鄭建國(guó)

（廣州市嘉特斯機(jī)電制造有限公司，廣東廣州510850）

0 引言

隨著我國(guó)制造業(yè)的崛起，物流業(yè)發(fā)展迅猛，并且逐漸受到越來(lái)越多的廠商和物流企業(yè)的重視。為了更好地促進(jìn)物流業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代物流業(yè)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理提出了更高的要求，傳統(tǒng)單一的庫(kù)存管理已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前物流業(yè)發(fā)展的需要。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)理論的研究，通過應(yīng)用一些新技術(shù)以提高倉(cāng)儲(chǔ)管理的質(zhì)量和效率，從而加快貨物的流轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而促進(jìn)物流效益的提高。

為提高倉(cāng)儲(chǔ)管理工作的效率、加快物流運(yùn)作速度，“智能倉(cāng)儲(chǔ)”的概念被提出。與傳統(tǒng)意義上的倉(cāng)儲(chǔ)管理不同，智能倉(cāng)儲(chǔ)體系一個(gè)最大的特點(diǎn)就是多功能集成化，它以存在于現(xiàn)實(shí)中的物理倉(cāng)庫(kù)為平臺(tái)，以網(wǎng)絡(luò)為橋梁，通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、信息軟件技術(shù)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)流通中貨物的檢驗(yàn)、保管、加工、集散以及轉(zhuǎn)換運(yùn)輸方式等功能的統(tǒng)一集成管理，是現(xiàn)代物流業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

工廠桁架機(jī)械手倉(cāng)儲(chǔ)智能化系統(tǒng)，是將物料的自動(dòng)化加工、自動(dòng)化檢測(cè)及工廠內(nèi)的物流和倉(cāng)儲(chǔ)整合在同一環(huán)境內(nèi)、可進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和控制的智能制造系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于模塊化工控平臺(tái)，包含了桁架機(jī)械手及其控制單元、RFID模塊及其他定制的功能模塊等，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化，提高加工設(shè)備的利用率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)物料的全程監(jiān)控和高效管理。

1 桁架機(jī)械手智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的組成

如圖1所示，系統(tǒng)包括CNC加工單元、CMM檢測(cè)單元、AGV小車（機(jī)器人）、桁架機(jī)械手、傳送帶、料架、檢測(cè)裝置、夾爪裝置、伺服系統(tǒng)、潤(rùn)滑裝置、氣液電一體化控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、防護(hù)欄、安全門等。

新技術(shù)：CNC加工單元由工控機(jī)發(fā)送命令給機(jī)器人，掃描CNC區(qū)域固定料架上的物料，通過RFID技術(shù)識(shí)別機(jī)種型號(hào)，機(jī)器人抓取物料到對(duì)應(yīng)的CNC機(jī)床加工；同理，CMM檢測(cè)單元由CMM檢測(cè)單元的機(jī)器人掃描CMM區(qū)域固定料架上的物料，機(jī)器人上料到CMM檢測(cè)平臺(tái)檢測(cè)，檢測(cè)完成OK后再由機(jī)器人下料到傳送帶運(yùn)到倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域（或回料到CMM料架，以后機(jī)器人再?gòu)腃MM料架上抓取檢測(cè)OK的料到傳送帶傳送到倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域）；倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域由桁架機(jī)械手自動(dòng)掃描、上下料，通過AGV小車入庫(kù)和出庫(kù)。由于機(jī)器人、桁架機(jī)械手上下料代替了人工上下料，所以設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)得到了最大程度的簡(jiǎn)化，同時(shí)功能卻得到了很大提升，節(jié)省了許多輔助時(shí)間。機(jī)器人、桁架機(jī)械手的性能得到了最大的發(fā)揮，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊、合理，操作更加簡(jiǎn)單、方便。

圖1 平面布局示意圖

1.1 桁架機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

（1）桁架機(jī)械手又叫直角坐標(biāo)機(jī)器人或龍門式機(jī)器人，由主體（結(jié)構(gòu)框架、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件、氣缸夾爪）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。X、Y、Z三個(gè)移動(dòng)軸，伺服動(dòng)力源：三組伺服控制器、伺服電機(jī)和高精密行星減速機(jī)，提供三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制。

（2）桁架機(jī)械手由Y向（前后方向）橫梁與導(dǎo)軌、X向（左右方向）橫梁與導(dǎo)軌、Z向（上下方向）滑枕、十字滑座、立柱、過渡連接板和基座等部分組成，Z向滑枕上固定的齒條作滾動(dòng)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)部件沿導(dǎo)軌快速運(yùn)動(dòng)。齒輪-齒條：高強(qiáng)度的傳動(dòng)，為機(jī)械手的運(yùn)行提供更精密的定位。

（3）直線導(dǎo)軌組：重載型導(dǎo)軌副可以使行走精度得到更有效的控制，采用獨(dú)特的滾輪導(dǎo)軌的導(dǎo)向系統(tǒng)；橫梁采用方鋼型材，在橫梁上安裝有導(dǎo)軌和齒條，通過滾輪與導(dǎo)軌接觸，整個(gè)機(jī)械手都懸掛在其上。

（4）Z軸工作端配置夾爪，進(jìn)行物料的取放。移動(dòng)部件為質(zhì)量較輕的十字滑座和Z向滑枕，滑枕采用由鋁合金拉制的型材。

（5）控制柜：其相當(dāng)于桁架機(jī)械手的大腦，通過工業(yè)控制器（PLC），采集各傳感器或按鈕的輸入信號(hào)，來(lái)發(fā)送指令給各執(zhí)行元件按既定動(dòng)作去執(zhí)行。

（6）工作范圍：X≥10 m，Y≥5 m，Z≥1.8 m；最快直線速度：1 m/s；重復(fù)定位精度：±0.2 mm。

（7）高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)：由國(guó)標(biāo)型材、板材組合焊接而成的支架，如圖2所示。

圖2 倉(cāng)儲(chǔ)桁架機(jī)械手、料架示意圖

1.2 桁架機(jī)械手的工作原理

由于桁架機(jī)械手輸送的速度較快，加速度大，加減速時(shí)間短，當(dāng)輸送較重的工件時(shí)慣量大，因此，伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)要有足夠的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能力，支撐元件也要有足夠的剛度及強(qiáng)度。只有這樣，才能使伺服電機(jī)滿足桁架機(jī)械手輸送的高響應(yīng)、高剛度及高精度要求。

在選擇合適伺服電動(dòng)機(jī)的情況下，根據(jù)物料運(yùn)動(dòng)的距離和運(yùn)行節(jié)拍，計(jì)算出伺服系統(tǒng)的位移和軌跡，并對(duì)驅(qū)動(dòng)器PID參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。桁架機(jī)械手根據(jù)接收到的位移、速度指令，經(jīng)變化、放大及調(diào)整處理后，傳遞給運(yùn)動(dòng)單元，通過光纖傳感器對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在高速搬運(yùn)過程中，運(yùn)動(dòng)部件在極短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)給定的速度，并能在高速行程中瞬間準(zhǔn)停，通過高分辨率絕對(duì)式編碼器的插補(bǔ)運(yùn)算，控制機(jī)械誤差和測(cè)量誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響。

其控制核心通過工業(yè)控制器（如PLC、運(yùn)動(dòng)控制、單片機(jī)等）實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度，運(yùn)動(dòng)自由度間成空間直角關(guān)系，通過控制器對(duì)各種輸入（各種傳感器、按鈕等）信號(hào)的分析處理，做出一定的邏輯判斷后，對(duì)各個(gè)輸出元件（繼電器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、指示燈等）下達(dá)執(zhí)行命令，完成X、Y、Z三軸之間的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)一整套的全自動(dòng)作業(yè)流程。

圖3 PLC控制系統(tǒng)通信連接圖

1.3 倉(cāng)儲(chǔ)料架的結(jié)構(gòu)

（1）主要構(gòu)成：高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)立柱、焊接結(jié)構(gòu)橫梁、物料托板等。

（2）功能：料架初始層距200 mm，層距可調(diào)，調(diào)節(jié)間距40 mm，共10排；每排有二面，每面有三小面，每面有八層，每一小面每一層有八個(gè)料位，按照這樣的料位計(jì)算，每一面有192個(gè)料位，一排有384個(gè)料位，整個(gè)物料倉(cāng)庫(kù)可容納3 840個(gè)物料，如圖2所示。

（3）管理終端上可隨時(shí)查看每個(gè)位置上存放的托盤ID編碼和當(dāng)前狀態(tài)。

1.4 AGV小車系統(tǒng)

物流行業(yè)快速發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志就是物流自動(dòng)化的進(jìn)程不斷加快，對(duì)于物流行業(yè)，企業(yè)廠內(nèi)物流自動(dòng)化升級(jí)最主要的功臣自然是AGV小車（機(jī)器人）。AGV小車（機(jī)器人）是物流裝備中自動(dòng)化水平最高的產(chǎn)品，是物流自動(dòng)化系統(tǒng)中最具有柔性化的一個(gè)環(huán)節(jié)，幾乎囊括了所有物流裝備的技術(shù)。

（1）主要構(gòu)成及參數(shù)：AGV小車本體按照設(shè)置路線輸送物料，主要參數(shù)如表1所示。

表1 AGV小車主要參數(shù)

（2）取、放料托盤：用于暫存每次要取、放的一批物料，共5塊托盤，每塊4個(gè)料位，托盤料位數(shù)20個(gè)。

（3）托盤二次定位機(jī)構(gòu)：當(dāng)AGV進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)確定位置時(shí)，二次定位機(jī)構(gòu)針對(duì)AGV背負(fù)的物料（托盤）進(jìn)行定位，以供高精度的桁架機(jī)器人取、放置物料。

2 電氣控制系統(tǒng)架構(gòu)

PLC控制系統(tǒng)通信連接如圖3所示。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)說(shuō)明

（1）系統(tǒng)采用三菱PLC，上位工控機(jī)PC管理生產(chǎn)線的運(yùn)行、停止，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、計(jì)數(shù)顯示、信息提示等；并負(fù)責(zé)生產(chǎn)線所有單元之間動(dòng)作協(xié)調(diào)及各單元工作狀況的匯集、處理，故障信息及幫助菜單的顯示。

（2）通信：PLC與機(jī)器人之間以I/O方式連接，PLC與工控機(jī)、HMI以以太網(wǎng)方式連接，桁架機(jī)械手的三個(gè)軸X、Y、Z采用三菱運(yùn)動(dòng)模塊與三菱伺服控制器通過光纖方式連接。主要交互信號(hào)包括：加工零件狀態(tài)、啟動(dòng)、暫停、上料請(qǐng)求、下料請(qǐng)求、故障等。

（3）人機(jī)交互界面：人機(jī)界面采用威綸通觸摸屏，本系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下，所有操作均可通過HMI觸摸屏及帶燈按鈕盒完成；操作面板功能按鈕包括急停按鈕、上料請(qǐng)求等；HMI觸摸屏除了有啟動(dòng)、復(fù)位按鈕外，還能監(jiān)控系統(tǒng)加工狀態(tài)，提供完善的報(bào)警信息提示和生產(chǎn)過程中的操作引導(dǎo)提示；三色燈：紅色錯(cuò)誤（系統(tǒng)故障、安全回路異常）、黃色警告（料架工件加工完或沒工件）、綠色正常。

2.2 運(yùn)行模式

2.2.1 自動(dòng)模式

自動(dòng)運(yùn)行條件滿足時(shí)，可啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行，工控機(jī)調(diào)度整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)按照設(shè)置流程自動(dòng)運(yùn)行。自動(dòng)運(yùn)行條件包括：安全門關(guān)閉、急停按鈕未按下、傳感器信號(hào)處于初始狀態(tài)等。

2.2.2 停止模式

全線共有三種停止模式。

（1）緊急停止：設(shè)置在主控站、操作員面板、機(jī)器人示教面板，在發(fā)生事故時(shí)使用緊急停止按鈕，使生產(chǎn)機(jī)器人的所有動(dòng)作立即停止。緊急停止切斷自動(dòng)化系統(tǒng)動(dòng)力回路（電、氣、液），所有電柜及控制臺(tái)中斷工作并報(bào)警。

（2）立即停止：其作用等同于緊急停止，但不切斷運(yùn)行回路，僅限于需立即停止的單元。

（3）循環(huán)停止：是一種正常的生產(chǎn)停止模式，設(shè)備回到等待位置。

3 桁架機(jī)械手智能倉(cāng)儲(chǔ)的工作過程

第一，從傳送帶掃描。

機(jī)器人將從CMC檢測(cè)單元出來(lái)的料放到傳送帶上的工裝模具上，倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域傳送帶末端的傳感器感應(yīng)到料后停運(yùn)傳送帶，定位夾緊氣缸夾緊工裝模具，同時(shí)發(fā)信號(hào)給工控機(jī)，等待工控機(jī)發(fā)命令給桁架機(jī)械手，PLC收到工控機(jī)發(fā)去傳送帶掃描的命令后，桁架機(jī)械手執(zhí)行去傳送帶掃描，掃描結(jié)束后反饋信號(hào)回給工控機(jī)，等待工控機(jī)發(fā)下一命令。

第二，從傳送帶取料。

PLC收到工控機(jī)發(fā)去傳送帶取料的命令后，桁架機(jī)械手的夾爪旋轉(zhuǎn)180°后去傳送帶上取料，取完料后反饋信號(hào)回給工控機(jī)，等待工控機(jī)發(fā)下一命令，同時(shí)傳送帶上的夾緊氣缸松開工裝模具，傳送帶繼續(xù)運(yùn)行。

第三，從傳送帶入庫(kù)上料到倉(cāng)儲(chǔ)料架。

PLC收到工控機(jī)發(fā)到倉(cāng)儲(chǔ)料架上料和料架料位號(hào)命令后，桁架機(jī)械手執(zhí)行命令，將從傳送帶取到的料放到倉(cāng)儲(chǔ)料架指定的料架料位號(hào)上，放料結(jié)束后反饋信號(hào)回給工控機(jī)，等待工控機(jī)發(fā)下一命令。

第四，從AGV小車掃描。

PLC收到工控機(jī)發(fā)去AGV小車掃描和AGV小車料位號(hào)的命令后，桁架機(jī)械手執(zhí)行去AGV小車掃描，掃描完后反饋信號(hào)回給工控機(jī)，等待工控機(jī)發(fā)下一命令。

第五，從倉(cāng)儲(chǔ)料架下料。

PLC收到工控機(jī)發(fā)到倉(cāng)儲(chǔ)料架下料和料架料位號(hào)后，桁架機(jī)械手執(zhí)行去倉(cāng)儲(chǔ)料架指定的料架料位號(hào)取料，取完料后反饋信號(hào)回給工控機(jī)，等待工控機(jī)發(fā)下一命令。

第六，從料架出庫(kù)上料到AGV小車。

PLC收到工控機(jī)發(fā)到AGV小車上料和AGV小車的料位號(hào)命令后，桁架機(jī)械手執(zhí)行命令，將從倉(cāng)儲(chǔ)料架取到的料放到AGV小車指定的料架料位號(hào)上，放料結(jié)束后反饋信號(hào)回給工控機(jī)，等待工控機(jī)發(fā)下一命令。

第七，從AGV小車取料。

PLC收到工控機(jī)發(fā)去AGV小車取料的命令后，桁架機(jī)械手的夾爪旋轉(zhuǎn)180°后去AGV小車取料，取完料后反饋信號(hào)回給工控機(jī)，等待工控機(jī)發(fā)下一命令。

第八，從AGV小車入庫(kù)上料到倉(cāng)儲(chǔ)料架。

PLC收到工控機(jī)發(fā)到倉(cāng)儲(chǔ)料架上料和料架料位號(hào)命令后，桁架機(jī)械手執(zhí)行命令，將從AGV小車取到的料放到倉(cāng)儲(chǔ)料架指定的料架料位號(hào)上，放料結(jié)束后反饋信號(hào)回給工控機(jī)，等待工控機(jī)發(fā)下一命令。

新技術(shù)：整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)料架有3 840個(gè)料位，物料與料位的間隔只有2～3 mm，所以用桁架機(jī)械手示教料位時(shí)每個(gè)料位都要單獨(dú)示教，以保證物料與料位的精度，這就要求PLC能做到控制3 840個(gè)料位的程序，以確保收到工控機(jī)命令時(shí)桁架機(jī)械手能準(zhǔn)確到達(dá)每個(gè)料位的位置。桁架機(jī)械手去倉(cāng)儲(chǔ)料架上、下料時(shí)，首先要掃描該料位有沒有物料，然后氣缸夾爪旋轉(zhuǎn)180°后再去放、取料，完成后退回原位。取一個(gè)料或者放一個(gè)料大約在40 s內(nèi)完成。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，桁架機(jī)械手在智能倉(cāng)儲(chǔ)中的應(yīng)用除了靠電氣控制系統(tǒng)保證各動(dòng)作順序的嚴(yán)密互鎖關(guān)系和程序的精準(zhǔn)控制，還需要軟件、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理和監(jiān)控。整個(gè)工過程就是自動(dòng)化和信息化不斷融合的過程。

在未來(lái)，多元宇宙將在虛擬世界成為現(xiàn)實(shí)，一個(gè)現(xiàn)實(shí)的世界將對(duì)應(yīng)無(wú)數(shù)個(gè)虛擬世界。改變現(xiàn)實(shí)世界，虛擬世界會(huì)改變；改變虛擬世界，現(xiàn)實(shí)世界也會(huì)改變。一切都在基于數(shù)據(jù)的精確控制當(dāng)中，人類的大部分體力勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)都將被機(jī)器和人工智能所取代，未來(lái)的工廠除了具備交期、成本、品質(zhì)、服務(wù)等優(yōu)勢(shì)外，更要具備自動(dòng)化、智能化的核心競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，在“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略目標(biāo)前，發(fā)展智能制造工廠是走出制造行業(yè)困境的必經(jīng)之路。

[1]工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)命名原則：GB/T 16977—2005/ISO 9787：1999.

[2]周昱晗.桁架機(jī)械手自動(dòng)加工生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J].科學(xué)與財(cái)富，2015，7（10）：196-197.

[3]張榮.機(jī)械原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2015.

[4]柳洪義，宋偉剛.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.