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刘 伟，赵海伦，陶 伟
（1.江苏金冠停车设备安装工程有限公司，江苏 南通 226000；
2.南昌大学，江西 南昌 330047；
3.浙江大学，浙江 杭州 310000）
光纤预制棒（以下简称光棒）是一种具有特定折射率剖面、用于制造石英光纤的原材料，在超2 200℃的高温条件下通过拉丝塔拉制形成光纤，再经过外部涂料包覆制成光缆，用于大容量高速数据通信。光棒处于光纤光缆产业链上游，是产业链最核心的组成部分，其主要成分是SiO，主要通过H+O燃烧后与SiCl水解反应生成，单根成品光棒重量超70kg。
光棒作为光纤通信核心原材料，随着近年来国内光纤需求激增，呈现井喷式增长，但是我国光棒产业整体工艺及物料流转设备自主化水平低，生产制造过程大量使用手动操作，用工数量多，直接导致我国光棒企业在智能化、数字化生产管理方面落后于国际同行，很大程度限制了国内光棒企业的竞争力。为突破这一瓶颈，我司立足于南通本地某光棒制造企业，联合多家立体停车、智能仓储等技术型公司，围绕智能制造目标，以自动化停车、智能化物流仓储技术为基础，通过流程再造以及融合应用多种信息化管理平台，成功实现光棒制造企业智能化、数字化转型，显著降低了光纤预制棒制造企业生产制造成本、提高了生产作业效率、提升了企业综合竞争力和社会影响力。
光棒制造主要分为四大工序：芯棒沉积、烧结制造、外包沉积、加工测试。芯棒沉积和烧结制造设备均为垂直结构，外包沉积设备均为卧式结构，不能在同一车间进行布局。这就要求在生产车间初期规划和设计时需考虑两点：第一、用地尽可能最优化、节约化；
第二、成品和半成品能够通过一些自动化物流装置进行高效率流转。在用地节约化方面，将车间整体规划为两块区域，一块单层区域用于芯棒和烧结制造，二块双层区域用于外包和部分加工设备定位。选择将立式塔架结构设备集中定位于芯棒车间和烧结车间，设计为单层结构，将卧式制造结构设备分别定位于一层加工车间和二层外包车间。半成品需要按照“芯棒-烧结-加工-外包-测试-出库”进行流转，其过程中最大问题就是在G工序完成后光棒需从车间二层频繁运送至一层进行测试和出库，之前工人将光棒放置于手动运棒车上利用载货电梯进行单根运输，效率非常低下，同时，由于两个载货电梯每天都需要频繁上下一二层几百次，经常发生故障报警，严重影响光棒高效制造，此些问题亟需 改善。车间布局建模仿真如图1所示。
图1 车间布局建模仿真
经过技术调研，垂直循环升降立体停车技术可以跨行应用于光棒流转，主要原因有三点：①垂直循环升降立体停车库适用于占地面积小、层高较高的场合，一般2个车位的占地面积就可停放30多辆汽车；
②垂直循环升降式立体停车库为特种设备，设计结构安全可靠，对于高附加值的光棒产品运输比较适合；
③多工位载物设计可有效避免因物料和编码错乱导致的产品信息追溯难及生产管控难的问题。
依据垂直循环升降立体停车技术开发出垂直循环升降光棒立体运输系统，该系统主要由6大部分组成：主体塔架、传动系统、载物台设计、供电系统、自控系统、光棒出库信息采集系统。主体塔架及传动部分参照机械式智能垂直循环升降立体塔库设计，主体塔架为钢梁结构，传动系统主要为大齿轮+链条式设计；
在链条部位设计和安装多工位载物台，用于光棒载运；
利用滑触线供电系统对每个工位的传感器件和冷却部件进行供电；
自主开发自控系统对物料的流转进行控制；
在每个载物台上设计有RFID物料读码系统，对所有流转的光棒进行制造信息录入处理。本套物流系统虽未有载人设计，但出于高可靠性考虑，关键部件结构参考GB 17907—2010、GB/T 26559—2011、JB/T 10475—2015标准和规范。多工位立体循环升降式立体停车库如图2 所示。
图2 多工位垂直循环升降式立体停车库
4.1 主体塔架系统设计
本系统主要考虑将三楼G工序完成的光棒载运至一楼测试及出库区域，由于G工序一个轮班的最大产能为9根，考虑到极端情况，设计时考虑预留20%余量，因此垂直升降平台工位增加至11个，根据车间实际高度及安装现场前后侧预留空间，主体塔架结构设计如图3所示。
图3 垂直升降平台塔架示意图
为便于现场主体机构吊装和精度调节，主体塔架分为上层、中层、下层三部分，结合各层钢平台高度设计，要求塔架的人机操作面高度与车间每一层钢平台高度相对应，最终设计的塔架高12.5m，长4.1m，宽1.8m。为确保塔架主体结构强度，两侧塔架立柱部分设计支撑加强杆，防止装载和运动过程中塔架晃动或精度偏移。
4.2 主传动结构设计
由于垂直升降平台具有传动距离长、负载大且对传动精度要求较高的特点，选择使用链条式传动结构。考虑到升降平台传动特点为转速低、载荷大，选用弯板滚子传动链，由于中心距较大，需要选用大节距链轮。根据塔架高度得出链轮中心距约为9m，中心距一般为
式中，a为链轮中心距，单位是mm；
p为链轮节距，单位是mm。
由于中心距不能调整，这里取30p，计算出节距300mm，可以算出链长节数：
式中，X为链长节数；
Z为链轮齿数；
a为链轮中心距，单位是mm；
p为链轮节距，单位是mm。
计算得31.95，进行圆整，得出实际链节数32，链条和链轮基本可以确定型号。
4.3 光棒承载台设计
光棒承载台的设计重点在于每一个工位需要设计水平移出功能，方便在一楼对接中转运输平板车装卸作业时可以直接将光棒自动移出，避免人工搬运，减轻工人劳动强度，此外还需确保升降平台移动时工位不发生窜动，载物台主体结构如图4所示。托棒装置底部设计有滚轮，侧面有导向轮，通过托棒装置及平板车上的导向轮及底部滚轮，可轻易将托棒机构上的光棒直接拉至平板车上，避免了人手接触高温光棒，转运完成后在托棒机构上重新放置空的载物托架即可。此外，载物台在托棒装置两侧设计有定点滚动式柱塞，以确保升降平台移动时托棒机构不会发生侧向偏移，载物台与塔架连接处采用活动机构，以确保托棒装置始终保持竖直状态。预制棒移载功能示意如图5所示。
图4 预制棒承载台结构
图5 预制棒移载功能示意
光棒载物台为该系统中最为关键的承载部件，数量较多，为降低设备整体重量，减轻塔架受力，载物台设计方面需要最大程度减重，同时需确保升降平台运行安全、装载光棒后形变量必须小于1mm，设计过程中使用专业的有限元分析软件对载物台强度进行模拟承载校核，如图6所示。
图6 初始载物台结构模拟分析
经过受力模拟仿真测试，可以看出初始设计的载物台在中间位置变形量较大，约为1.22mm，因此在载物台中间位置增加设计一根加强型横梁以增加该位置强度，对优化后的结构进行受力模拟仿真，结果如图7所示，可以看出中心位置形变量减小至0.56mm，符合结构承载设计要求。
图7 优化后载物台有限元仿真
4.4 供电系统设计
本系统因涉及垂直循环升降运动，在光棒载物台供电方面考虑使用滑触线对各个工位进行滑触移动式供电。滑触线防护等级高，使用工位数量不限，不受空间要求，可进行弯弧设计，成熟应用于汽车主机厂的EMS系统（电动单轨小车系统），实现相对运动过程中可靠供电，其次滑触线供电系统维护简单，只需定期检查集电器使用状态即可，滑触线通用性能参数见表1、表2。
表1 滑触线电气参数
表2 滑触线机械参数
根据本系统需传导电流大小及信号通讯稳定性要求，本次设计选用VAHLE品牌U10/25C型铜基滑触线系统及PowerCom数据通讯模块，此通讯模块基于工业数据总线RS485方式设计，传输速率为19.2kbit/s，通过有线串口方式通讯，可实现信号稳定传输，本系统利用其可实现树形、环形及线型的数据通讯机构直接解决了多岔路信号传递的难题。
4.5 自控系统设计
本系统的自动控制部分采用倍福公司CP9020系列PC型控制器，融合应用RS485和EtherCat总线通信方式，大大提升了整机数据的传输和处理速率。整机系统信号设计见表3。
表3 整机信号设计
主升降平台旋转机构选用SEW品牌DRL系列7.5kW异步伺服电机控制系统，可提供较高的电机轴外部转动惯量，并精准控制在合适范围，此电机系统设计和构造可在电流动态过载值短时间内达到350%，可有效防止因系统惯性过载出现电气故障，减少设备故障停机时间。
光棒在G工序结束后，其尾部表面温度高达800℃以上，无法通过人工方式将处于三楼的光棒卸载至一楼的测试平台上，此时需通过垂直平台，将产品进行周转冷却。本次设计对每个工位增加一套智能风扇冷却系统，即每个工位增加温度采集及风扇降温模块，通过自动采集光棒尾端温度，实现风量大小自动调节，既节能又能达到快速冷却的目的，同时，可根据智能冷风感温系统自主判断产品是否满足流转至测试和出库工序的条件，从而提高产品流转效率。此外，本系统在每一个载棒工位上都创新应用智能光棒重量检测系统，在光棒上下料转运过程中即可实现单根光棒重量数据自动采集。系统整体控制框架如图8所示。
图8 系统整体控制框架
在打通系统信息流方面，此垂直循环升降系统创新集成应用了基于RFID技术的光棒出库信息采集系统，RFID即无线射频识别技术，它主要包含读写器、电子标签及天线等部分。在每一个载物台工位上都设计有读码器，在预制棒从G工序转运至该平台时，会自动读取该工位上载运的光棒信息，并实时将此根光棒的上游信息（主要包含物料编号、生产机台、操作人员信息等）读取并上传至上层MES，进行智能统计和管理。基于RFID技术的预制棒信息读取流程如图9所示。
图9 基于RFID技术的预制棒信息读取流程
通过跨行业研究立体停车系统和光棒制造技术，并充分吸收和消化垂直循环升降式立体停车技术，将二者进行有效融合和创新应用，成功研发出智能预制棒垂直循环升降系统，服务于光纤预制棒制造行业。系统整体运行效果如图10所示。
图10 系统整体运行效果
该系统已经在某光棒企业成功投入使用一年多，运行效果超乎预期，投入使用后，该系统可实现节约用工2.5人/班，G工序运转效率提升65%以上，直接经济效益18.5万元/年。此外，该系统成功将RFID技术融合应用到光棒制造过程流转中，实现外包和出库数据与MES打通对接，实现了从原材料入库到成品出库过程信息流全程打通，为光棒企业实现数据互联互通打通“最后一公里”，同时对我国光通信制造企业智能化、数字化转型起到了积极的示范、拉动作用。
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