：本文针对光学晶体设计了一款智能存储库，可与AGV精准对接，实现光学晶体的全自动化出入库，并在设备洁净度、安全性、密封性方面进行了详细设计，保障存储的洁净度、安全性和密封性。该设备主体框架采用铝型材搭建而成，外部由喷塑钣金包围，大大减轻了设备的重量，提高了设备的美观性。设备采用总线控制、伺服驱动，存取速度快，定位精度高。

　　随着“工业4.0”和“中国制造2025”的不断深化，全球制造业正在向着自动化、集成化、智能化方向发展。智能仓储在自动化、智能化方面扮演着重要角色，而针对光学元件的智能存储库就是一种新型的智能仓储设备。

　　光学元件智能存储库作为一种新型的智能仓储设备，可与转运AGV精准对接，实现光学晶体的自动出入库，存取效率高、定位精度高、洁净度高、密封性好、安全可靠，可广泛应用于半导体、微电子等行业。外观示意图，如图1所示。由于光学晶体对温湿度比较敏感，需要存放在恒温恒湿的环境下，该设备通过增加温湿度控制系统实现存储库内部环境温湿度的恒定，适用于对存储环境具有温湿度要求的物料。此外，该设备可与企业ERP系统对接，为实现智能工厂迈出了关键的一步。

　　本文针对光学晶体设计了一款智能存储库，该设备具有先进的智能化功能，采用先进成熟的操作系统和性能优良的伺服电机、减速机、，具有高精度、高可靠性和高响应速度等优势，可以做到软起软停，减少冲击。整机为全封闭系统，具有防尘、防盗等功能。该设备主要包括存储框架、外面板、提取车机构、提升电机组件、顶梁带轮箱、底部带轮箱、出货口、电控箱、工控机、电气控制系统、软件管理系统等结构（如图2所示）。与以往将电控箱放置于存储库外部的传统智能仓储设备不同，该存储库的电控箱位于存储库内部，可节省存储库的占地空间，有效提高空间利用率。

　　该存储库的提取车机构位于存储库中间，其两侧为由型材搭建而成的存储框架，分布有280个存储货位，运动机构可实现X向（水平前后）、Y向（水平左右）、Z向（竖直上下）三个方向运动。X向通过货叉的齿轮齿条进行传动，Y向、Z向通过同步带进行传动。三个方向均采用安川SGM7J型伺服驱动，货叉定位精度为±1mm。提升电机采用绝对值编码器，能够记住提取车的绝对位置，当意外断电时，重新上电后不需进行复位操作，可直接行走至目标位置，控制简单准确。提升电机组件为底部带轮箱提供动力，提升同步带固定端位于提取车机构上，上下连接底部带轮箱和顶梁带轮箱，带动提取车机构实现Z方向的上下运动，提取车机构上的货叉可在Y向实现水平运动以及在X向实现伸缩运动。提升同步带与提取车构成四点悬挂机构，且提升电机具有抱闸功能，二者配合使用，可保证当其中一根同步带断裂时不会发生提取车坠落现象，提高了设备的安全性和可靠性。出货口部分设有输送机，用于传输光学晶体，可与货叉及转运AGV对接，对接精度为±10mm，可实现完全无人化操作。因此，该智能存储库设备可在仓储管理系统WMS的控制下实现光学晶体的全自动出入库动作。运动示意图，如图3所示。

　　由于光学元件智能存储库要求在ISO 7级洁净环境下实现完全无人化操作，库内存储的光学晶体价格昂贵，且需满足温度为23℃±1℃、湿度为≤20%Rh的存储环境，因此对设备的洁净度、安全性、密封性要求很高，以下就洁净度设计、安全性设计以及密封性设计进行详细说明。

　　根据洁净环境结构设计标准选择材料，氮氧混合气体传输管路管材使用BA管，框架选用洁净度较高的铝型材，外罩采用钣金喷塑进行防锈，链条材质采用不锈钢，同步带轮材质采用高强度铝合金，同步带及导向轮材质选用具有高耐磨性的聚氨酯，货叉主体结构采用奥氏体不锈钢制作，货叉伸缩滚轮采用不锈钢滚轮，设备润滑采用氟素脂。

　　为了保证设备的洁净度，对提取车机构和出货口输送机等部位的电机、同步带等关键部位设计了防护罩进行遮挡，防止运动过程中产生的磨屑运动至设备内部，从而造成光学晶体污染。防护罩示意图，如图4所示。

　　由于光学晶体价格昂贵，需要保证晶体在输送及存储过程中的安全性和稳定性，避免发生晶体倾覆、掉落等现象从而造成损失。鉴于此，设计了以下安全措施。

　　（1）提取车机构具有断电保护功能：提升电机具备制动功能，意外断电后，提取车可以停在断电时的位置，重新开启进入系统时，系统进行自检，提示相关信息，重新操作。

　　（3）保护防冲顶、防墩底装置：设备设计软件限位、行程开关及机械限位保护，确保设备及光学晶体安全。

　　（5）存储库总电路设计有电源缺相保护、电源相序保护、漏电保护，电机设有过载保护、伺服驱动自动报警保护。在电机过载时，伺服驱动将自动切断驱动装置的供电，并提示相应的报警信息，当故障排除后，复位电机保护电路，设备可恢复正常运转。

　　（6）提取车各方向的运动采用伺服电机控制，精度为±1mm。此外，为了保证可靠性，在货叉通过编码器到达指定货位后，会通过水平及竖直方向的标尺进行二次校验，待校验成功后，方可取放光学晶体，从而有效避免了货叉与货架或光学晶体发生碰撞，极大地提高了设备存储的安全性。

　　如图5所示，货叉的叉板上设计有聚氨酯材质的前后限位条，可防止在提取过程中光学晶体因为摩擦力不够而发生偏转或者掉落。另外，还需要考虑货叉缩回后，提取车在Z方向上运动，以及货叉在X及Y方向上运动时，晶体不会发生偏移。鉴于此，在提取车上设有两个气缸开合机构，气缸选用SMC的MGPM16-20Z型号，开合机构与光学晶体的接触面材料为聚氨酯，可增大摩擦力，且不会损坏光学晶体。每个气缸通过两个磁开关D-M9BL用来检测气缸伸缩是否到位，从而确保动作准确。当货叉伸出取光学晶体时，开合机构打开；当货叉缩回至原点时，传感器检测到信号，开合机构将光学晶体夹紧，保证货叉在竖直及水平方向上运动时，光学晶体处于稳定状态，不会发生滑动及掉落。

　　如图6所示，存储框架支撑板上设有限位件，光学晶体放置于支撑板上时，四周均有限位件，可有效防止光学晶体发生倾斜或掉落。

　　如图7所示，出货口输送机上两侧设置限位挡边，末端设置硬限位块，防止光学晶体在传输过程中发生偏移、掉落。

　　光学元件智能存储库需要通过充入氮氧混合气体，从而达到温度为23℃±1℃、湿度为≤20%Rh的光学晶体存储环境，因此，设备的密封性至关重要。以下针对外面板、出货口部位的密封设计进行详细说明。

　　如图8所示，外面板包围在型材框架外侧，整体采用喷塑钣金之间挤压密封条、关键部位涂抹洁净室专用密封胶实现密封，保证了设备的美观性和密封性。

　　出货口作为设备内部分离出来的一个独立空间，设置内置门和外置门共两道门，分别利用气缸驱动实现开合动作，二者具有互锁功能，保证不会同时开启，从而减少气体对流，最大限度防止氮氧混合气体的泄漏。两道门的工作原理类似，以下以内置门为例进行详细说明。内置门采用电磁阀控制充气式硅橡胶密封圈进行密封，内置门由门主体和密封圈组成，密封圈嵌入到门主体内，门框由6061铝经本色氧化而成。当内置门需要关闭时，气缸驱动内置门运动至关门位置，随后密封圈充气顶起，与门框接触形成密封腔体；当内置门需要开启时，密封圈放气缩回，与门框分离，随后气缸驱动内置门运动至开门位置。密封原理如图9所示。

　　光学元件智能存储库的电气控制系统由可编程（PLC）、IO模块、通讯模块、人机界面（工控机）、条码识别系统、监控系统、除湿单元、气动单元、传感器、交换机等部分组成（如图10所示）。控制系统的关键技术主要有伺服控制、湿度控制和仓储管理系统。

　　光学元件智能存储库采用总线控制技术进行运动控制，选用安川MP2300S作为运动，该与IO模块及各伺服驱动采用 MECHATROLINK Ⅱ总线方式进行通讯。运动将伺服驱动器与交流伺服电机连接组成一个伺服电机系统，通过与上位机的组合控制，实现伺服电机的高速运行，从而保证光学元件智能存储库的高定位精度、高效存储。

　　在存储库外，通过单独的球阀来控制供气的通断；在存储库内，进气电磁阀受湿度计监测结果的控制，当湿度较高时，进气电磁阀打开，将氮氧混合气体通入，同时，排气泵打开，将存储库内的原有气体排出，进气和排气有效配合，可在最短时间内将存储库中的湿度降到标准范围内；压力开关用于监测存储库中的气压，当气压超过设定值时，安全电磁阀打开，排出适量气体，这样既可确保安全性，又可提高存储库密封部位的使用寿命。

　　存储库湿度控制方式，如图11所示。首先判断当前环境的湿度状态，如果超过设备规定湿度，则再次判断是否为首次除湿，如果是首次除湿，则打开进气阀和排气阀。如果不是首次除湿，则打开进气阀、关闭排气阀。直至设备湿度满足湿度要求时，将进气阀和排气阀同时关闭。设备运行期间，其湿度始终处于被监测状态，一旦超出设定参数，则进气阀打开，充入氮氧混合气体，从而达到维持设备内湿度的目的。

　　初始条件：存储库尺寸为4m×2.32m×5.97m，进气口为顶部4个孔，孔径为0.5英寸，出气口为底部2个孔，孔径为2英寸，存储库内部的货位均存有光学晶体，送回风管路接口管径为Φ150 mm。

　　仿线/h计算得出进气口每个孔速度为136.8m/s，入口压力设为500Pa，入口气体湿度为0%RH，出口压力设为0Pa，初始时室内空气湿度为45%Rh。第48s壁面云图，如图12所示。

　　对前48s的48组数据进行线。根据拟合曲线，可得出从某一湿度降到另一湿度时所需的时间，例如：23℃下，光学元件智能存储库的相对湿度由45%Rh降到20%Rh（水的质量分数由0.795%降到0.3533%）所需时间为332.23s。

　　根据仿真结果，对光学元件智能存储库进行气路布置，如图14所示，进气管路由存储库顶部分4路通入存储库中，每路管道分别向下延伸，在整个管道上布置有3个进气口，在存储库背面底部布置2个出气口。后续设备内部湿度维持过程中的均匀性通过以下方式保证：对设备内部湿度的监测通过布置多个点位实现，各点位尽量远离各充气口，某一点位湿度超过控制范围之后，与该点位邻近的各气路单独接通进行补气，直到该点位湿度恢复设定值。

　　本文针对光学晶体设计了一款具有恒温恒湿功能的智能存储库，该设备可与AGV对接，实现完全无人化操作，极大地节约了人工成本；仓储管理系统WMS具备出入库管理、物料盘点、单据查询等功能，可实现高密度、高速存取，大大提高了设备的空间利用率。随着半导体、微电子行业的迅猛发展，芯片、光学元件、电子元器件对存储环境的要求也越来越苛刻，光学元件智能存储库所涉及的关键技术对其他设备的研发设计具有指导意义，拥有广阔的应用前景。