纸卷搬运起重机的效率与其环境参数相关, 如纸厂的生产率、自动化仓库的空间尺寸、出入库点的位置、纸卷最大高度、起升速度及大小车速度, 其构成了整个纸卷搬运系统。本节在详细分析纸卷搬运入库和出库工艺过程的前提下, 建立了基于纸卷搬运周期的系统参数模型。
参数化的工作区域如图1所示, 图中参数意义见表1。
纸卷搬运工艺可分解为入库工艺和出库工艺。入库工艺:抓取入库点的纸卷, 通过小车 (在X方向作水平运动) 、大车 (在Y方向作水平运动) 和夹具 (在Z方向作垂直升降运动) 的运动, 向纸卷仓库添加纸卷;出库工艺:在纸卷仓库内, 将纸卷从已堆垛塔位搬运至出库点。入库和出库工艺过程随时间变化以自身循环和交替循环的方式完成搬运纸卷作业, 因此, 纸卷搬运工艺可以用无数个性质相同的入库循环周期和出库循环周期来描述, 并在量上取平均概念以便于量化分析。纸卷搬运周期不能简单看成入库循环周期与出库循环周期之和, 因为两个周期的循环次数不同, 一般入库循环次数大于出库循环次数。通过工艺分解, 将复杂的纸卷搬运工艺用两个可以量化的周期来描述。
除夹具开闭以外, 将入库工艺和出库工艺中的每个工艺动作, 如夹具起升、大车运行、夹具下降等, 简化为加减速度相同的等加速运动, 每个工艺动作的耗费时间计算原理均如图2所示。
式中:Di为第i个动作总行程, 对应于图2中的阴影面积;vi为第i个动作的稳态速度;tai为第i个动作从零加速到稳态速度vi或从稳态速度vi减速到零的时间。
1) 入库循环周期
假设入库工作开始前, 夹具已经张开并夹在纸卷表面, 则入库循环周期T1由以下一系列动作的时间组成:夹具闭合t1、称重t2、夹具起升到能行走的高度t3、大车运行到拟定入库位置t4、小车运行到拟定入库位置t6、夹具下降t3、夹具打开t5、夹具上升t3、小车运行至拟定出库纸垛位置t6、大车运行到拟定出库纸垛位置t4、夹具下降t3, 如图3所示。则入库周期
式 (2) 中, 没有出现小车运行的时间t6是因为t6已经被包含在大车运行时间t4中, 表明在实际工艺中, 为缩短运行时间, 一般小车与大车联动。t1和t5是定值, 与选用的夹具型号有关, t2包含称重传感器反应时间和管理系统记录时间, 根据硬件特性设定其数值, 本计算中假设t2=4 s。t3和t4根据其他参数计算得出, 每个动作是以概率统计的方法, 先计算出平均行程, 再根据速度和加速度计算出其耗时, 其详细计算公式推导如下:
式中:v1为起升速度, a1为起升加速度, E+F/2为考虑平均纸卷高度为最大纸卷高度的1/2的提升高度。
式中:v2为小车运行速度, a2为小车运行加速度, W/2是入库循环中小车运行在纸卷仓库中的平均行程。
式中:v3为大车运行速度, a3为大车运行加速度, 是考虑了最恶劣情况下的大车平均行程。
2) 出库循环周期
假设出库工作开始前, 夹具已经张开并夹在纸卷表面, 则出库循环周期T2由以下一系列动作的时间组成:夹具闭合t1、称重t2、夹具起升到能行走的高度t3、大车运行到拟定出库位置t4、小车运行到拟定出库位置t6、夹具下降t3、夹具打开t5、夹具上升t3、小车运行至入库纸垛位置t6、大车运行到入库纸垛位置t7, 如图4所示。则出库周期
式 (6) 中没有出现小车运行时间t6是因为t6已经被包含在大车运行时间t4、t7中, 表明在实际工艺中, 为缩短运行时间, 一般小车与大车联动。t1和t5是定值, 与选用的夹具型号有关, t2包含称重传感器反应时间和管理系统记录时间, 根据硬件特性设定其数值, 本计算中假设t2=4 s。t3、t4、t7则根据其他参数计算得出, 每个动作是以概率统计的方法, 先计算出平均行程, 再根据速度和加速度计算出其耗时,
式中:v3为大车运行速度, a3为大车运行加速度, b为入库点到出库点的大车行程。
如图5, 自动化仓库系统主要由客户ERP系统、仓库管理系统、自动化起重机、输送带系统组成。
纸卷自动化仓库的所有业务由一台位于操作室的管理服务器WMS管理, 其主要功能:
1) 与输送带服务器进行数据通讯, 获取要入库纸卷的信息并决定能否准予入库;
2) 决定要入库纸卷在仓库中的存放位置并命令起重机将纸卷吊入指定的位置;
3) 为操作人员提供入库操作界面;
4) 根据出库清单决定要吊出的纸卷, 并命令起重机将相应的纸卷吊运至输送带上;
5) 实时显示起重机的运行状态、故障等信息;
6) 报告ERP系统纸卷的移动状态。
自动化起重机位于仓库上方的轨道上, 其通过夹具起吊纸卷并负责纸卷的运输。起重机的动作可以分为大车运行、小车运行及夹具升降。
如图6, 纸卷入库工艺:入库的纸卷在转盘前向仓库管理系统发出入库申请。仓库管理系统首先检查系统是否满足以下4个入库条件:1) 起重机在自动状态且无故障;2) 仓库仍有空间存放纸卷;3) 仓库设定为自动出入库或只入库状态;4) 纸卷信息正确无误。如满足入库条件则仓库管理系统通知传送带“允许入库”。纸卷来到入库点后仓库管理系统会检查传送带是否有允许入库信号, 如果允许入库, 则仓库管理系统通知起重机自动将纸卷吊入仓库中。起重机在起吊纸卷之初会检查纸卷的质量和幅宽, 如质量和幅宽与之前传送带提供的信息一致, 则起重机将纸卷自动吊入仓库。反之, 起重机报错, 须进行人工检查并根据相应的故障代码解决故障, 否则纸卷会被运送至手动库。纸卷吊入仓库后, 整个入库过程结束。
如图7, 纸卷出库工艺:首先操作人员在仓库管理系统上创建并执行出库清单。仓库管理系统会根据执行的出库清单生成出库命令。如传送带有允许出库的信号, 则生成的出库命令会立即被执行。仓库管理系统根据出库命令自动选中合适的出库纸卷并通知起重机将此纸卷吊运到传送带出库点上。起重机将出库的纸卷放到输送带上后会通知ERP纸卷出库完毕。当起重机报错时, 须进行人工检查并根据相应的故障代码解决故障, 否则纸卷出库失败并通知ERP。纸卷通过输送带出仓库后, 整个入库过程结束。
随着计算机技术、自动控制技术、智能仪器仪表技术及传感器技术的发展和在起重机领域的广泛应用, 使纸卷搬运起重机实现了全自动控制:当输送带把纸卷信息传送给起重机后, 起重机自动运行, 从泊车位启动, 移向抓取点, 下降夹具, 抓取纸卷, 移向塔位, 返回泊车位置。
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