案例 | 基于桥架式立体库系统的棒材数字化加工车间规划建设

摘要：本项目是对传统棒材物料存储和加工环节的智能化改造，以物流为中心规划建设棒材数字化加工车间，通过引入桥架式立体库系统、自动分料机、三坐标桁架机械手等自动化设备，把仓储、搬运拣选、加工等设备进行深度集成，实现了从原材料入库、存储、拣选到加工、成品出库全过程的自动化

本项目是对传统棒材物料存储和加工环节的智能化改造，以物流为中心规划建设棒材数字化加工车间，通过引入桥架式立体库系统、自动分料机、三坐标桁架机械手等自动化设备，把仓储、搬运拣选、加工等设备进行深度集成，实现了从原材料入库、存储、拣选到加工、成品出库全过程的自动化和信息化管理，助力企业达到提效降本等目标。

王中军

沈阳科翔飞物流装备有限公司

项目概况

圆钢（管材、棒材等）是制造企业常用的原材料之一。在某些类型企业，这类物料因业务需要常年保持较大库存，不仅占用较大的仓储面积，而且每天从库存区搬运物料到加工区需要较多人力和设备。

A企业棒材类物料原仓储区的当期库存平均约5000吨，直径尺寸为20～240mm，长度分3m和6m两种规格，日常采用人工作业方式从仓储区搬运到加工缓存区或直接到加工设备。A企业因产能提升需要，提出对现有车间进行智能化改造需求。

项目规划设计团队依据A企业产线特点，结合厂区内部布局，以智能桥架式棒材立体线边库为中心进行产线规划，实现物料（圆钢）自动化立体仓储、自动拣选出库、自动机床上料、加工中心自动加工以及半成品的AGV自动搬运等作业过程，定制开发的WMS/WES信息系统与企业的ERP（SAP）、MES对接，对整个产线从原材料入库直到零部件商家存储的全过程进行控制，协助企业有效完成了棒材数字化加工车间的建设。

棒材数字化加工车间由桥架式（棒材）立体库、圆盘锯加工区（8台贝灵格圆盘锯，可加工棒材最大直径160mm，长度6m）、棒料车铣复合中心（18台，可加工棒材直径22～50mm，长度3m）加工区及大直径棒料带锯（1台，可加工棒材直径170～250mm）加工区构成，车间设计加工能力每月100万吨。

棒材数字化加工车间总体工艺布局

1.棒材加工车间及设备概要

加工车间占地长度108m，宽度54m，可用高度9m，其中宽度方向分为3个18m跨区，区域之间为厂房的立柱，立柱之间可以通行。

桥架式（棒材）立体库位于第一个18m跨区，占地长度108m（含出入库区20m），设计货位数1050个，货位使用尺寸6300mm×5400mm×285mm，最大载荷5t，最大设计存储量5250t。立体库设置3套RGV、7套自动分料机。

圆盘锯加工区也布置在这个跨区，与桥架式（棒材）立体库对接，圆盘锯的6m上料架集成在桥架式（棒材）立体库内部，由自动分料机供料。此区域共布置7台圆盘锯，其最大加工棒料直径为160mm。

棒料车铣复合中心加工区分布在另外两个18m跨区，每个区域各布置11台车铣复合中心、1套桁架拣选机械手，用于3m长度、直径22～50mm棒料的加工。棒料在托盘内存放，由RGV从桥架式立体库搬运到桁架拣选机械手作业区，由桁架拣选机械手从托盘内抓取棒料到车铣复合中心的上料架。

大直径棒料加工区在立体库末端，用于直径170～250mm棒料的加工，由立体库配套的RGV供料，行车搬运方式供料。

2.车间总体工艺布局

依据生产特点，经充分调研、论证，设计出车间总体工艺布局图（见图1），车间总体工艺仿真图（见图2）。

图1 车间总体工艺布局图

图2 车间总体工艺仿真图

系统主要设备及工艺流程

1.立体库系统构成

立体库系统包括桥架堆垛机、货架、托盘、RGV、自动分料机、理料架及行车等设备，按功能分为入库区、仓储区及出库设备，存储物料规格为长度3～6m，直径22～250mm，单件最大重量2.5t。立体库主要设备及其功能见表1。

表1 立体库主要设备及其功能

2.物料入库区规划与设备选型

（1）主要作业描述

入库作业：货车进入入库区—棒材通过行车卸车到缓存区，同步进行到货检验（规格、数量等）—棒材拆包及理料—系统分配货位，空托盘通过入库RGV-A出库到入库区—人工通过行车将棒材搬运到托盘内，系统确认棒材相关信息—RGV-A回送托盘到入库位。

取样作业：棒材拆包及理料阶段，依据质量计划挑选适量棒料通过带锯取样，送检后标记该批次棒料质量状态。

（2）入库区地面设备及场景仿真

入库区地面设备主要包括①RGV-A、②理料架、③取样用带锯、④缓存货架等，入库区地面设备仿真见图3。

图3 入库区地面设备仿真图

3.仓储区规划与设备选型

（1）桥架堆垛机

桥架堆垛机在货架顶部运行，把托盘存入货架货位或从货位取出，设备主要技术参数见表2。

表2 桥架堆垛机主要技术参数

（2）货架

货架构建采用焊接结构，现场组装。主要包括立柱、托架、横梁、天轨、维修平台等，配置楼梯或爬梯。货架主要规划数据见表3，货架简图见图4。

表3 货架主要规划数据

图4 货架简图

（3）托盘选型

托盘为存储物料的部件，采用整体焊接形式，设置分区孔（中间位置），具体参数见表4。

表4 托盘技术参数

图5 仓储区场景

4.棒料出库设备选型

（1）出库车RGV-B

RGV-B位于货架中部，采用侧面出库形式，把装载3m长棒料的托盘从立体库搬运到车铣复合中心加工区，移载到该区域的地面输送机上，供桁架机械手抓取棒料使用。RGV-B主要技术参数见表5，布局见图6。

表5 出库车RGV-B技术参数

图6 出库车RGV-B布局图

（2）出库车RGV-C

设备位于主货架尾部，采用正面出库形式，用于把装载直径170～250mm棒料的托盘出库到大直径棒料加工区，出库区布局见图7。

图7 出库车RGV-C布局图

（3）自动分料机

自动分料机集成在立体库内部，与伸入到立体库内部的圆盘锯上料架对接，为圆盘锯供应棒料。圆盘锯的主机布置在立体库外侧，见图8。

图8 圆盘锯布局图

自动分料机主要技术指标如下：

①分拣棒料规格：直径22～100mm，长度4～6m；

②分拣效率：60秒/根；

③分拣类型：单根分拣、批量分拣。

5.圆盘锯加工区规划布局

依据产能需要以及场地特点，选用8套圆盘锯与立体库对接。圆盘锯的规格分为80、130及160三个型号，主要工作流程如下：

MES系统下发圆盘锯加工计划给立体库WMS—WMS按加工计划指定的棒料规格、炉号选定货位—堆垛机搬运选定的托盘到加工计划指定的自动分料机—自动分料机按计划数量分拣托盘内的棒料到圆盘锯上料架—圆盘锯开始工作，按计划内的工艺数据下料—下料后的毛坯件进行检验，合格品按规格由关节机械手抓取到地面托盘，不合格品集中存放—批次加工完成或地面托盘装载到限制重量后，由AGV搬运到半成品及毛坯件仓储区入库—AGV搬运空托盘返回。圆盘锯加工区规划布局见图9。

图9 圆盘锯加工区规划布局图

6.车铣复合中心加工区布局

车铣复合中心加工区距离立体库较远，通过RGV-B进行托盘搬运。加工区分为两个区域，共布置11台车铣复合中心，1套桁架机械手，2套地面输送机，主要工作流程如下：

MES系统下发加工计划给立体库WMS—WMS按加工计划指定的棒料规格、炉号选定货位—堆垛机搬运选定的托盘到RGV-B—RGV-B搬运托盘到指定加工区，把托盘移载到指定位置的地面输送机—桁架机械手拣选棒料（单根）到指定位置车铣复合中心，放置棒料到设备上料加—车铣复合中心开始工作，按预定工艺数据开始批量加工—加工生成的半成品检验后摆放在地面托盘内，由AGV搬运到半成品及毛坯件仓储区入库—AGV搬运空托盘返回。车铣复合中心加工区布局图见图10。

图10 车铣复合中心加工区布局图

主要设备技术参数如下：

①车铣复合中心加工能力：直径22～50mm，长度3m；

②桁架机械手作业能力：最大抓取棒料重量50kg，单次搬运时间60～180s。

7.计算机信息管理系统

计算机信息管理系统包括服务器、WMS管理计算机、WCS监控计算机、库区终端计算机、报表打印机、标签打印机、无线手持终端、有线和无线网络设备、电子看板设备等硬件设备，以及WMS、WCS等软件，系统配置见图11。

图11 计算机信息管理系统配置图

项目成果

本项目通过对传统棒材物料存储和加工环节进行智能化改造，通过引入桥架式立体库系统、自动分料机、三坐标桁架机械手等自动化设备，把仓储、搬运拣选、加工等设备进行深度集成，实现了从原材料入库、存储、拣选到加工、成品出库全过程的自动化和信息化管理。这种改造不仅显著提高了生产效率，减少了人力需求，还提升了物料处理的准确性和安全性，降低了生产成本，增强了企业的市场竞争力。

本项目的成功实施，为A企业带来巨大的应用价值，主要体现在以下八个方面：

1.节省占地面积：通过引入棒料立体库、自动分料机、桁架机械手等自动化设备，把原仓储区改造为线边库，原有存储区域60%的面积改造为加工区，存储能力也由改造前的平均2000t存量提高到4000t。

2.物流效率提升：立体库通过把仓储、搬运拣选及加工设备深度集成，消除了棒料从仓储区到加工区的搬运过程，作业由人工操作变为自动操作，原物流路径缩短90%以上，原搬运班组仅保留卸车、检验和入库等作业。

3.高度自动化：通过自动化立体仓库和机器人技术，通过RGV、桁架机械手以及自动分料机，实现物料的自动存取、搬运和加工，大幅减少人工操作，提高生产效率。

4.精准控制：采用先进的控制系统和传感器技术，确保物料处理过程的精确性和可靠性。

5.灵活性和可扩展性：系统设计考虑了未来可能的生产需求变化，便于后期扩展或调整生产线布局。

6.信息化管理：通过与企业ERP、MES等系统的对接，实现数据的实时共享和流程的透明化管理，消除了原现场作业信息延迟传递问题，实现物流与信息流的统一。

7.安全性提升：自动化操作减少了人员直接接触危险作业环境的机会，降低了工伤风险。

8.成本效益：虽然初期投资较大，但长期来看，通过提高生产效率、降低人工成本和减少错误率，能够带来显著的成本节约。

———— 物流技术与应用 ————

编辑、排版：王茜

本文内容源自，有删改。