書帖自動(dòng)倉儲(chǔ)運(yùn)輸設(shè)備的研究

龍俊，何邦貴，王超，李秋麗，張朝亮

（1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650000；2.云南新華印刷五廠有限責(zé)任公司，昆明 650100；3.云南印刷技術(shù)研究有限公司，昆明 650231）

書刊是文化傳承和獲取知識的重要載體。隨著自媒體和電子讀物的不斷發(fā)展，紙質(zhì)圖書的市場已經(jīng)越來越少，然而中小學(xué)教科書仍以紙質(zhì)圖書為主，中小學(xué)教材的生產(chǎn)主要有制版、印刷、裝訂三大環(huán)節(jié)。隨著科技的發(fā)展，雖然印刷工藝與技術(shù)不斷地創(chuàng)新與進(jìn)步，一部分的企業(yè)已經(jīng)完成了生產(chǎn)設(shè)備與工藝流程的改造，但由于工藝流程之間的機(jī)械聯(lián)系不連續(xù)、沒有工藝控制等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)還有大量的人力重復(fù)性勞動(dòng)，生產(chǎn)效率低[1]。文中對現(xiàn)有書刊生產(chǎn)中書帖的倉儲(chǔ)方式進(jìn)行分析，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)改造傳統(tǒng)企業(yè)的生產(chǎn)體系，構(gòu)建書刊企業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的目標(biāo)，為國內(nèi)書刊企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化改造提供參考。

1 書刊生產(chǎn)中的書帖倉儲(chǔ)現(xiàn)狀和存在的問題

1.1 工藝流程

書刊成品都要經(jīng)過印前制版、印刷和印后加工三大工序。云南國方印刷有限公司的書刊生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示[2]。

圖1 書刊生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process of books and periodicals

圖2 書帖儲(chǔ)存區(qū)Fig.2 Book storage area

1.2 現(xiàn)有書帖的倉儲(chǔ)方式及存在的問題

1.2.1 現(xiàn)有的倉儲(chǔ)方式

目前使用的倉儲(chǔ)方式是木制的托盤，以托盤為中介物用于書帖的儲(chǔ)存，人工使用叉車將其運(yùn)到空閑處放置并貼上標(biāo)簽以便識別。具體使用過程為：印帖經(jīng)過折頁機(jī)折頁的書帖自動(dòng)累積成100 帖一摞的書帖后，工人便會(huì)將這一摞書帖以縱橫交錯(cuò)的方式堆碼在托盤上，待書帖堆碼到1.5 m 左右工人便在書帖上放置一張產(chǎn)品標(biāo)識單以便識別書帖類別、名稱；然后由工人將托盤運(yùn)至空地進(jìn)行儲(chǔ)存。當(dāng)需要配帖時(shí)，工人去儲(chǔ)存區(qū)尋找所需配帖的書帖，然后將其運(yùn)輸?shù)脚涮麢C(jī)前。

1.2.2 存在的問題

通過對國方印刷廠進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以現(xiàn)有的書帖倉儲(chǔ)方式進(jìn)行儲(chǔ)存會(huì)出現(xiàn)人工搬運(yùn)、占地面積使用率不高、儲(chǔ)存區(qū)擁擠、空間利用率低、不方便自動(dòng)化及信息化管理生產(chǎn)等問題。

人工搬運(yùn)：運(yùn)輸工人將堆碼好的書帖用叉車運(yùn)轉(zhuǎn)至可存放半成品的空地（半成品區(qū)域）上儲(chǔ)存，待裝訂時(shí)又將書帖搬運(yùn)至配頁機(jī)旁進(jìn)行配帖。

存儲(chǔ)區(qū)擁擠：堆碼好的書帖由工人用叉車運(yùn)輸?shù)綍麅?chǔ)存區(qū)（空閑區(qū)域）擺放，沒有規(guī)律沒有順序的擺放，書帖也沒有固定的儲(chǔ)存區(qū)域，完全靠工人的眼力看到哪里有空位就放在哪里。

自動(dòng)化和信息化程度低：靠產(chǎn)品標(biāo)識單來識和尋找書帖，這種方式不但耗時(shí)耗力且效果不佳。在配帖時(shí)需要花費(fèi)大量的時(shí)間尋找所需的書帖，如果產(chǎn)品標(biāo)識單丟失就需要工人去一個(gè)一個(gè)查看書帖內(nèi)容來判斷是否為所需書帖，需要花費(fèi)更多的時(shí)間去尋找。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，隨著自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，促進(jìn)了我國印刷企業(yè)向自動(dòng)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的過渡。一部分企業(yè)雖然完成了生產(chǎn)設(shè)備與工藝流程的改造[3-4]。但由于工藝流程之間的機(jī)械聯(lián)系不連續(xù)、沒有工藝控制等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)還有大量的人力重復(fù)性勞動(dòng)、生產(chǎn)效率低[5]。我國的大部分書刊印刷企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、工藝流程與其他國家的先進(jìn)企業(yè)的相比還是較落后[6-8]。

閱讀書帖倉儲(chǔ)相關(guān)的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，只有楊琛等[9-10]設(shè)計(jì)了一套關(guān)于書帖倉儲(chǔ)的方案。該方案利用閑置的空間，以集收帖、倉儲(chǔ)和運(yùn)輸為一體的連接方案，并且使得現(xiàn)有印刷加工環(huán)節(jié)與印后裝訂環(huán)節(jié)有效地串聯(lián)起來。但綜合考慮國方印刷廠現(xiàn)有的場地設(shè)施、經(jīng)濟(jì)情況發(fā)現(xiàn)，楊琛的方案并不適用于國方這樣的中小型印刷廠。

因此，設(shè)計(jì)一套適用于中小型企業(yè)的自動(dòng)倉儲(chǔ)設(shè)備是現(xiàn)代書刊印刷企業(yè)所迫切需要的。

3 自動(dòng)倉儲(chǔ)設(shè)備的研究

3.1 方案研究

1）方案1：滾筒導(dǎo)向輪式1。此方案由滾筒傳輸帶、檢測器、導(dǎo)向輪、配頁機(jī)組成，如圖3 所示。導(dǎo)向輪：可以改變物體運(yùn)動(dòng)方向的輪子（圖3 中的導(dǎo)向輪設(shè)置為可以豎直轉(zhuǎn)動(dòng)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)）。工作原理：書帖按量放在托板上從滾筒進(jìn)入，經(jīng)過檢測器識別，控制系統(tǒng)找出空位并規(guī)劃路線，通過導(dǎo)向輪運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢么娣?；需要配頁時(shí)，在控制系統(tǒng)中輸入所需書帖的信息，控制系統(tǒng)反應(yīng)并規(guī)劃路線，通過導(dǎo)向輪將書帖運(yùn)輸?shù)街付ㄅ漤摍C(jī)前的滾筒傳輸帶上。

圖3 滾筒導(dǎo)向輪式1 示意圖Fig.3 Schematic diagram of roller guide wheel type 1

2）方案2：滾筒導(dǎo)向輪式2。此方案由滾筒傳輸帶、檢測器、導(dǎo)向輪、配頁機(jī)等組成，如圖4 所示。導(dǎo)向輪：可以改變物體運(yùn)動(dòng)方向的輪子（圖4 中的導(dǎo)向輪設(shè)置為可以豎直轉(zhuǎn)動(dòng)和水平轉(zhuǎn)動(dòng)）。工作原理：書帖從折頁機(jī)出來按量放在托板上，從滾筒傳輸帶進(jìn)入，經(jīng)過檢測器的識別，控制系統(tǒng)找出空閑位置并規(guī)劃路線，通過導(dǎo)向輪運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢么娣牛划?dāng)需要配頁時(shí)，在控制系統(tǒng)中輸入所需書帖的信息，控制系統(tǒng)反應(yīng)并規(guī)劃路線，通過導(dǎo)向輪將書帖運(yùn)輸?shù)街付ㄅ漤摍C(jī)前的滾筒上。

圖4 滾筒導(dǎo)向輪式2 示意圖Fig.4 Schematic diagram of roller guide wheel type 2

3）方案3：自動(dòng)托盤。基于云南國方印刷廠現(xiàn)有的倉儲(chǔ)設(shè)備，以創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論和自動(dòng)化的思想結(jié)合自動(dòng)導(dǎo)引車，設(shè)計(jì)出一款可以自動(dòng)運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備。方案對現(xiàn)有的托盤進(jìn)行改造，在托盤底部加上AGV 的舵輪，再加上導(dǎo)航系統(tǒng)和自動(dòng)規(guī)劃路徑，讓這個(gè)自動(dòng)托盤擁有自動(dòng)運(yùn)輸、精準(zhǔn)運(yùn)輸、自動(dòng)規(guī)劃路徑的能力。該方案的構(gòu)成包括：托盤機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)存單元、導(dǎo)航及路徑規(guī)劃系統(tǒng)。

經(jīng)過對比3 個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)、成本、效率以及考慮現(xiàn)有的場地問題，最終選用方案3 作為設(shè)計(jì)方案。

3.2 托盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使托盤能夠快速轉(zhuǎn)彎、精準(zhǔn)運(yùn)輸，舵輪的數(shù)目設(shè)置為4 個(gè)?？傃b配體由4 個(gè)舵輪、托板、安裝板組成，如圖5 所示。其中舵輪組合體包括主動(dòng)電機(jī)、編碼器、轉(zhuǎn)向盤、支撐板、連接柱、大齒輪、軸承座Ⅰ、小齒輪、傳感器、轉(zhuǎn)向電機(jī)、軸承座Ⅱ、輪子等，各個(gè)部件準(zhǔn)確地相互配合，按照一定順序最終裝配成一個(gè)完整的舵輪組合體，如圖6 所示。

圖5 自動(dòng)托盤整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the overall structure of the automatic pallet

圖6 國方3 樓車間分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of the distribution of workshops on the 3rd floor of the Chinese side

3.3 書帖的儲(chǔ)存單元

為了解決書帖存儲(chǔ)擁擠問題，將國方印刷廠的空閑地帶劃分幾個(gè)書帖儲(chǔ)存點(diǎn)，用于書帖的儲(chǔ)存。所劃分的書帖儲(chǔ)存位置如圖7 中書帖儲(chǔ)存點(diǎn)所示。

圖7 書帖儲(chǔ)存點(diǎn)2 的柵格圖Fig.7 Grid diagram of book post storage point 2

為了存取方便，儲(chǔ)存位設(shè)置為行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或者列網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)包括行存儲(chǔ)格單元、行走通道。一個(gè)行存儲(chǔ)格單元表示一行依次布置的多個(gè)連續(xù)存儲(chǔ)格，最多2 個(gè)行存儲(chǔ)格單元連續(xù)布置，分離的行存儲(chǔ)格單元之間為行走通道，如圖6 中書帖儲(chǔ)存點(diǎn)所示；列網(wǎng)格結(jié)構(gòu)同理?；谠摼W(wǎng)格方式，在提高存儲(chǔ)格數(shù)量的同時(shí)，可以高效解決已存放書帖運(yùn)輸裝置的移動(dòng)問題。

工作過程：使用多個(gè)自動(dòng)托盤，對每個(gè)自動(dòng)托盤進(jìn)行編號，不同編號的自動(dòng)托盤用于放置對應(yīng)頁碼的書帖；其中，自動(dòng)托盤的編號及對應(yīng)的頁碼信息存儲(chǔ)在調(diào)度中心。自動(dòng)托盤的工作過程可以分為2 個(gè)部分。

1）收帖+自動(dòng)托盤。印帖在經(jīng)過折頁機(jī)后，會(huì)自動(dòng)累積成100 帖一摞的書帖，然后由操作工人以層層疊加、緊密排列的方式堆碼成一個(gè)長方體在自動(dòng)托盤上；由自動(dòng)托盤運(yùn)輸?shù)綍麅?chǔ)存點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)存，同時(shí)將自動(dòng)托盤的編號及對應(yīng)的頁碼信息通過通信模塊發(fā)送調(diào)度中心存儲(chǔ)。

2）自動(dòng)托盤+加帖。當(dāng)需要配帖時(shí)，人工在調(diào)度中心輸入所需要配帖的頁碼，調(diào)度中心驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)存點(diǎn)中存儲(chǔ)該頁碼的自動(dòng)托盤，自動(dòng)托盤就自動(dòng)導(dǎo)航到配頁機(jī)前配頁時(shí)書帖儲(chǔ)存區(qū)對應(yīng)工位的位置（配頁時(shí)書帖儲(chǔ)存區(qū)依據(jù)頁碼順序從左往右排列，以適配現(xiàn)場配帖作業(yè)），等待工人配帖，同時(shí)將自動(dòng)托盤的編號及對應(yīng)的頁碼信息通過通信模塊發(fā)送至調(diào)度中心存儲(chǔ)。

3.4 導(dǎo)航方式及路徑規(guī)劃

1）方案1：AGV 系統(tǒng)導(dǎo)航。在自動(dòng)托盤上安裝AGV 的導(dǎo)航系統(tǒng)[11]，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)托盤的精準(zhǔn)運(yùn)輸功能。路徑規(guī)劃是在給定環(huán)境中尋找起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間最短可行路徑的過程。首先需要將AGV 運(yùn)行的倉儲(chǔ)環(huán)境抽象成電子地圖在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行表達(dá)，然后在此基礎(chǔ)上利用路徑規(guī)劃算法搜索路徑。運(yùn)行時(shí)需要給定起點(diǎn)和終點(diǎn)，GAV 根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置進(jìn)行路徑規(guī)劃，選出最優(yōu)路徑后按照路徑運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)存區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)存。

2）方案2：自動(dòng)路徑+室內(nèi)Wi–Fi 定位。可以將書帖儲(chǔ)存點(diǎn)看成一個(gè)停車場，書帖儲(chǔ)存點(diǎn)中的小格子就是停車位，每個(gè)自動(dòng)托盤看成一輛車；在每個(gè)自動(dòng)托盤上安裝一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過Wi–Fi 定位[12]可以找到空閑的格子，自動(dòng)托盤就可以通過導(dǎo)航過去進(jìn)行儲(chǔ)存。

3）方案3：計(jì)算機(jī)輔助+自動(dòng)導(dǎo)航+路徑規(guī)劃。在自動(dòng)托盤上安裝一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)，在車間設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為輔助工具。自動(dòng)托盤工作時(shí)，首先由計(jì)算機(jī)找到最近的儲(chǔ)存位；然后規(guī)劃路徑并選擇最優(yōu)的路徑，將信號傳給自動(dòng)托盤的導(dǎo)航系統(tǒng)；最后自動(dòng)托盤就導(dǎo)航至儲(chǔ)位進(jìn)行儲(chǔ)存。

3.5 路徑仿真分析

利用Matlab 軟件模擬云南國方印刷廠內(nèi)的儲(chǔ)存環(huán)境建立一個(gè)環(huán)境模型。在此環(huán)境下，進(jìn)行路徑的仿真實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證本文方案的有效性。

3.5.1 地圖建模

基于柵格法，以書帖儲(chǔ)存點(diǎn)2 為例建立柵格地圖如圖7 所示。其中柵格地圖包括：折頁機(jī)、儲(chǔ)存位、配帖機(jī)等硬件設(shè)備的簡化示意模型，整個(gè)地圖由13×11 的柵格組成。圖7 中空白柵格表示可移動(dòng)通道，第4、5、7、8、10 行代表儲(chǔ)存位置，第10 列1、2行的黑色柵格表示折頁機(jī)，第12 行代表準(zhǔn)備配帖時(shí)書帖的位置，第13 行表示配帖機(jī)。

3.5.2 路徑仿真

基于建立的柵格地圖，用A*算法[13-14]對路徑進(jìn)行規(guī)劃[15-16]。其中小圓圈表示初始節(jié)點(diǎn)，方塊分別表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，連接兩點(diǎn)間的路線為規(guī)劃的路徑。由于書帖從折頁機(jī)運(yùn)到儲(chǔ)存位的初始位置是不變的，所以設(shè)置初始點(diǎn)的位置。目標(biāo)位置的是由調(diào)度中心根據(jù)儲(chǔ)存位空缺決定的。路徑規(guī)劃結(jié)果如圖8 所示。

圖8 書帖儲(chǔ)存時(shí)的路徑規(guī)劃Fig.8 Path diagram for post storage

3.5.3 配帖時(shí)的路徑規(guī)劃

從倉儲(chǔ)位到配頁機(jī)的路徑規(guī)劃與書帖儲(chǔ)存時(shí)的路徑規(guī)劃所用的柵格地圖是一致的，除了起始位置和目標(biāo)位置發(fā)生變化，其他的設(shè)置都不變。當(dāng)需要配帖時(shí)，調(diào)度中心輸入所需要配帖的頁碼，調(diào)度中心驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)該頁碼的自動(dòng)托盤，自動(dòng)托盤就自動(dòng)導(dǎo)航到配頁時(shí)的相應(yīng)位置。仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 配帖時(shí)的路徑規(guī)劃Fig.9 Path diagram for posting

針對書帖儲(chǔ)存時(shí)和書帖配帖時(shí)的2 個(gè)運(yùn)輸過程分別做了4 次仿真。從仿真結(jié)果可以看出，自動(dòng)托盤可以精準(zhǔn)地到達(dá)指定位置，并且它的運(yùn)輸軌跡路程為最短。

4 結(jié)語

本文首先分析了書刊的生產(chǎn)工藝流程和現(xiàn)有的書帖倉儲(chǔ)方式；然后指出其存在的主要問題，提出創(chuàng)新方案；最后對方案的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對儲(chǔ)存單位進(jìn)行劃分，對導(dǎo)航及路徑規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行闡述，并對儲(chǔ)存書帖時(shí)與配帖時(shí)的路徑進(jìn)行仿真。結(jié)果表明了本文的方案設(shè)計(jì)合理。同時(shí)該方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩大環(huán)節(jié)的自動(dòng)化連接，減少人工操作，減輕工人的體力勞動(dòng)，提高了書刊印后加工的自動(dòng)化水平，進(jìn)而提高企業(yè)的生產(chǎn)效益，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。書帖自動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備的設(shè)計(jì)為印后加工環(huán)節(jié)的機(jī)械化、數(shù)字化和自動(dòng)化的連線生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。