文 / 張春雨
軟包印刷企業(yè)屬于典型離散型制造業(yè),產(chǎn)品的生產(chǎn)主要由印前、印中、印后等工序構(gòu)成;印刷產(chǎn)品具有多品種、小批量、多批次的特點(diǎn),使其各工序之間涉及大量的物料轉(zhuǎn)運(yùn),導(dǎo)致工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、招工難、管理混亂、效率低,這就需要軟包印刷企業(yè)對(duì)工廠進(jìn)行自動(dòng)化、數(shù)字化、智能物流升級(jí)或改造,逐步實(shí)施少人化或無(wú)人化的智慧型工廠;智能物流向產(chǎn)業(yè)化細(xì)分行業(yè)發(fā)展,不同的軟包印刷企業(yè)對(duì)智能物流設(shè)備的使用存在較大的差異。因此物流裝備企業(yè)需要熟悉印刷企業(yè)的工藝要求和業(yè)務(wù)流程以及技術(shù)特點(diǎn),了解印刷行業(yè)和智能化物流技術(shù)發(fā)展趨勢(shì);隨著軟包印刷企業(yè)對(duì)智能物流的深入了解及自身企業(yè)的業(yè)務(wù)形態(tài)分析和細(xì)化物流在各工序之間的應(yīng)用,移動(dòng)機(jī)器人(AGV/AMR)是未來(lái)智能物流搬運(yùn)的柔性化發(fā)展方向,為軟包印刷企業(yè)從傳統(tǒng)工廠到智能工廠的升級(jí)改造提供一種建設(shè)性思路。
對(duì)于現(xiàn)代軟包印刷企業(yè)來(lái)講,合理規(guī)劃生產(chǎn)布局和物流搬運(yùn)非常必要。合理的生產(chǎn)布局要以生產(chǎn)工藝流程(如圖1)為基礎(chǔ)來(lái)規(guī)劃和布局生產(chǎn)設(shè)備的空間位置,同時(shí)要兼容生產(chǎn)所需的物料以及各工序之間物料周轉(zhuǎn)的物流空間;物流規(guī)劃除了與整體新建廠房或現(xiàn)有廠房的結(jié)構(gòu)空間布局有關(guān)外,還要考慮生產(chǎn)設(shè)備的使用功能及特點(diǎn),減少不必要的物流搬運(yùn)互相交叉作業(yè),避免影響整廠或整車間的生產(chǎn)效率,增加人工的勞動(dòng)強(qiáng)度。
圖1 軟包印刷企業(yè)的生產(chǎn)物流
在新建廠房或改造現(xiàn)有車間的智能物流規(guī)劃時(shí),主要是按照生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝流程多考慮U型布局或受布局空間的局限性可以考慮L型。布局的生產(chǎn)設(shè)備、物料搬運(yùn)、物料周轉(zhuǎn)的緩存等,可以減少不必要的因產(chǎn)品種類多、工藝不同所產(chǎn)生的物流搬運(yùn)交叉,達(dá)到物流搬運(yùn)時(shí)間短、減少中間緩存的效果。生產(chǎn)制造和物流搬運(yùn)布局的合理性和先進(jìn)性,是印刷企業(yè)對(duì)智能物流系統(tǒng)建設(shè)的長(zhǎng)期發(fā)展方向。
智能物流是軟包印刷企業(yè)重要的組成部分,作為傳統(tǒng)離散型制造業(yè)的軟包印刷企業(yè),也深受智能制造、智能物流、智能生產(chǎn)、智能工廠的理論體系的啟發(fā)。智能物流系統(tǒng)是連接生產(chǎn)各個(gè)工序之間、車間之間、倉(cāng)儲(chǔ)之間的物流搬運(yùn)系統(tǒng);在軟包印刷行業(yè)中引入智能物流搬運(yùn)移動(dòng)機(jī)器人,為軟包印刷企業(yè)在生產(chǎn)與物流搬運(yùn)環(huán)節(jié)提供了更柔性化的智能物流解決方案。
智能移動(dòng)機(jī)器人基于信息化技術(shù)、3D視覺技術(shù)、控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化,驅(qū)動(dòng)軟包印刷企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化升級(jí)和改造。移動(dòng)機(jī)器人調(diào)度控制系統(tǒng)與MES、WMS等管理系統(tǒng)協(xié)作,通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中調(diào)度、監(jiān)控、管理、以及運(yùn)行狀態(tài)。移動(dòng)機(jī)器人具有管理系統(tǒng)化、操作信息化、作業(yè)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)智慧化、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同化、布局柔性化等突出特點(diǎn)(如圖2)。
圖2 印刷機(jī)上下料移動(dòng)機(jī)器人
(1)管理系統(tǒng)化
智慧物流系統(tǒng)是通過(guò)WMS、WCS等管理系統(tǒng)進(jìn)行集中管理,集成調(diào)度,并與印刷各個(gè)工序、人力資源、器具、信息數(shù)據(jù)等集成在一起進(jìn)行統(tǒng)一管理控制。
(2)操作信息化
智能移動(dòng)機(jī)器人一般不需要人工直接參與,通過(guò)終端系統(tǒng)進(jìn)行管理控制,管理人員僅需錄入相關(guān)信息,監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)感知識(shí)別信息并執(zhí)行作業(yè)活動(dòng)。
(3)作業(yè)自動(dòng)化
智能移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用于軟包印刷印中工序的放卷和收卷,能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)存放等作業(yè)活動(dòng),作業(yè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化,作業(yè)效率大大提升。
(4)數(shù)據(jù)智慧化
智能移動(dòng)機(jī)器人在執(zhí)行作業(yè)過(guò)程中,能夠?qū)崟r(shí)記錄作業(yè)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)信息上傳至信息管理系統(tǒng),通過(guò)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)管理與分析,處理各項(xiàng)運(yùn)行控制與管理決策活動(dòng)。(5)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同化
智能移動(dòng)機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)與企業(yè)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)等有機(jī)對(duì)接,形成一種智慧物流鏈,使企業(yè)的物流系統(tǒng)智能化。
(6)布局柔性化
軟包印刷企業(yè)可以根據(jù)不同的工序場(chǎng)景實(shí)施布局和落地,也可根據(jù)企業(yè)發(fā)展的需要增加物流裝備及機(jī)器人的數(shù)量。
定位對(duì)接:確定上下料移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)行環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置及航向;
環(huán)境感知與建模:根據(jù)多種傳感器識(shí)別多種環(huán)境信息;
路徑規(guī)劃:環(huán)境已知的全局路徑規(guī)劃,基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃;
導(dǎo)航:當(dāng)前同步定位與建模技術(shù)SLAM導(dǎo)航;
避障:行駛中通過(guò)傳感器感知到靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物體時(shí),能有效地避障。
圖33 D視覺對(duì)接相機(jī)
移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)主要包括:額定承載、搬運(yùn)物料規(guī)格、最大轉(zhuǎn)彎直徑、階梯舉升高度、行駛速度、對(duì)接補(bǔ)償空間距離等。如表1所示。
表1 上下料移動(dòng)機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)
移動(dòng)機(jī)器人智能系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行、物料對(duì)接等環(huán)節(jié)的安全檢測(cè),是移動(dòng)機(jī)器人正常運(yùn)轉(zhuǎn)的先決條件,也是重點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)象?;谝苿?dòng)機(jī)器人的智能物流調(diào)度系統(tǒng)在搬運(yùn)場(chǎng)景的控制,安全檢測(cè)主要從車體本身、與車體對(duì)接機(jī)臺(tái)上下料裝置兩方面考慮。
移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行安全防護(hù)有以下幾個(gè)方面:
(1)非接觸式防護(hù)
移動(dòng)機(jī)器人標(biāo)配安全避障激光和視覺避障相機(jī),可設(shè)定閾值實(shí)現(xiàn)減速、緩?fù)?、急停三?jí)保護(hù),該安全措施可在非盲區(qū)范圍內(nèi)避免碰撞發(fā)生。藍(lán)芯科技有限公司自主研發(fā)的視覺避障傳感器產(chǎn)品Eagle系列深度相機(jī),集成了320×240像素的TOF深度傳感器,廣泛適用各種工業(yè)場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)深度數(shù)據(jù)采集;移動(dòng)機(jī)器人使用識(shí)別、檢測(cè)、定位等功能;相機(jī)橫向探測(cè)角度為108°,縱深探測(cè)角度為80°,視覺避障范圍在0.3~3m測(cè)距范圍。(2)接觸式防護(hù)
即安全觸邊,當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞并觸發(fā)安全觸邊,移動(dòng)機(jī)器人將采取急停措施,該安全措施起到避免二次傷害。
(3)聲光報(bào)警與急停按鈕防護(hù)
移動(dòng)機(jī)器人正常行駛時(shí)會(huì)有三色燈和音樂(lè)喇叭提醒行人注意避讓;移動(dòng)機(jī)器人上設(shè)有位置明顯易見的急停開關(guān)。
移動(dòng)機(jī)器人依托AI技術(shù)+3D視覺識(shí)別技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)對(duì)接軟包印刷機(jī)臺(tái)的上下料卷的氣脹軸中心對(duì)位,自動(dòng)檢測(cè)印刷機(jī)臺(tái)氣脹軸的姿態(tài)來(lái)控制上下料機(jī)器人的托舉裝置在X、Y、Z軸方向的補(bǔ)償空間距離。
藍(lán)芯科技有限公司自主研發(fā)的悟空系列產(chǎn)品(如圖3),產(chǎn)品采用結(jié)構(gòu)光技術(shù),實(shí)現(xiàn)大視野三維信息獲取,并提供坐標(biāo)完全一致的深度和強(qiáng)度圖像,可廣泛使用于各種工業(yè)場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)高精度三維信息獲取,可單獨(dú)使用實(shí)現(xiàn)識(shí)別、檢測(cè)、定位等功能。如表2所示。
表2 對(duì)接相機(jī)產(chǎn)品參數(shù)規(guī)格表
(1)輸出特性
3D視覺采集待測(cè)對(duì)象,并輸出深度圖,提供簡(jiǎn)單的接口可直接獲取強(qiáng)度圖、深度圖、偽彩色深度圖和點(diǎn)云圖像,所有圖像坐標(biāo)系嚴(yán)格對(duì)齊,分辨率為1280×1024。支持高動(dòng)態(tài)范圍模式,可靈活配置參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同反射率物體的測(cè)量;匹配特有處理算法在小幅抖動(dòng)下快速獲取準(zhǔn)確的三維信息。
(2)視覺探測(cè)范圍
3 D視覺探測(cè)區(qū)域示意圖(如圖4),相機(jī)橫向探測(cè)角度為55°,縱向探測(cè)角度為45°,最佳實(shí)用距離550mm。
圖4 3D視覺探測(cè)區(qū)域示意圖
(3)產(chǎn)品特征
3D視覺具有精度高、速度快、工作無(wú)間歇、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、柔性高,支持不同型號(hào)產(chǎn)品等特點(diǎn);操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)易維護(hù)、智能分析、精準(zhǔn)識(shí)別(如圖5)。
圖5 3D視覺相機(jī)機(jī)臺(tái)對(duì)接
精確定位:采用激光SLAM自主定位導(dǎo)航,支持二次定位,定位更準(zhǔn)確;
精準(zhǔn)對(duì)接:采用自主研發(fā)3D視覺對(duì)接,托舉機(jī)構(gòu)支持前后右左平移;
全向底盤:采用舵輪驅(qū)動(dòng),移動(dòng)更靈活;
自研核心:采用自主研發(fā)的主控及業(yè)務(wù)模塊,集成化高,穩(wěn)定性;
安全防護(hù):采用3D視覺避障,智能檢測(cè)低矮障礙物,行駛更安全。
在軟包印刷企業(yè),由生產(chǎn)管理系統(tǒng)或單獨(dú)機(jī)臺(tái)下達(dá)任務(wù)指令,移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與機(jī)臺(tái)信息的交互對(duì)接,并根據(jù)任務(wù)類型自動(dòng)調(diào)度移動(dòng)機(jī)器人完成印刷機(jī)臺(tái)的放卷和收卷任務(wù);移動(dòng)機(jī)器人與機(jī)臺(tái)的放卷動(dòng)作流程與收卷動(dòng)作流程類似,動(dòng)作流程如圖6所示。
圖6 移動(dòng)機(jī)器人放卷和收卷動(dòng)作流程
移動(dòng)機(jī)器人對(duì)接機(jī)臺(tái)放卷:動(dòng)作示意如圖7-a所示,移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)WCS(Warehouse Control System)控制系統(tǒng)任務(wù)指令,通過(guò)RCS調(diào)度系統(tǒng)上下料機(jī)器人執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)移動(dòng)至印刷機(jī)臺(tái)上料點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人對(duì)印刷機(jī)臺(tái)內(nèi)的異物進(jìn)行安全檢測(cè),安全檢測(cè)后移動(dòng)機(jī)器人打開3D相機(jī)擺臂至到位,托舉機(jī)構(gòu)升高一定高度(圖7-a-放卷動(dòng)作1);移動(dòng)機(jī)器人的托舉機(jī)構(gòu)調(diào)整X、Y、Z軸方向的空間距離,印刷機(jī)臺(tái)的氣脹軸自動(dòng)伸出至頂住卷料軸芯內(nèi)側(cè)(圖7-a-放卷動(dòng)作2);印刷機(jī)臺(tái)的氣脹軸夾緊確認(rèn)后,移動(dòng)機(jī)器人的3D相機(jī)擺臂回位,托舉機(jī)構(gòu)先下降后歸位(圖7-a-放卷動(dòng)作3),移動(dòng)機(jī)器人退出印刷機(jī)臺(tái)上料點(diǎn),任務(wù)結(jié)束移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行下一任務(wù)。
圖7-a 移動(dòng)機(jī)器人對(duì)接機(jī)臺(tái)放卷示意圖
移動(dòng)機(jī)器人對(duì)接機(jī)臺(tái)收卷:動(dòng)作示意如圖7-b所示,移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)WCS控制系統(tǒng)任務(wù)指令,通過(guò)RCS調(diào)度系統(tǒng)上下料機(jī)器人執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)移動(dòng)至印刷機(jī)臺(tái)下料點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人對(duì)印刷機(jī)臺(tái)內(nèi)的異物進(jìn)行安全檢測(cè),安全檢測(cè)后移動(dòng)機(jī)器人打開3D相機(jī)擺臂至到位,托舉機(jī)構(gòu)升高一定高度(圖7-b-收卷動(dòng)作1);移動(dòng)機(jī)器人的托舉機(jī)構(gòu)調(diào)整X、Y、Z軸方向的空間距離,托舉機(jī)構(gòu)升高直至接觸卷料后停下;印刷機(jī)臺(tái)的氣脹軸縮回直至原始狀態(tài)(圖7-b-收卷動(dòng)作2);印刷機(jī)臺(tái)的氣脹軸至原始狀態(tài)確認(rèn)后,移動(dòng)機(jī)器人的3D相機(jī)擺臂回位,托舉機(jī)構(gòu)先下降后歸位(圖7-b-收卷動(dòng)作3),移動(dòng)機(jī)器人退出印刷機(jī)臺(tái)下料點(diǎn),任務(wù)結(jié)束移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行下一任務(wù)。
圖7-b 移動(dòng)機(jī)器人對(duì)接機(jī)臺(tái)收卷示意圖
移動(dòng)機(jī)器人接受MES、WMS頂端系統(tǒng)層下達(dá)的有關(guān)命令或分發(fā)的任務(wù)信息,將采集到的信息通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)反饋給上層控制中的中間環(huán)節(jié),印刷機(jī)臺(tái)控制系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)局域網(wǎng)完成組網(wǎng),使得移動(dòng)機(jī)器人能夠在任何情況下,都能直接或間接(通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人服務(wù)器等方式)與印刷機(jī)臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊,以實(shí)時(shí)獲取印刷機(jī)臺(tái)控制系統(tǒng)發(fā)出的狀態(tài)指令;移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收或反饋給印刷機(jī)臺(tái)的控制系統(tǒng)(如圖8)。
圖8 移動(dòng)機(jī)器人通訊對(duì)接
機(jī)器人與印刷機(jī)臺(tái)的通訊對(duì)接考慮印刷企業(yè)的設(shè)備控制系統(tǒng)與廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,如印刷機(jī)臺(tái)的控制系統(tǒng)可以直接通訊,直接與移動(dòng)機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)對(duì)接;如印刷機(jī)臺(tái)的控制系統(tǒng)不能直接通訊,印刷機(jī)臺(tái)需加設(shè)PLC控制器,與印刷機(jī)臺(tái)控制單元進(jìn)行I/O交互,使之完成放卷和收卷指令的通訊對(duì)接(如圖9)。
圖9 移動(dòng)機(jī)器人與機(jī)臺(tái)模塊對(duì)接
移動(dòng)機(jī)器人的控制調(diào)度系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人的核心,采用集中控制方式,滿足印刷企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求;系統(tǒng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)對(duì)接,任務(wù)指令下達(dá)和報(bào)告移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行情況。移動(dòng)機(jī)器人控制調(diào)度系統(tǒng)可實(shí)時(shí)調(diào)度在線移動(dòng)機(jī)器人的同時(shí),系統(tǒng)工作狀態(tài)在屏幕上顯示。
軟包印刷企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)物流空間有限,線路規(guī)劃會(huì)與印刷設(shè)備干涉,在有限空間內(nèi)結(jié)合上下料機(jī)器人本體的外形尺寸、輪系位置及可調(diào)速度等特性,采用柔性曲線或直角平移曲線,能夠在規(guī)劃路線時(shí)自動(dòng)分析路線的坐標(biāo),把路線分成若干坐標(biāo)距離和機(jī)器人的控制的優(yōu)化,使移動(dòng)機(jī)器人的行駛路徑符合現(xiàn)場(chǎng)印刷機(jī)臺(tái)對(duì)接要求(如圖11)。
圖10 移動(dòng)機(jī)器人放卷和收卷部分應(yīng)用場(chǎng)景
圖11 移動(dòng)機(jī)器人控制調(diào)度系統(tǒng)界面
移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人工作狀態(tài)管理、地圖智能路徑規(guī)劃、移動(dòng)機(jī)器人通訊管理、移動(dòng)機(jī)器人設(shè)備管理和信息交互管理。通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人控制調(diào)度系統(tǒng)模塊進(jìn)行整合、協(xié)同運(yùn)作、調(diào)度等。
路徑規(guī)劃是對(duì)軟包印刷各個(gè)工序的實(shí)際工作條件進(jìn)行最優(yōu)的路徑選擇,將移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡以適當(dāng)?shù)谋壤s小,并且將移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的路線動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)在地圖模塊上。
移動(dòng)機(jī)器人搬運(yùn)點(diǎn)位的更改及位置信息由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備物理地圖、RCS 邏輯地圖構(gòu)成。RCS 邏輯地圖通過(guò)導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備物理地圖,更新工序之間的上下料對(duì)接點(diǎn)的物理位置,在此基礎(chǔ)上更新位置的業(yè)務(wù)屬性,最終完成搬運(yùn)路線和點(diǎn)位的改變。
移動(dòng)機(jī)器人的信息管理和任務(wù)查詢是根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)信息、產(chǎn)線叫料需求,系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)度和分配生產(chǎn)任務(wù);移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)和運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳終端系統(tǒng);移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行調(diào)度任務(wù)的編號(hào)、起點(diǎn)終點(diǎn)坐標(biāo)以及調(diào)度任務(wù)的優(yōu)先程度,調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)任務(wù)指令時(shí)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)在任務(wù)工作表中自動(dòng)記錄本次任務(wù)信息。
智能調(diào)度系統(tǒng)是通過(guò)調(diào)度系統(tǒng)和多臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人的傳輸信息進(jìn)行交互,車輛數(shù)據(jù)庫(kù)中上傳移動(dòng)機(jī)器人的車輛信息,在調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中可以查詢移動(dòng)機(jī)器人的編號(hào)、剩余電量、運(yùn)行狀態(tài)和當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)及所在的位置,并能夠?qū)崟r(shí)查詢移動(dòng)機(jī)器人的工作進(jìn)度。
通過(guò)在軟包印刷企業(yè)建設(shè)智能化物流系統(tǒng),對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的功能及應(yīng)用進(jìn)行了描述;智能移動(dòng)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)的成熟與升級(jí),為實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)物流優(yōu)化、廠內(nèi)信息化管理,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,幫助企業(yè)降本增效和轉(zhuǎn)型升級(jí)提供參考依據(jù)。