智能空中機械手系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)及倉儲中的應(yīng)用和推廣

文 / 武志杰

流倉儲搬運設(shè)備，通常布置于生產(chǎn)線或倉庫上部區(qū)域，通過其自身配備的橫向驅(qū)動系統(tǒng)、縱向驅(qū)動系統(tǒng)及升降抓取裝置，實現(xiàn)覆蓋X、Y、Z軸的全空間搬運調(diào)度。在生產(chǎn)車間應(yīng)用方面，通過特定的規(guī)劃布置，可以在不影響地面互通性的情況下，完成不同生產(chǎn)線間的無人化調(diào)度。在倉庫應(yīng)用方面，結(jié)合專業(yè)的倉儲管理調(diào)度系統(tǒng)，可以在不配置貨架的情況下，實現(xiàn)類似于常規(guī)立體倉庫的無人化存儲及出入庫自動調(diào)度。

因此，在新型自動化物流倉儲系統(tǒng)中，智能空中機械手系統(tǒng)借助其強大的覆蓋度、巧妙的空間利用率及高精度的智能化調(diào)度，可以實現(xiàn)高效、經(jīng)濟和靈活的無人化生產(chǎn)和倉儲。

一、智能空中機械手的總體結(jié)構(gòu)和特點

智能空中機械手在硬件體系上是一種類行車結(jié)構(gòu)，因此在某些項目中也被稱為智能行車。根據(jù)真實的覆蓋需求和作業(yè)要求，該類設(shè)備主要可分為三維結(jié)構(gòu)機型和二維結(jié)構(gòu)機型。三維結(jié)構(gòu)機型要在車間內(nèi)實現(xiàn)前后、左右、上下三個維度的動作，其結(jié)構(gòu)跟常規(guī)雙梁行車類似，要配置可前后移動的雙梁大車車體及其運行機構(gòu)。在該車體上再布置一小車車體及其運行機構(gòu)來實現(xiàn)左右移動。在小車車體上布置有起升機構(gòu)，負責(zé)升降吊取或抓取貨物。而二維結(jié)構(gòu)機型是在某些作業(yè)環(huán)境下，只需要實現(xiàn)前后（或左右）、上下兩個維度的動作，其結(jié)構(gòu)將更為緊湊，不需配置大車車體及其運行機構(gòu)，由小車車體直接運行在相應(yīng)的軌道上，其余結(jié)構(gòu)不變。

圖1 智能空中機械手系統(tǒng)在鋁材生產(chǎn)車間的應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)上，智能空中機械手與常規(guī)行車最明顯的區(qū)別，在于其起升機構(gòu)下端附著的專用吊具或抓具，可根據(jù)實際抓取的貨物進行匹配設(shè)計，配合相應(yīng)的檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)無人參與情況下自動平穩(wěn)地取放貨。同時，不同于人工參與的吊取作業(yè)，該設(shè)備對于升降過程中的平穩(wěn)性、準(zhǔn)確性，以及調(diào)運貨物過程中的安全性都有極高要求，要配備相應(yīng)的限位及鎖止裝置來保障整個作業(yè)穩(wěn)定運作。如升降機構(gòu)需采用剛性嵌套伸縮結(jié)構(gòu)或柔性驅(qū)動加剪刀臂限位結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)吊具平穩(wěn)、垂直的升降動作，確保抓取動作準(zhǔn)確無偏差。

此外，在軟硬件體系中，還將根據(jù)具體項目的實際情況，在三個動作維度配備激光測距或條碼掃描裝置，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。關(guān)鍵機構(gòu)的減速電機選用變頻控制系統(tǒng)，實現(xiàn)無極調(diào)速及平穩(wěn)啟停。自動抓取吊具上配備貨物探測開關(guān)、載貨開關(guān)、是否成功抓取檢測開關(guān)、貨物條碼掃描裝置等輔助檢測裝置，一系列的保護性、檢測性硬件及配套軟件系統(tǒng)確保設(shè)備可無人化自動運作。

圖2 某板材家具廠應(yīng)用智能空中機械手實現(xiàn)板材自動調(diào)度、組合

圖3 某鋁材廠應(yīng)用智能空中機械手實現(xiàn)產(chǎn)品自動出入庫

二、某鋁材廠擠壓車間智能空中機械手系統(tǒng)自動搬運及倉儲調(diào)度的實現(xiàn)

圖4是某鋁材廠一個擠壓車間從裝框至?xí)r效前后的平面布局圖，主要由擠壓裝框區(qū)、時效作業(yè)區(qū)、地面暫存庫區(qū)、后續(xù)工序?qū)訁^(qū)構(gòu)成。智能空中機械手主要用于實現(xiàn)擠壓裝框區(qū)空框供應(yīng)與滿框收集，滿框送時效爐前并疊放為4框1垛待入爐（見圖5），時效后拆分為單框運走或送至地面指定位置暫存并進行數(shù)據(jù)管理，暫存區(qū)滿框或時效后滿框送至后續(xù)工序?qū)哟a頭等全部環(huán)節(jié)的物流搬運，整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、靈活機動，并在滿足當(dāng)前工藝與產(chǎn)能需求的同時，留有極佳的升級拓展空間。

圖4 擠壓車間后段自動化物流及暫存庫平面布局圖

圖5 擠壓車間后段自動化物流及暫存庫立面示意圖

截至2022年8月，該車間區(qū)域借助智能空中機械手系統(tǒng)已初步實現(xiàn)了生產(chǎn)調(diào)度自動化運轉(zhuǎn)、信息自動采集收錄、區(qū)域內(nèi)各工序間搬運無人化，成為一個可以系統(tǒng)化對接前后工序的智能車間。

車間范圍內(nèi)，各工序具體調(diào)度方式與流程如下：

1.空料框供應(yīng)

生產(chǎn)過程中，當(dāng)擠壓機裝框區(qū)域向上級系統(tǒng)反饋緩存工位需要補充空料框時，智能空中機械手管理調(diào)度系統(tǒng)將命令下發(fā)給智能空中機械手，令其從待命位置運行至區(qū)域內(nèi)暫存的空料框或后端空料框碼頭上部，自動吊取空料框至指定空框緩存碼頭。

2.滿托盤搬運

擠壓機裝框區(qū)域裝框完成，輸送至滿框緩存碼頭時，向上級系統(tǒng)反饋請求搬運信號，智能空中機械手管理調(diào)度系統(tǒng)將調(diào)度空中機械手自動吊取該滿框料，隨后根據(jù)系統(tǒng)中對其后續(xù)工序的安排，搬運至?xí)r效爐待入爐區(qū)或地面暫存區(qū)指定位置。

3.時效爐出入拆、疊垛及搬運

對于生產(chǎn)管理系統(tǒng)指定要入爐時效的滿框料，智能空中機械手會精準(zhǔn)吊取并將其送往待入爐區(qū)，并自動完成疊垛（4框1垛），該作業(yè)循環(huán)進行，直到該次入爐物料全部在待入爐區(qū)疊好（本項目通常為3垛共12框），整體輸入爐中，開啟時效作業(yè)。時效結(jié)束出爐后，智能空中機械手根據(jù)管理系統(tǒng)反饋的每框料的后續(xù)工序走向，依次自動拆垛后送至后工序碼頭或者地面暫存位。

4.地面暫存庫管理及搬運

對于擠壓后或時效后因工藝或排產(chǎn)等原因，暫不進入后續(xù)工序，需要暫存一段實際的滿框料，可以由智能空中機械手系統(tǒng)將其在該區(qū)域的地面空閑區(qū)有序疊垛存放。借助強大的管理調(diào)度系統(tǒng)，并與成熟的立體倉儲管理系統(tǒng)有機結(jié)合后，可以在該區(qū)域形成一個可靈活調(diào)整布置貨位的自動化立體倉庫，其管理、調(diào)度都如常規(guī)立體倉庫一樣，全自動完成。同時，因其不受固定貨架的限制，可以在客戶需要的情況下，自由調(diào)度劃分，將其中的部分區(qū)域劃撥出作為理料或整形等其他功能區(qū)，靈活性極強，是常規(guī)立體倉庫不可比的。在該項目中，按目前空閑區(qū)域全部作為暫存庫來使用的話，如堆疊4層，可實現(xiàn)約120框的空、滿框儲量。

表1三種模式的主要指標(biāo)對比表

三、智能空中機械手系統(tǒng)在項目應(yīng)用中的技術(shù)創(chuàng)新點和競爭優(yōu)勢

1.利用空間交錯實現(xiàn)的強大兼容性

常規(guī)的物流輸送系統(tǒng)主要通過地面輸送機、穿梭車的合理布置與組合來實現(xiàn)各工序的對接，對于一些現(xiàn)場空間緊張、生產(chǎn)設(shè)備滿布的車間，通常很難有理想的空間用于輸送設(shè)備布置，或者在一些無法避免人工參與作業(yè)的環(huán)境下，輸送設(shè)備布置后將地面分割為多個小區(qū)塊，導(dǎo)致很多位置地面工作人員、叉車等無法到達，為日常工作和后續(xù)維保帶來很大麻煩。

而智能空中機械手主體結(jié)構(gòu)運行在車間生產(chǎn)設(shè)備上部，可根據(jù)實際情況布置于廠房預(yù)留的行車軌道上或獨立搭設(shè)的支撐框架上。在不占用地面空間、不打斷地面人車通道的情況下，通過升降機構(gòu)與專用機械抓手，在工作覆蓋范圍內(nèi)自動調(diào)運貨物至各個點位。

2.獨特的取放貨模式衍生的多功能性

常規(guī)的物流輸送設(shè)備，功能相對單一，要完成全流程的生產(chǎn)對接，通常經(jīng)過多個環(huán)節(jié)、通過匹配多臺不同功能的設(shè)備來完成。以前述鋁材廠擠壓車間為例，如果采用常規(guī)自動化物流輸送模式，需要在時效爐前后各配備一臺雙工位穿梭車，同時要在入爐前配置專用的疊框設(shè)備，出爐后配置專用的拆框設(shè)備，在這個過程中，專用設(shè)備與穿梭車要多次對接，重復(fù)的上下車動作勢必造成作業(yè)能力的損失。

而選用智能空中機械手系統(tǒng)后，僅需布置一臺智能空中機械手，可以不受生產(chǎn)設(shè)備布置的干擾，自由在整個區(qū)域內(nèi)調(diào)度搬運，完成常規(guī)方案中因時效爐前后無法互通而必須兩臺穿梭車配合才能完成的搬運任務(wù)。更重要的一點是，因其取放貨為自動從上部抓取，在面對鋁材時效這種需要先疊后拆的作業(yè)需求時，無需借助其他設(shè)備，空中機械手自身即可精準(zhǔn)、安全地完成爐前疊垛和爐后拆垛作業(yè)，從而大大節(jié)約設(shè)備成本和地面空間。

3.新思路拓展衍生出的新模式自動化倉庫

在常規(guī)的鋁材廠擠壓車間，有部分半成品物料在去往后續(xù)工序之前通常因為排產(chǎn)或工藝要求需要暫存一段時間。行業(yè)內(nèi)面對這樣的需求時，一般有以下兩種模式：

第一種模式是借助行車或叉車將這部分物料疊放于車間內(nèi)空閑的區(qū)域，這樣雖可達到暫存目的，但帶來三個問題：一是人工堆疊存放無法有效管理物料，經(jīng)常在需要特定物料料框時，要耗費大量人力和時間來尋找；二是人工堆疊的料框，在需要取走頂層或底層物料料框時，需要人工攀爬掛鉤，在這個過程中具有很大的安全隱患；三是人工堆疊存放要留有足夠的通道，以方便叉車、板車等回轉(zhuǎn)進出，以及物料出入交互，會浪費較大的廠房空間。

第二種模式是在廠房中規(guī)劃巷道式半成品立體倉庫，專門用于半成品物料的存放。這種模式相較第一種模式有了很大進步，可以獲得理想的儲量，同時因為自動化系統(tǒng)的介入，不存在物料難以尋找的問題，也可以通過特定的輸送設(shè)備與前后產(chǎn)線進行拓展對接。此種模式存在的問題是：一是對場地要求比較高，很多客戶在生產(chǎn)線附近無法找出一塊適合建設(shè)立庫的場地，需要另擇專門的車間來規(guī)劃建設(shè)，如果建設(shè)位置較遠，又將帶來高額的搬運成本；二是常規(guī)立體倉庫是一套完整的系統(tǒng)工程，從地面承載、廠房高度、配套的貨架結(jié)構(gòu)到及相應(yīng)的堆垛機及出入庫穿梭車、輸送機等，都需要較大投資。很多客戶在對比人工地面存儲與立體倉庫的綜合成本及投資回報后，很難下定決心選用該種模式。

面對以上諸多痛點，全新開發(fā)的智能空中機械手系統(tǒng)，將成為一種極具競爭力的新模式。從控制角度來說，智能空中機械手系統(tǒng)融合了RGV調(diào)度系統(tǒng)和立體倉庫管理系統(tǒng)的精華?？罩袡C械手在生產(chǎn)設(shè)備上部運轉(zhuǎn)，如同一個全覆蓋的穿梭車，可以從整個區(qū)域內(nèi)任意點位取放料框。同時在地面空閑區(qū)域，由系統(tǒng)規(guī)劃出虛擬的貨位，可精確將料框放到指定點位，并借助其可自動疊、拆垛的功能，將料框疊放到一定層數(shù)，來實現(xiàn)儲量的放大。此外，由于配備了脫胎于立體倉庫管理系統(tǒng)的倉儲管理系統(tǒng)，所有料框的信息和位置都準(zhǔn)確的保存在系統(tǒng)中，后續(xù)需要取用某一框料時，系統(tǒng)可以迅速準(zhǔn)確的標(biāo)定出此料框，并由空中機械手自動完成拆垛、倒料等動作，并最終將其調(diào)運至指定位置。在投資規(guī)模上，此種模式在整個作業(yè)過程中，需要的設(shè)備數(shù)量少，無需額外的土建及貨架投資，是一種性價比極佳的物流倉儲模式。

表1是針對前述擠壓車間項目，選用上述三種模式搭建暫存庫的主要指標(biāo)對比，可見綜合評估下，智能空中機械手系統(tǒng)倉庫更適用于該項目。

選用智能空中機械手系統(tǒng)后，在特定區(qū)域需要配備空中機械手的臺數(shù)，每臺空中機械手的主要配置參數(shù)等等，都與客戶的真實需求密不可分，應(yīng)依托于專業(yè)的設(shè)備作業(yè)能力計算。

圖6為對前述擠壓車間智能空中機械手系統(tǒng)進行的效率計算。此計算模型基于FEM9.851中對巷道立體倉庫堆垛機效率的計算模式，結(jié)合智能空中機械手在常規(guī)搬運和自動化倉儲作業(yè)中的搬運和調(diào)度特點深化衍變而來。需要注意的是，實際搬運調(diào)度作業(yè)中，尤其是作為空中機械手自動化倉庫使用時，不同項目因存放品類和批次不同，需要倒料的次數(shù)不同，則對應(yīng)的計算模型需進行相應(yīng)修正和補充，此處不再贅述。（圖6所示計算模型中，預(yù)設(shè)每垛平均倒料次數(shù)為一次。）

圖6 智能空中機械手效率計算

4.加持先進控制管理系統(tǒng)的智能化設(shè)備體系

智能空中機械手系統(tǒng)最核心的亮點不在于硬件，而在于其先進的智能化、自動化和信息化水平。作為整個智能物流倉儲系統(tǒng)的大腦和中樞，WMS系統(tǒng)是決定項目能否成功的關(guān)鍵。自動化物流倉儲規(guī)劃建設(shè)企業(yè)，在該類設(shè)備體系的開發(fā)上具有絕對優(yōu)勢。

在前述鋁材廠擠壓車間物流項目中，我們采用的管理控制系統(tǒng)是依托眾多全廠智能化物流設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)以及自動化立體倉庫WMS系統(tǒng)的成功實施經(jīng)驗，融合開發(fā)而成的WT-WMS－空中機械手倉儲管理控制系統(tǒng)V2.0，該系統(tǒng)包括iWMS系統(tǒng)、RF采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)、點陣屏控制系統(tǒng)、接口系統(tǒng)等，見圖7。

圖7 智能空中機械手倉儲管理控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)充分吸收了立體倉庫管理調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)點，使智能空中機械手具備如巷道堆垛機一般的穩(wěn)定可靠性和各運行維度精準(zhǔn)性。在倉儲信息管理與交互方面，也與成熟的立體倉庫一樣，可以根據(jù)需求與企業(yè)的ERP、MES系統(tǒng)無縫對接，做到倉庫作業(yè)條碼化、作業(yè)過程透明化、庫存管理精準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)采集自動化和倉庫信息集成化，為企業(yè)打造一個扎實、可靠、全面、可行的協(xié)同管理平臺。

四、總結(jié)

通過前述鋁材廠擠壓車間自動化物流倉儲項目中，對智能空中機械手的實際應(yīng)用和探索。可以發(fā)現(xiàn)，在某些特定應(yīng)用場景下，智能空中機械手可作為常規(guī)自動化物流倉儲系統(tǒng)的有效補充和替代方案，其靈活的自動化搬運能力和自動化倉儲搭建能力，都將成為其獲得市場認可和選擇的核心因素。該設(shè)備及其配套系統(tǒng)將有望成為繼自動化立體倉庫、地面自動化物流輸送系統(tǒng)后，又一具有巨大市場需求和潛力的產(chǎn)品體系，未來必將在自動化物流倉儲行業(yè)得到廣泛應(yīng)用與推廣。