)送到入貨口指定位置，再由貨叉機(jī)構(gòu)取走；取貨時(shí)，則由貨叉機(jī)構(gòu)將指定料盤(pán)送到出貨口，再由出貨機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)將料盤(pán)輸送到下個(gè)工序。所有伺服電機(jī)采用絕對(duì)值編碼器定位，采用總線(xiàn)控制方式，控制系統(tǒng)還配備條碼識(shí)別系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)工控機(jī)與LTCC基板智能生產(chǎn)線(xiàn)的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)由整個(gè)智能生產(chǎn)線(xiàn)的MES系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)對(duì)全自動(dòng)緩存庫(kù)的控制管理和狀態(tài)監(jiān)控。

2.全自動(dòng)緩存庫(kù)的結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)緩存庫(kù)的外形是一個(gè)長(zhǎng)方體，結(jié)構(gòu)由骨架、底座、行走機(jī)構(gòu)、貨叉機(jī)構(gòu)、入貨機(jī)構(gòu)、出貨機(jī)構(gòu)、面板、貨架、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。（1）骨架：所有立柱、橫梁均采用鋁合金型材，受力穩(wěn)定、均勻，確保滿(mǎn)足承載的情況下盡可能使整個(gè)設(shè)備的重量輕量化。

（2）行走機(jī)構(gòu)：行走機(jī)構(gòu)由上下2個(gè)水平運(yùn)動(dòng)模組和1個(gè)垂直運(yùn)動(dòng)模組組成，上下2個(gè)模組由2個(gè)伺服電機(jī)采用同步方式驅(qū)動(dòng)。

（3）貨叉機(jī)構(gòu)：貨叉機(jī)構(gòu)是全自動(dòng)緩存庫(kù)的關(guān)鍵部件，該機(jī)構(gòu)由取貨板、滑軌、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、伸縮電機(jī)等部分組成。貨叉往同側(cè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，只需伸縮電機(jī)動(dòng)作；而貨叉往相反側(cè)（180°方向）運(yùn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)取貨板轉(zhuǎn)動(dòng)180°，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)動(dòng)作的同時(shí)，伸縮電機(jī)也進(jìn)行動(dòng)作。

（4）入貨、出貨機(jī)構(gòu)：進(jìn)出貨口由皮帶傳送部件和物料定位部件組成，物料入庫(kù)時(shí)，由傳輸線(xiàn)送過(guò)來(lái)的物料通過(guò)進(jìn)出貨口的皮帶傳送到緩存庫(kù)入口，然后通過(guò)氣缸定位裝置將物料定位后，再通過(guò)行走機(jī)構(gòu)將物料存放到某個(gè)貨位；物料出庫(kù)時(shí)，由行走機(jī)構(gòu)從某個(gè)貨位將物料送到出貨口，通過(guò)皮帶傳送部件將物料送入傳輸線(xiàn)。

（5）貨架：貨架骨架均采用鋁型材，在確保貨架強(qiáng)度和承載的同時(shí)，既能滿(mǎn)足安裝精度要求，又能達(dá)到減輕設(shè)備重量的目的。貨架采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)貨架分成三個(gè)模塊：左框架模塊、右框架模塊和標(biāo)準(zhǔn)框架模塊，如果想擴(kuò)大存儲(chǔ)容量，只需要在左、右模塊中間加入標(biāo)準(zhǔn)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。

（6）電氣控制系統(tǒng)：全自動(dòng)緩存庫(kù)電氣控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、IO模塊、通訊模塊、人機(jī)界面（工控機(jī)）、傳感器、條碼識(shí)別系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等部分組成。

三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

全自動(dòng)緩存庫(kù)控制系統(tǒng)以工控機(jī)為控制中心，主要由運(yùn)動(dòng)控制、氣動(dòng)控制、條碼識(shí)別、監(jiān)控系統(tǒng)和存儲(chǔ)管理軟件系統(tǒng)等組成。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)部件的高速精確定位；氣動(dòng)控制通過(guò)控制真空電磁閥的動(dòng)作完成料盤(pán)的就位準(zhǔn)備；條碼識(shí)別則是采集物料的基本信息；監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示和記錄全自動(dòng)緩存庫(kù)內(nèi)部動(dòng)作情況，并具有回放功能；存儲(chǔ)管理軟件系統(tǒng)與智能生產(chǎn)線(xiàn)的MES系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)對(duì)接，使全自動(dòng)緩存庫(kù)能夠?qū)ξ锪线M(jìn)行自動(dòng)化存取管理，達(dá)到全自動(dòng)的控制效果。為達(dá)到全自動(dòng)存儲(chǔ)、智能存儲(chǔ)的功能，運(yùn)動(dòng)控制、條碼識(shí)別、存儲(chǔ)管理軟件設(shè)計(jì)為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

1.控制系統(tǒng)的硬件及網(wǎng)絡(luò)組成

（1）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)部分：安川PLC+通訊模塊+IO模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)+絕對(duì)值編碼器+傳感器信號(hào)反饋校驗(yàn)，運(yùn)動(dòng)控制采用總線(xiàn)控制技術(shù)，PLC與IO模塊及各伺服驅(qū)動(dòng)采用MECHATROLINK方式進(jìn)行通訊。為確保全自動(dòng)緩存庫(kù)高速高效存儲(chǔ)和精確定位，行走機(jī)構(gòu)采用上下2臺(tái)伺服電機(jī)同步差補(bǔ)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，水平運(yùn)行速度可達(dá)1.5m/s。

（2）條碼識(shí)別部分：二維條碼識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，以Ethernet方式與工控機(jī)進(jìn)行通訊。

（3）工控機(jī)存儲(chǔ)管理軟件部分：工控機(jī)由工控機(jī)（人機(jī)界面）與PLC通過(guò)Ethernet方式進(jìn)行通訊，工控機(jī)（人機(jī)界面）與條碼系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程服務(wù)器均采用Ethernet方式進(jìn)行通訊。

2.存儲(chǔ)管理軟件設(shè)計(jì)

對(duì)設(shè)備存儲(chǔ)管理軟件采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，以數(shù)據(jù)庫(kù)SQL SERVER2008作為平臺(tái)，可方便嵌入企業(yè)ERP系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的管理。中電二所共燒陶瓷（LTCC/HTCC）基板數(shù)字化車(chē)間的全自動(dòng)緩存庫(kù)主要與SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，入庫(kù)時(shí)，全自動(dòng)緩存庫(kù)接收到上游設(shè)備來(lái)料，完成入庫(kù)或設(shè)備狀態(tài)改變時(shí)，調(diào)用SCADA服務(wù)接口，向SCADA系統(tǒng)上報(bào)入庫(kù)物料信息和設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)；出庫(kù)時(shí)，SCADA系統(tǒng)根據(jù)緩存庫(kù)下游設(shè)備物料需求下達(dá)出庫(kù)任務(wù)指令，調(diào)用全自動(dòng)緩存庫(kù)WEBAPI服務(wù)接口，全自動(dòng)緩存庫(kù)將相關(guān)數(shù)據(jù)信息寫(xiě)入，并執(zhí)行物料出庫(kù)任務(wù)。

在全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)傳輸線(xiàn)有物料過(guò)來(lái)時(shí)，存儲(chǔ)管理系統(tǒng)通過(guò)條碼系統(tǒng)讀取物料上的二維碼，獲取該物料生產(chǎn)批號(hào)、時(shí)間等基本信息，并在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算出合理的存放位置，然后控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)將物料存儲(chǔ)在緩存庫(kù)內(nèi)部，同時(shí)將該物料的基本信息與存儲(chǔ)位置記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。取料時(shí)，生產(chǎn)線(xiàn)的服務(wù)器下達(dá)出料指令，將要出庫(kù)的物料基本信息發(fā)送到存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，緩存庫(kù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)資料，找到該物料的存取位置，控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將該物料自動(dòng)取出，并通過(guò)出貨機(jī)構(gòu)輸送至下個(gè)工藝，在輸送的同時(shí)，出貨口條碼系統(tǒng)讀取物料信息，通過(guò)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)記錄出庫(kù)信息，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。全自動(dòng)緩存庫(kù)自動(dòng)操作軟件界面。全自動(dòng)緩存庫(kù)入庫(kù)流程。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)庫(kù)存管理系統(tǒng)和整線(xiàn)SCADA控制系統(tǒng)，全面覆蓋緩存庫(kù)及各設(shè)備的工單、生產(chǎn)、報(bào)警及質(zhì)量管控等相關(guān)信息，可根據(jù)需要定制化選擇模塊，對(duì)產(chǎn)線(xiàn)整體的運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備在線(xiàn)的調(diào)度和控制，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化全自動(dòng)出入庫(kù)操作和信息化管理，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也節(jié)約了人員成本，減少了人為因素而出現(xiàn)的各種狀況，提高了生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)于存儲(chǔ)環(huán)境要求更高的生瓷片基板，全自動(dòng)緩存庫(kù)可通過(guò)充氮?dú)夂图友b潔凈房空調(diào)方式，使緩存庫(kù)內(nèi)部環(huán)境濕度控制在±1%，溫度控制在±1℃，對(duì)緩存庫(kù)內(nèi)部的生瓷片基板進(jìn)行恒溫恒濕存儲(chǔ)，滿(mǎn)足產(chǎn)線(xiàn)特殊工藝要求。

就目前情況來(lái)看，智能生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)際使用情況來(lái)看，應(yīng)用效果很好，實(shí)現(xiàn)了生瓷片的自動(dòng)化存儲(chǔ)和信息化管理。從目前市場(chǎng)的需求信息分析，全自動(dòng)緩存庫(kù)同樣適用于其他智能生產(chǎn)線(xiàn)和物流配送線(xiàn)，如太陽(yáng)能行業(yè)、電子行業(yè)等。當(dāng)然，針對(duì)不同用戶(hù)，全自動(dòng)緩存庫(kù)仍有需要改進(jìn)和完善的地方，如與機(jī)器人和AGV智能搬運(yùn)車(chē)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同物品的揀選和存放。

總之，隨著智能制造技術(shù)革新，自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)正向著全自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，而全自動(dòng)緩存庫(kù)也將逐漸在各行各業(yè)得到普及應(yīng)用。