物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)中桁架機(jī)器人的研究與應(yīng)用

潘俊萍 張 玉 劉 錦

1北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北 京 100007 2北京市自動(dòng)化物流裝備工程技術(shù)研究中心 北京 100007

3機(jī)械工業(yè)物料搬運(yùn)工程技術(shù)研究中心 北京 100007

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)自動(dòng)化物流設(shè)備需求的多樣化、智能化，舊庫房自動(dòng)化改造、存儲(chǔ)場地受限等傳統(tǒng)自動(dòng)化立體庫物流系統(tǒng)難以滿足需求。以桁架機(jī)器人為核心的物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)，在平面存儲(chǔ)方式下以超高密度、高效率的存取技術(shù)可有效解決特定物流需求。

相較于傳統(tǒng)物流系統(tǒng)，采用桁架機(jī)器人的物流倉儲(chǔ)解決方案不需要貨架、堆垛機(jī)、穿梭車、提升機(jī)等占投資成本較大的設(shè)備，同時(shí)生產(chǎn)所需空間僅為傳統(tǒng)自動(dòng)化立體庫所需空間的一半，投資可顯著降低，設(shè)備綜合效率高，在節(jié)約設(shè)備資源、材料資源、人力資源的同時(shí)還提高了能源利用率，是一種良好的綠色與節(jié)能化物流工程，具有很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和市場前景。目前，該平面密集倉儲(chǔ)的堆場+機(jī)械臂式存儲(chǔ)系統(tǒng)正在得到進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用。

1 桁架機(jī)器人應(yīng)用需求

1.1 項(xiàng)目功能要求

本文以某輪胎企業(yè)半鋼成品自動(dòng)分揀及自動(dòng)上架的設(shè)計(jì)需求為背景，進(jìn)行了桁架機(jī)器人在輪胎行業(yè)的應(yīng)用研究，形成技術(shù)方案。該項(xiàng)目中有半成品及成品2種輪胎形式的緩存和揀取應(yīng)用桁架機(jī)器人，分別存在于B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)3個(gè)半成品廠區(qū)，以及一個(gè)F成品區(qū)。本文主要針對(duì)其中的C區(qū)開展設(shè)計(jì)研究。

工藝流程為半鋼成品胎經(jīng)輸送系統(tǒng)輸送至分揀區(qū)，自動(dòng)掃碼后按設(shè)定原則由桁架機(jī)器人自動(dòng)存入對(duì)應(yīng)區(qū)域；滿足出貨要求后，由桁架機(jī)器人取垛、搬運(yùn)至出庫輸送線，即項(xiàng)目范圍包括入庫輸送線、自動(dòng)分揀入庫、自動(dòng)揀選出庫、出庫輸送線等。

1.2 產(chǎn)品區(qū)域與參數(shù)

1）半成品輪胎（不帶輪轂）

半成品輪胎形式設(shè)有3個(gè)區(qū)，共劃分8塊存儲(chǔ)區(qū)域，各塊區(qū)域范圍18 m×10 m，每塊設(shè)有1臺(tái)桁架機(jī)器人；輪胎內(nèi)徑為174～304 mm，輪胎外徑為380～510 mm，輪胎厚度為200～295 mm，單個(gè)輪胎質(zhì)量為10～ 17 kg。

2）成品輪胎（帶輪轂）

成品輪胎形式設(shè)有4個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，各區(qū)域范圍為30 m×10 m，每區(qū)可設(shè)有2臺(tái)桁架機(jī)器人；輪胎外徑為380～510 mm，厚度為200～295 mm，單個(gè)輪胎質(zhì)量為 19～ 35 kg。

3）其他參數(shù)

倉庫凈高為6.8 m，入庫輸送線高度為1.2 m，出庫輸送線高度為0.7 m，輪胎堆垛為8層，存儲(chǔ)區(qū)輪胎間隙為100 mm，桁架機(jī)器人定位精度≤1.0 mm。

2 桁架機(jī)器人的系統(tǒng)組成與分析

2.1 桁架機(jī)器人的系統(tǒng)組成

桁架機(jī)器人由門架結(jié)構(gòu)、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件以及自動(dòng)控制系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，3個(gè)運(yùn)動(dòng)組件為桁架機(jī)器人的核心組件，根據(jù)系統(tǒng)控制能快速存取指定貨箱送到指定位置，實(shí)現(xiàn)密集存儲(chǔ)、快速揀選的功能。桁架機(jī)器人類似于帶有抓取裝置的空中吊車，沿著門架運(yùn)動(dòng)。Z軸工作端配置抓具，可自由抓取物品貨箱，搭載橫梁實(shí)現(xiàn)前后左右行走，在由支柱圍起的區(qū)域內(nèi)直接堆放存儲(chǔ)貨品，進(jìn)行立體垂直快速提取，實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)接收、入庫、儲(chǔ)存、揀選、分類、集貨和發(fā)運(yùn)等一系列工作。

水平軌道布置在垂直堆棧頂部之上，一直擴(kuò)展到存儲(chǔ)區(qū)域兩端。1個(gè)或多個(gè)橫梁橫跨軌道沿軌道縱向運(yùn)行，且每個(gè)橫梁都有一輛小車沿橫梁橫向移動(dòng)，2條輸送線（如帶式輸送機(jī)）將貨物運(yùn)至或運(yùn)出被安裝了桁架機(jī)器人所在的工作區(qū)域。

桁架機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)可提示機(jī)器人移動(dòng)部件的位置，具有一定預(yù)先設(shè)定的極限值，如堆棧中允許的最多箱子的數(shù)量，一個(gè)堆棧最大允許的質(zhì)量，貨物浪費(fèi)、老化或成熟允許的最大存儲(chǔ)時(shí)間等。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)分析

該項(xiàng)目中C區(qū)輪胎的入庫量為21 000條/d，初步計(jì)算出每塊區(qū)域1個(gè)工作循環(huán)節(jié)拍約20 s，在24 h工作制下該桁架機(jī)器人設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要是速度快、定位精度高，進(jìn)而增加了各向機(jī)構(gòu)運(yùn)行和控制的難度，以及輕量化設(shè)計(jì)下桁架強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的平衡性設(shè)計(jì)難度?？紤]廠家備品備件的互換性和便捷性以降低成本，抓具設(shè)計(jì)應(yīng)盡量對(duì)2種輪胎形式具有適應(yīng)性。因此，關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)有機(jī)械臂及抓具的設(shè)計(jì)、桁架機(jī)器人抓具系統(tǒng)對(duì)2種輪胎的適應(yīng)性設(shè)計(jì)、高速桁架機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)等。

3 抓具系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

抓具系統(tǒng)即桁架機(jī)器人的機(jī)械手，是機(jī)器人的核心關(guān)鍵功能部件，是桁架機(jī)器人抓取物品的動(dòng)作機(jī)構(gòu)，是最重要的技術(shù)難點(diǎn)。

3.1 自動(dòng)存取貨物的機(jī)械手

機(jī)械手（Z軸組件）是桁架機(jī)器人的抓具沿Z軸運(yùn)行和抓取貨物的執(zhí)行部件，可實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)器人Z軸的運(yùn)行定位。機(jī)械手由垂直方向可運(yùn)動(dòng)的塔狀框架或抓手構(gòu)成，可自由地從上方移動(dòng)到任何指定的貨物單元目標(biāo)堆，貨物可被封閉在框架的內(nèi)部空間或被固定在抓手之間?？蚣艿膬?nèi)部裝載空間或裝載區(qū)格要求足夠高，以便最高堆棧的貨物亦可封裝在其中?？蚣艿捻敹丝梢源蜷_，使桁架機(jī)器人也可以運(yùn)送高于框架的貨物單元?？蚣芙o運(yùn)送的貨堆提供橫向支撐，這樣機(jī)器人即可相對(duì)快速地實(shí)現(xiàn)加速和減速，從而提高貨物單元運(yùn)輸速度。機(jī)械手實(shí)現(xiàn)垂直向上移動(dòng)，可水平通過倉庫地面上貨物堆放的最高位置的貨物單元。

機(jī)械手的下端需要配有抓具或類似機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)抓取指定堆垛的最低貨物單元。通過每個(gè)貨物單元設(shè)置規(guī)則的凸起、開口或類似支撐點(diǎn)，以確保抓具能夠輕易找到一個(gè)可靠的抓孔來握持。機(jī)械手應(yīng)具有一定適應(yīng)性，通過尺寸規(guī)劃使通過一個(gè)操作實(shí)現(xiàn)抓取和搬運(yùn)更多儲(chǔ)存在工作區(qū)域的貨物單元，進(jìn)而使在一次操作中運(yùn)輸貨物單元比存儲(chǔ)的單元更多。由此可提高桁架機(jī)器人系統(tǒng)的效率，并減小運(yùn)輸距離。

3.2 機(jī)械手抓具結(jié)構(gòu)形式

抓具是桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)抓取工件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝于桁架機(jī)器人機(jī)械手的下端。根據(jù)抓取貨品大小、質(zhì)量、形狀及工作節(jié)拍的不同，抓具的結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)變化[1]。通過對(duì)國內(nèi)外主要廠商在不同應(yīng)用領(lǐng)域中桁架機(jī)器人抓具的研究，總結(jié)出抓具結(jié)構(gòu)形式。目前，適用于物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)的桁架機(jī)器人根據(jù)不同的支撐方式，主要有橫向支撐和橫縱組合式支撐2種類型。

1）橫向支撐結(jié)構(gòu)

對(duì)于質(zhì)量較輕、體積較小的貨品，桁架機(jī)器人的抓具結(jié)構(gòu)通常采用橫向支撐的形式（見圖1），即僅通過壓緊力形成抓具指面和貨品之間的摩擦力，夾緊物體并完成高速運(yùn)行下的貨物搬運(yùn)。目前，該形式在飲料、酒品行業(yè)小型箱件的按行揀選均有應(yīng)用。

2）橫縱組合式支撐結(jié)構(gòu)

對(duì)于質(zhì)量較重、體積較大的貨品，桁架機(jī)器人的抓具結(jié)構(gòu)通常采用橫縱聯(lián)合支撐的形式，即通過貨物單元設(shè)置的凸起、開口或類似支撐點(diǎn)，來確保抓具能夠找到可靠的抓孔來握持（見圖2），或通過貨品頂部吸盤與全側(cè)面夾持，或通過側(cè)面夾持與底部承托的方式，完成貨品的高速搬運(yùn)。目前，該形式在飲料、生鮮、郵政的按箱整垛揀選（框架伸縮式）以及飲料的混碼按層揀選（夾持式）中應(yīng)用最多。

3）本應(yīng)用項(xiàng)目抓具方案

綜上分析并考慮輪胎的橡膠材質(zhì)，本應(yīng)用項(xiàng)目采用橫向支撐結(jié)構(gòu)形式，采用V形結(jié)構(gòu)（見圖3），通過壓緊力形成的摩擦力完成輪胎的夾緊和搬運(yùn)。其中，半成品輪胎通過抓具外側(cè)的撐壓完成搬運(yùn)，成品輪胎通過抓具內(nèi)側(cè)的夾緊完成存取。

4 桁架機(jī)器人的橫梁結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)

桁架機(jī)器人的橫梁作為X軸運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)軌組件、齒輪齒條傳動(dòng)等組件的安裝底座，承載整個(gè)機(jī)械手的自重、機(jī)械手抓取的外部負(fù)載等載荷，其剛度、強(qiáng)度直接影響整個(gè)設(shè)備的定位精度，故橫梁的設(shè)計(jì)是桁架機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

對(duì)于物流系統(tǒng)的桁架機(jī)器人橫梁結(jié)構(gòu)，由于抓取的貨物質(zhì)量、尺寸均與應(yīng)用于機(jī)床的桁架機(jī)器人橫梁有較大區(qū)別，故橫梁多采用鋼板箱形梁或桁架梁結(jié)構(gòu)。

桁架梁具有自重輕、材料省、造價(jià)低、風(fēng)阻小、便于空間幾何布置等特點(diǎn)，是建筑結(jié)構(gòu)和大型機(jī)械結(jié)構(gòu)中常見的結(jié)構(gòu)形式[2]。由于桁架結(jié)構(gòu)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件多、制造自動(dòng)化程度低、結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)困難，特別是結(jié)合機(jī)械和工程特點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是研究的熱點(diǎn)。

通過對(duì)國內(nèi)外主要廠商在不同應(yīng)用領(lǐng)域中桁架機(jī)器人橫梁結(jié)構(gòu)的研究，總結(jié)出橫梁結(jié)構(gòu)形式。目前，適用于物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)的桁架機(jī)器人橫梁結(jié)構(gòu)主要有單梁和雙梁2種類型，根據(jù)不同的起重量和貨品體積，主要有單梁桁架結(jié)構(gòu)、單梁箱形結(jié)構(gòu)、雙梁桁架結(jié)構(gòu)以及雙梁箱型結(jié)構(gòu)等4種形式。

4.1 單梁桁架結(jié)構(gòu)

如圖4所示，單梁桁架結(jié)構(gòu)采用立體三角形聯(lián)合桁架形式，適用于起重量很小、體積扁平或較小的貨品（質(zhì)量小于100 kg，寬度小于500 mm），目前在易拉罐飲料簡裝的按行揀選以及無輪轂輪胎的緩存揀選均有應(yīng)用。

4.2 單梁箱形結(jié)構(gòu)

如圖5所示，單梁箱形結(jié)構(gòu)主要有焊接箱形梁和方管型材梁，適用于貨品較輕以及體積較小的貨品（質(zhì)量為100～300 kg，寬度小于500 mm），目前在食品雜貨的按框揀選的緩存揀選均有應(yīng)用。

4.3 雙梁桁架結(jié)構(gòu)

如圖6所示，雙梁桁架結(jié)構(gòu)采用立體聯(lián)合桁架和平面簡單桁架結(jié)合的形式，適用于貨品較重且體積較大的貨品（質(zhì)量為100～300 kg，寬度為500～1 500 mm），目前在飲料的混碼按層揀選中有應(yīng)用最多。

4.4 雙梁箱形結(jié)構(gòu)

如圖7所示，雙梁箱形結(jié)構(gòu)有焊接箱形梁和方管型材梁，適用于貨品較重且體積較大的貨品（質(zhì)量為300～600 kg，寬度為500～1 000 mm），目前在飲料、生鮮整框整垛的揀選中應(yīng)用最多。

4.5 本應(yīng)用項(xiàng)目橫梁結(jié)構(gòu)

綜上所述，并考慮輪胎揀選搬運(yùn)的物流需求，本應(yīng)用項(xiàng)目采用單梁箱形結(jié)構(gòu)形式，采用方管型材制作（見圖8），確保強(qiáng)度滿足載荷需求，剛度滿足定位需求。

5 技術(shù)方案

5.1 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

該系統(tǒng)有X、Y、Z等3個(gè)自由度，外觀尺寸為18 000 mm×10 000 mm×6 200 mm（長×高×寬），Z軸行程為2 550 mm，有效載荷為330 kg（按1次整垛抓取8個(gè)帶輪轂輪胎，總計(jì)280 kg，15%設(shè)計(jì)余量），各軸速度為4.2 m/s，加速度為3.8 m/s，重復(fù)定位精度為±1.0 mm。

5.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖9所示，該系統(tǒng)的架體采用300 mm×300 mm、壁厚為12 mm方管型材制作，表面噴涂；X、Y、Z軸驅(qū)動(dòng)，均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)+減速器；采用高精度、大載荷高速導(dǎo)軌、齒輪齒條傳動(dòng)；抓具采用高精度線性導(dǎo)軌傳動(dòng)、氣缸驅(qū)動(dòng)，抓具采用自定中心結(jié)構(gòu)，且具有斷氣保護(hù)功能。抓具指面采用V形結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度碳鋼制作。

6 結(jié)語

目前，桁架機(jī)器人在食品及飲料、電商、快速消費(fèi)品、制造業(yè)、郵政服務(wù)行業(yè)廣泛應(yīng)用，其針對(duì)不同抓取要求實(shí)現(xiàn)按件、按箱以及按層、按垛撿取，開發(fā)低成本高智能化的柔性裝備揀選系統(tǒng)具有良好的市場前景。

本文以工程需求為背景，開展了典型桁架機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過研究桁架機(jī)器人的系統(tǒng)組成，闡述了高速桁架機(jī)器人的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，重點(diǎn)研究了桁架機(jī)器人的抓具結(jié)構(gòu)形式和橫梁結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)的初步技術(shù)方案，為桁架機(jī)器人在物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。