成功案例
光學(xué)元件智能存儲庫的設(shè)計與應(yīng)用
：本文針對光學(xué)晶體設(shè)計了一款智能存儲庫，可與AGV精準對接，實現(xiàn)光學(xué)晶體的全自動化出入庫，并在設(shè)備潔凈度、安全性、密封性方面做了詳細設(shè)計，保障存儲的潔凈度、安全性和密封性。該設(shè)備主體框架采用鋁型材搭建而成，外部由噴塑鈑金包圍，非常大程度上減輕了設(shè)備的重量，提高了設(shè)備的美觀性。設(shè)備是采用總線控制、伺服驅(qū)動，存取速度快，定位精度高。
隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的不斷深化，全球制造業(yè)正在向著自動化、集成化、智能化方向發(fā)展。智能倉儲在自動化、智能化方面扮演著重要角色，而針對光學(xué)元件的智能存儲庫就是一種新型的智能倉儲設(shè)備。
光學(xué)元件智能存儲庫作為一種新型的智能倉儲設(shè)備，可與轉(zhuǎn)運AGV精準對接，實現(xiàn)光學(xué)晶體的自動出入庫，存取效率高、定位精度高、潔凈度高、密封性好、安全可靠，可大范圍的應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子等行業(yè)。外觀示意圖，如圖1所示。由于光學(xué)晶體對溫濕度比較敏感，需要存放在恒溫恒濕的環(huán)境下，該設(shè)備通過增加溫濕度控制管理系統(tǒng)實現(xiàn)存儲庫內(nèi)部環(huán)境溫濕度的恒定，適用于對存儲環(huán)境具有溫濕度要求的物料。此外，該設(shè)備可與企業(yè)ERP系統(tǒng)對接，為實現(xiàn)智能工廠邁出了關(guān)鍵的一步。
本文針對光學(xué)晶體設(shè)計了一款智能存儲庫，該設(shè)備具備了先進的智能化功能，使用先進成熟的操作系統(tǒng)和性能優(yōu)良的伺服電機、減速機、控制器，具有高精度、高可靠性和高響應(yīng)速度等優(yōu)勢，能做到軟起軟停，減少沖擊。整機為全封閉系統(tǒng)，具有防塵、防盜等功能。該設(shè)備最重要的包含存儲框架、外面板、提取車機構(gòu)、提升電機組件、頂梁帶輪箱、底部帶輪箱、出貨口、電控箱、工控機、電氣控制管理系統(tǒng)、軟件管理系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。與以往將電控箱放置于存儲庫外部的傳統(tǒng)智能倉儲設(shè)備不一樣，該存儲庫的電控箱位于存儲庫內(nèi)部，可節(jié)省存儲庫的占地空間，有效提高空間利用率。
該存儲庫的提取車機構(gòu)位于存儲庫中間，其兩側(cè)為由型材搭建而成的存儲框架，分布有280個存儲貨位，運動機構(gòu)可實現(xiàn)X向（水平前后）、Y向（水平左右）、Z向（豎直上下）三個方向運動。X向通過貨叉的齒輪齒條進行傳動，Y向、Z向通過同步帶進行傳動。三個方向均采用安川SGM7J型伺服驅(qū)動，貨叉定位精度為±1mm。提升電機采用絕對值編碼器，能夠記住提取車的絕對位置，當意外斷電時，重新上電后不需進行復(fù)位操作，可直接行走至目標位置，控制簡單準確。提升電機組件為底部帶輪箱提供動力，提升同步帶固定端位于提取車機構(gòu)上，上下連接底部帶輪箱和頂梁帶輪箱，帶動提取車機構(gòu)實現(xiàn)Z方向的上下運動，提取車機構(gòu)上的貨叉可在Y向?qū)崿F(xiàn)水平運動以及在X向?qū)崿F(xiàn)伸縮運動。提升同步帶與提取車構(gòu)成四點懸掛機構(gòu)，且提升電機具有抱閘功能，二者配合使用，可保證當其中一根同步帶斷裂時不可能會發(fā)生提取車墜落現(xiàn)象，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。出貨口部分設(shè)有輸送機，用于傳輸光學(xué)晶體，可與貨叉及轉(zhuǎn)運AGV對接，對接精度為±10mm，可實現(xiàn)完全無人化操作。因此，該智能存儲庫設(shè)備可在倉儲管理系統(tǒng)WMS的控制下實現(xiàn)光學(xué)晶體的全自動出入庫動作。運動示意圖，如圖3所示。
由于光學(xué)元件智能存儲庫要求在ISO 7級潔凈環(huán)境下實現(xiàn)完全無人化操作，庫內(nèi)存儲的光學(xué)晶體價格昂貴，且需滿足溫度為23℃±1℃、濕度為≤20%Rh的存儲環(huán)境，因此對設(shè)備的潔凈度、安全性、密封性要求很高，以下就潔凈度設(shè)計、安全性設(shè)計以及密封性設(shè)計進行詳細說明。
根據(jù)潔凈環(huán)境結(jié)構(gòu)設(shè)計標準選擇材料，氮氧混合氣體傳輸管路管材使用BA管，框架選用潔凈度較高的鋁型材，外罩采用鈑金噴塑進行防銹，鏈條材質(zhì)采取不銹鋼，同步帶輪材質(zhì)采取高強度鋁合金，同步帶及導(dǎo)向輪材質(zhì)選用具有高耐磨性的聚氨酯，貨叉整體的結(jié)構(gòu)采用奧氏體不銹鋼制作，貨叉伸縮滾輪采取不銹鋼滾輪，設(shè)備潤滑采用氟素脂。
為了保證設(shè)備的潔凈度，對提取車機構(gòu)和出貨口輸送機等部位的電機、同步帶等關(guān)鍵部位設(shè)計了防護罩進行遮擋，防止運動過程中產(chǎn)生的磨屑運動至設(shè)備內(nèi)部，從而造成光學(xué)晶體污染。防護罩示意圖，如圖4所示。
由于光學(xué)晶體價格昂貴，需要保證晶體在輸送及存儲過程中的安全性和穩(wěn)定能力，避免發(fā)生晶體傾覆、掉落等現(xiàn)象從而造成損失。鑒于此，設(shè)計了以下安全措施。
（1）提取車機構(gòu)具有斷電保護功能：提升電機具備制動功能，意外斷電后，提取車可以停在斷電時的位置，重新開啟進入系統(tǒng)時，系統(tǒng)來進行自檢，提示有關(guān)信息，重新操作。
（3）三級保護防沖頂、防墩底裝置：設(shè)備設(shè)計軟件限位、行程開關(guān)及機械限位三級保護，確保設(shè)備及光學(xué)晶體安全。
（5）存儲庫總電路設(shè)計有電源缺相保護、電源相序保護、漏電保護，電機設(shè)有過載保護、伺服驅(qū)動自動報警保護。在電機過載時，伺服驅(qū)動將自動切斷驅(qū)動裝置的供電，并提示相應(yīng)的報警信息，當故障排除后，復(fù)位電機保護電路，設(shè)備可恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)。
（6）提取車各方向的運動采用伺服電機控制，精度為±1mm。此外，為了能夠更好的保證可靠性，在貨叉通過編碼器到達指定貨位后，會通過水平及豎直方向的標尺進行二次校驗，待校驗成功后，方可取放光學(xué)晶體，從而有很大成效避免了貨叉與貨架或光學(xué)晶體發(fā)生碰撞，極大地提高了設(shè)備存儲的安全性。
如圖5所示，貨叉的叉板上設(shè)計有聚氨酯材質(zhì)的前后限位條，可防止在提取過程中光學(xué)晶體因為摩擦力不夠而發(fā)生偏轉(zhuǎn)或者掉落。另外，還需要仔細考慮貨叉縮回后，提取車在Z方向上運動，以及貨叉在X及Y方向上運動時，晶體不可能會發(fā)生偏移。鑒于此，在提取車上設(shè)有兩個氣缸開合機構(gòu)，氣缸選用SMC的MGPM16-20Z型號，開合機構(gòu)與光學(xué)晶體的接觸面材料為聚氨酯，可增大摩擦力，且不會損壞光學(xué)晶體。每個氣缸通過兩個磁開關(guān)D-M9BL用來檢測氣缸伸縮是不是到位，從而確保動作準確。當貨叉伸出取光學(xué)晶體時，開合機構(gòu)打開；當貨叉縮回至原點時，傳感器檢驗測試到信號，開合機構(gòu)將光學(xué)晶體夾緊，保證貨叉在豎直及水平方向上運動時，光學(xué)晶體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生滑動及掉落。
如圖6所示，存儲框架支撐板上設(shè)有限位件，光學(xué)晶體放置于支撐板上時，四周均有限位件，可有很大效果預(yù)防光學(xué)晶體發(fā)生傾斜或掉落。
如圖7所示，出貨口輸送機上兩側(cè)設(shè)置限位擋邊，末端設(shè)置硬限位塊，防止光學(xué)晶體在傳輸過程中發(fā)生偏移、掉落。
光學(xué)元件智能存儲庫一定要通過充入氮氧混合氣體，進而達到溫度為23℃±1℃、濕度為≤20%Rh的光學(xué)晶體存儲環(huán)境，因此，設(shè)備的密封性至關(guān)重要。以下針對外面板、出貨口部位的密封設(shè)計進行詳細說明。
如圖8所示，外面板包圍在型材框架外側(cè)，整體采用噴塑鈑金之間擠壓密封條、關(guān)鍵部位涂抹潔凈室專用密封膠實現(xiàn)密封，保證了設(shè)備的美觀性和密封性。
出貨口作為設(shè)備內(nèi)部分離出來的一個獨立空間，設(shè)置內(nèi)置門和外置門共兩道門，分別利用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)開合動作，二者具有互鎖功能，保證不會同時開啟，由此減少氣體對流，最大限度防止氮氧混合氣體的泄漏。兩道門的工作原理類似，以下以內(nèi)置門為例進行詳細說明。內(nèi)置門采用電磁閥控制充氣式硅橡膠密封圈進行密封，內(nèi)置門由門主體和密封圈組成，密封圈嵌入到門主體內(nèi)，門框由6061鋁經(jīng)本色氧化而成。當內(nèi)置門需要關(guān)閉時，氣缸驅(qū)動內(nèi)置門運動至關(guān)門位置，隨后密封圈充氣頂起，與門框接觸形成密封腔體；當內(nèi)置門需要開啟時，密封圈放氣縮回，與門框分離，隨后氣缸驅(qū)動內(nèi)置門運動至開門位置。密封原理如圖9所示。
光學(xué)元件智能存儲庫的電氣控制管理系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、IO模塊、通訊模塊、人機界面（工控機）、條碼識別系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、除濕單元、氣動單元、傳感器、交換機等部分所組成（如圖10所示）?？刂乒芾硐到y(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有伺服控制、濕度控制和倉儲管理系統(tǒng)。
光學(xué)元件智能存儲庫采用總線控制技術(shù)進行運動控制，選用安川MP2300S作為運動控制器，該控制器與IO模塊及各伺服驅(qū)動采用 MECHATROLINK Ⅱ總線方式來進行通訊。運動控制器將伺服驅(qū)動器與交流伺服電機連接組成一個伺服電機系統(tǒng)，通過與上位機的組合控制，實現(xiàn)伺服電機的高速運行，來保證光學(xué)元件智能存儲庫的高定位精度、高效存儲。
在存儲庫外，通過單獨的球閥來控制供氣的通斷；在存儲庫內(nèi)，進氣電磁閥受濕度計監(jiān)測結(jié)果的控制，當濕度較高時，進氣電磁閥打開，將氮氧混合氣體通入，同時，排氣泵打開，將存儲庫內(nèi)的原有氣體排出，進氣和排氣有效配合，可在最短時間之內(nèi)將存儲庫中的濕度降到標準范圍內(nèi)；壓力開關(guān)用于監(jiān)測存儲庫中的氣壓，當氣壓超過設(shè)定值時，安全電磁閥打開，排出適量氣體，這樣既可確保安全性，又可提高存儲庫密封部位的使用壽命。
存儲庫濕度控制方式，如圖11所示。首先判斷當前環(huán)境的濕度狀態(tài)，如果超過設(shè)備規(guī)定濕度，則再次判斷是否為首次除濕，如果是首次除濕，則打開進氣閥和排氣閥。若不是首次除濕，則打開進氣閥、關(guān)閉排氣閥。直至設(shè)備濕度滿足濕度要求時，將進氣閥和排氣閥同時關(guān)閉。設(shè)備正常運行期間，其濕度始終處于被監(jiān)測狀態(tài)，一旦超出設(shè)定參數(shù)，則進氣閥打開，充入氮氧混合氣體，進而達到維持設(shè)備內(nèi)濕度的目的。
初始條件：存儲庫尺寸為4m×2.32m×5.97m，進氣口為頂部4個孔，孔徑為0.5英寸，出氣口為底部2個孔，孔徑為2英寸，存儲庫內(nèi)部的貨位均存有光學(xué)晶體，送回風(fēng)管路接口管徑為Φ150 mm。
仿線/h計算得出進氣口每個孔速度為136.8m/s，入口壓力設(shè)為500Pa，入口氣體濕度為0%RH，出口壓力設(shè)為0Pa，初始時室內(nèi)空氣中水分含量為45%Rh。第48s壁面云圖，如圖12所示。
對前48s的48組數(shù)據(jù)來進行線。根據(jù)擬合曲線，可得出從某一濕度降到另一濕度時所需的時間，例如：23℃下，光學(xué)元件智能存儲庫的相對濕度由45%Rh降到20%Rh（水的質(zhì)量分數(shù)由0.795%降到0.3533%）所需時間為332.23s。
根據(jù)仿真結(jié)果，對光學(xué)元件智能存儲庫進行氣路布置，如圖14所示，進氣管路由存儲庫頂部分4路通入存儲庫中，每路管道分別向下延伸，在整個管道上布置有3個進氣口，在存儲庫背面底部布置2個出氣口。后續(xù)設(shè)備內(nèi)部濕度維持過程中的均勻性通過以下方式保證：對設(shè)備內(nèi)部濕度的監(jiān)測通過布置多個點位實現(xiàn)，各點位盡量遠離各充氣口，某一點位濕度超過控制范圍之后，與該點位鄰近的各氣路單獨接通進行補氣，直到該點位濕度恢復(fù)設(shè)定值。
本文針對光學(xué)晶體設(shè)計了一款具有恒溫恒濕功能的智能存儲庫，該設(shè)備可與AGV對接，實現(xiàn)完全無人化操作，極大地節(jié)約了人力成本；倉儲管理系統(tǒng)WMS具備出入庫管理、物料盤點、單據(jù)查詢等功能，可實現(xiàn)高密度、高速存取，大幅度的提升了設(shè)備的空間利用率。隨著半導(dǎo)體、微電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，芯片、光學(xué)元件、電子元器件對存儲環(huán)境的要求也慢慢變得苛刻，光學(xué)元件智能存儲庫所涉及的關(guān)鍵技術(shù)對別的設(shè)備的研發(fā)設(shè)計具有指導(dǎo)意義，擁有廣闊的應(yīng)用前景。
