袁芬，周強

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063）

0 引言

長期以來，碼頭散包裝件貨物起駁裝箱工藝中人工操作占主導(dǎo)地位，工藝過程中工人勞動強度大，作業(yè)人員密集[1]。在冷鏈物流的拆裝集裝箱過程中，碼垛空間小、通風(fēng)性差，工人容易受到傳染病毒襲擊。據(jù)此，研究散包件貨物自動化裝箱工藝，解決散包件貨物裝箱過程中生產(chǎn)效率低、安全性差等方面的問題，實現(xiàn)散包件貨物起駁裝箱過程的自動化、連續(xù)化、無人化操作是未來發(fā)展的必然趨勢。目前，國內(nèi)對于自動化裝箱工藝主要集中于上開口和長截面?zhèn)乳_口箱型。上開門型箱型多用于裝載袋包食品、煤炭或糧食等散貨；長截面?zhèn)乳_口箱型多為火車車皮，主要面向需要長途運輸?shù)呢浳?，這兩類箱型作業(yè)空間均較大。而類似集裝箱這種短截面開口箱型的自動化裝箱工藝，因其活動空間小、作業(yè)范圍大、堆放物體重量大、散包破損率高等技術(shù)難點，目前研究較少[2-6]。

針對短截面?zhèn)乳_口箱型，本文結(jié)合目前國內(nèi)外常用的袋包化肥貨物的規(guī)格條件，通過將QFD理論、TRIZ理論有效結(jié)合，設(shè)計了一種適用于散包貨物的自動化連續(xù)裝箱系統(tǒng)，為碼頭起駁裝箱作業(yè)提供了有利工具，后續(xù)過程采用PDCA理論，幫助系統(tǒng)持續(xù)改進(jìn)。

1 QFD、TRIZ和PDCA理論的集成運用

QFD理論是由赤尾洋二和水野滋兩位日本學(xué)者提出的需求轉(zhuǎn)化理論，它通過利用質(zhì)量屋（HOQ）把用戶的功能需求進(jìn)行分解，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的技術(shù)需求，但這一理論對于問題解決能力較差；與之相反，TRIZ以人為導(dǎo)向，它有別于頭腦風(fēng)暴法，通過給定39個通用工程參數(shù)和40條發(fā)明問題解決方法的知識系統(tǒng)，使得發(fā)明過程可以依程序與步驟進(jìn)行，降低了嘗試次數(shù)和問題的迭代次數(shù)，但其對于問題識別的能力不足；隨著時間推移，技術(shù)往往會由于新的用戶需求而需要改造或更新?lián)Q代，PDCA循環(huán)是由美國管理學(xué)家戴明提出，旨在對系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)改善[7-8]。因此，將QFD理論、TRIZ理論以及PDCA循環(huán)有機結(jié)合，既可明確系統(tǒng)需求，又可為系統(tǒng)持續(xù)改進(jìn)提供有利方案，QFD、TRIZ和PDCA集成框架如圖1所示，其中，在P（Plan計劃）階段運用QFD完成功能需求轉(zhuǎn)化，D（Do執(zhí)行）階段采用TRIZ理論解決技術(shù)矛盾，C（Check檢查）和A（Action處理）階段采用精益思想，消除作業(yè)瓶頸。

圖1 問題解決框架

2 需求分析

2.1 傳統(tǒng)散包裝件起駁裝箱工藝

由于散包裝件起駁裝箱工藝具有減少粉塵、保護(hù)環(huán)境的優(yōu)點，近年來，該工藝在各大碼頭應(yīng)用越來越廣[9]。散包裝件起駁裝箱工藝是指：通過船內(nèi)人工掛鉤、岸邊起重機起吊、人工拆鉤、叉車轉(zhuǎn)運、人工碼垛等工序，將散包裝件貨物從靠泊駁船內(nèi)運輸?shù)郊b箱中的過程。其工藝流程圖如圖2所示。工藝過程中起吊工序為起重機作業(yè)，轉(zhuǎn)運工序為叉車運輸，其余工序均為人工操作，操作動作并不復(fù)雜，但動作的完成度要求較高，而機械設(shè)備要實現(xiàn)這類要求，需要的動力、尺寸及強度要求也會隨之提高，這也成為了制約散包裝件系統(tǒng)向自動化轉(zhuǎn)型的主要障礙。

圖2 傳統(tǒng)散包裝件起駁裝箱工藝流程

2.2 設(shè)計目標(biāo)及難點

在需求分析的基礎(chǔ)上，基于改造方案框架，對散包裝件裝箱系統(tǒng)逐步分析，首先采用問卷法對與工藝相關(guān)的操作人員、管理人員進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明該工藝目前存在的主要問題為：生產(chǎn)效率低、破損率高、勞動強度大、安全性差。然后采用KJ法整理出散包裝件裝箱系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)為:

（1）設(shè)計合理。尺寸滿足工藝整體要求，強度合理，具備運載重物的高承載能力。

（2）可靠性高。新系統(tǒng)應(yīng)可控制，設(shè)備間銜接性好，使用壽命長，故障率低。

（3）安全性高。新系統(tǒng)應(yīng)注重對人的防護(hù)，盡量減少或取消現(xiàn)場人工參與。

（4）效率高。新系統(tǒng)的裝箱效率應(yīng)高于舊系統(tǒng)工作效率，作業(yè)節(jié)拍快。

（5）破損率低。新系統(tǒng)對袋包所造成的損壞程度應(yīng)低于舊系統(tǒng)。

（6）柔性好、通用性高。新系統(tǒng)應(yīng)具備能靈活堆碼多種規(guī)格的散包裝件的特性。

根據(jù)上述設(shè)計目標(biāo)及集裝箱內(nèi)部作業(yè)空間小、袋包質(zhì)量大的現(xiàn)實問題，目前散包裝件工藝系統(tǒng)設(shè)計存在以下幾個技術(shù)難點：

（1）實現(xiàn)低破損率碼垛。自動化碼垛工藝中，與袋包直接接觸的是碼垛機器人的末端執(zhí)行器——堆碼貨物的裝置。常規(guī)的堆碼裝置多采用高強度的金屬材料制作而成，在與袋包接觸過程中，易造成袋包破損，從而影響港口服務(wù)客戶滿意度。

（2）實現(xiàn)小空間重物碼垛。工業(yè)用碼垛機器人各關(guān)節(jié)依靠電機驅(qū)動，可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速，具有工作效率高、可以在惡劣的環(huán)境下工作等特點，是解決碼垛工序的首選設(shè)備[10]。但目前國內(nèi)使用最多的集裝箱為20尺和40尺集裝箱，這兩類集裝箱在裝箱時所開的箱門均為側(cè)截面，空間狹窄，常規(guī)重載型工業(yè)用碼垛機器人因臂展過大無法進(jìn)入集裝箱工作[11]。此外，散包件貨物規(guī)格通常為25kg和50kg兩類，質(zhì)量較大，需要保障較高的作業(yè)精度和夾持力度，常規(guī)輕載型工業(yè)用碼垛機器人雖能進(jìn)入集裝箱內(nèi)作業(yè)，但強度要求難以滿足。

2.3 質(zhì)量屋構(gòu)建

通過專家及業(yè)內(nèi)人士評判，確定用戶需求與技術(shù)特性間的關(guān)聯(lián)程度如圖3所示，其中對于尺寸、強度、碼垛速度、夾持方式等技術(shù)要求占比較高，具有較高的設(shè)計價值，后續(xù)改進(jìn)將作為重點優(yōu)化設(shè)計對象。其次，操作簡單為次要考慮要素。

圖3 質(zhì)量屋

3 問題解決

3.1 沖突描述

TRIZ理論指出系統(tǒng)優(yōu)化的本質(zhì)為克服現(xiàn)有系統(tǒng)所存在的技術(shù)沖突，技術(shù)沖突是指一個子系統(tǒng)中引入一種有用功能后，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生或加強已存在的有害沖突[12]。在散包裝件自動化裝箱系統(tǒng)中，針對生產(chǎn)效率低和安全性低這兩個問題，根據(jù)TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式8，為減少人的介入，提高系統(tǒng)整體效率及安全性能，在原系統(tǒng)中引入碼垛機器人替代人工堆碼。但增加對應(yīng)的裝置必然會造成裝置的復(fù)雜性和可制造性增加。針對這些問題，使用TRIZ理論中的39個通用工程參數(shù)對沖突進(jìn)行描述，得到散包裝件系統(tǒng)的沖突矩陣，見表1。

表1 沖突矩陣

3.2 沖突解決

根據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣參數(shù)，結(jié)合TRIZ理論發(fā)明原理，對散包裝件裝卸系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計分析：

應(yīng)用分割原理，將系統(tǒng)分為功能獨立的多個部分，以降低功能集成難度，對于散包裝件系統(tǒng)而言，工藝流程主要為起駁、水平運輸和碼垛三個主要環(huán)節(jié)，因此，可將其分為起駁模塊、水平運輸模塊及碼垛模塊三大模塊。起駁模塊負(fù)責(zé)將袋包由船駁內(nèi)轉(zhuǎn)移到岸邊，水平運輸模塊輔助岸邊袋包進(jìn)入集裝箱箱門或集裝箱內(nèi)部，碼垛模塊負(fù)責(zé)將袋包按一定的碼垛規(guī)則進(jìn)行碼垛。

針對物體外部有害因素作用敏感性參數(shù)，應(yīng)用分離原理，同時結(jié)合QFD質(zhì)量屋指標(biāo)重要度，充分考慮系統(tǒng)安全性，在裝箱模塊中增設(shè)駕駛室，將操作工人與外界隔離，以降低工人感染病毒的幾率。

大批量生產(chǎn)作業(yè)下，規(guī)格越一致越有利于設(shè)備的管控，應(yīng)用預(yù)操作原理，在起駁模塊后增加整形裝置，通過對袋包進(jìn)行壓平，使散包裝件表面平整，以提高碼垛設(shè)備對袋包的識別精度并充分利用集裝箱箱容。

應(yīng)用預(yù)補償原理，在控制面板上增設(shè)應(yīng)急按鈕，在設(shè)備出現(xiàn)故障時急停，改為人工操作，以增加系統(tǒng)可靠性。

應(yīng)用等勢性原理，現(xiàn)有系統(tǒng)中，散包裝件由起重機放置在岸邊后，叉車需要利用升降桿升高貨叉取貨，到達(dá)指定位置后又需將貨叉下降，再由人工堆碼，這一過程將叉車運輸改為皮帶機輸送，以消除現(xiàn)有工藝中叉車提升和下降過程的時間。

應(yīng)用嵌套原理，為充分保證系統(tǒng)可維修性，針對部分設(shè)備可以采用嵌套及包覆，對于等勢性原理中提出的皮帶機裝置，采用多節(jié)伸縮進(jìn)行嵌套。

應(yīng)用反饋原理，通過增加基于散包裝件的四距離傳感器的自動碼垛技術(shù)，自動監(jiān)測碼垛位置，并實時將各袋包的碼垛情況顯示在控制面板上，以方便操作工人對緊急情況的處理。

應(yīng)用參數(shù)變化原理，改變碼垛機器人末端執(zhí)行器的尺寸，以增加夾持裝置柔性，使其能適用于多規(guī)格的散包裝件。

3.3 系統(tǒng)方案

3.3.1 系統(tǒng)組成及工作原理。根據(jù)散包裝件裝箱系統(tǒng)沖突解決方案，整合設(shè)計出散包裝件裝箱工藝新系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 自動化連續(xù)裝箱系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由起包機器人1、斗式提升機2、水平輸送機3、旋轉(zhuǎn)/俯仰機構(gòu)4、螺旋卸貨機5、可行走式門架6、麥克納姆輪7、伸縮皮帶機8、駕駛室9、碼垛機器人10、緩沖區(qū)11、集裝箱12、袋包13等部件組成。

其工作原理為：船舶入港靠岸后，卸船機通過行走門架整體移動，到達(dá)船艙口相應(yīng)位置，調(diào)整俯仰/旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以將斗式提升機放入船艙，起包機器人將散包件抓取至斗式提升機，隨后貨物被提升至水平輸送機，水平輸送機將貨物運至碼頭前沿的螺旋卸貨通道中，貨物即被輸送至伸縮皮帶機上，伸縮皮帶機上整形裝置先對散包進(jìn)行整形操作，后將整形完畢的散包送到伸縮皮帶機尾端，由碼垛裝置將散包裝件按要求整齊堆碼到集裝箱內(nèi)，當(dāng)?shù)谝慌糯b貨物碼垛完成，伸縮皮帶機收縮一段距離，從而開始第二排裝箱。如圖5所示，卸船機皮帶輸送機由桁架結(jié)構(gòu)支撐，旋轉(zhuǎn)/俯仰機構(gòu)由旋轉(zhuǎn)臺與吊臂組成，斗式提升機桁架吊臂和旋轉(zhuǎn)臺分別用鉸鏈連接，形成平行四邊形結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)臺為固定邊，且處于豎直狀態(tài)，根據(jù)平行四邊形結(jié)構(gòu)原理，當(dāng)液壓桿推動吊臂進(jìn)行俯仰時，斗式提升機與平行四邊形結(jié)構(gòu)的對邊平行，一直處于垂直狀態(tài)。當(dāng)卸船機由水平位置下俯至下極限位置的過程中，皮帶輸送機由水平輸送變?yōu)閮A斜輸送。

圖5 俯仰工作位置示意圖

3.3.2 碼垛機構(gòu)方案設(shè)計。碼垛機構(gòu)負(fù)責(zé)抓持散包裝件，是提高碼垛效率的關(guān)鍵。目前，實現(xiàn)碼垛功能的末端執(zhí)行器主要有吸附式、機械手抓持式以及夾板式。其中，吸附式適用于表面平整的盒式貨物或型材，靈敏度較高；機械手抓持式適用于大空間工業(yè)流水線產(chǎn)品堆碼，為保證其能在球形空間內(nèi)精確定位，多采用四軸或六軸機械臂，其臂展尺寸往往較大。針對集裝箱這類空間狹窄的作業(yè)場所，由于夾持式臂展限制以及散包裝件表面不平整而難以吸附，因此，采用夾板式末端執(zhí)行器為最佳方案，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 夾持裝置

為實現(xiàn)集裝箱內(nèi)堆碼袋包的基本功能，碼垛機器人需完成以下基本動作：整機進(jìn)出集裝箱、整機在集裝箱內(nèi)左右移動、取物裝置在集裝箱內(nèi)上下移動、靠近貨物時取物裝置可前后移動進(jìn)行微調(diào)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。碼垛機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。在該裝置運行之前，伸縮皮帶機將散包裝件輸送至緩沖區(qū)，碼垛裝置氣缸推動滑軌向前運動，在墊片傳送帶和墊片推動板的共同作用下墊片進(jìn)入到待抓取位置。與此同時，雙桿氣缸推動夾取裝置向下運動，當(dāng)夾取裝置與待碼垛位置位于同一水平高度，紅外傳感器立即將信號傳遞給與之相連接的PLC控制系統(tǒng)，此時絲桿模組向前推動雙桿氣缸，PLC控制夾板完成夾取與放置。

圖7 碼垛機器人機械結(jié)構(gòu)簡圖

圖8 碼垛機器人

3.3.3 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)。散包裝件尺寸為0.5m×0.3m×0.2m，重量m=50±2.5kg，起包機器人完成一次運動需要2~3s。物料最小連續(xù)傳送速度v=0.5×12=6m/min，實際運輸時由于起包貨物需要時間，為了發(fā)揮起包機器人的最高效率，實際傳送速度選取時要大于最小連續(xù)傳送速度，約為最小連續(xù)傳送速度的2~3倍，因此，選取傳送速度為v=18m/min=0.3m/s。由于伸縮皮帶機的皮帶要伸入集裝箱內(nèi)部，所以皮帶寬度要小于集裝箱的寬度，即皮帶寬度小于2.4m，當(dāng)皮帶機輸送成件貨物時，帶寬應(yīng)該比貨物尺寸大50~100mm，因此取帶寬B=600mm。查找機械設(shè)計手冊，可知皮帶輸送機的常用高度為700~800mm，本文取伸縮皮帶機的高度為H=800mm[13]。

集裝箱截面尺寸為2.352m×2.385m，機械手高h(yuǎn)為845mm，貨物高為0.2m，在機器人抓穩(wěn)袋包貨物的前提下，以集裝箱軸線為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，考慮空間限制，碼垛機構(gòu)水平回轉(zhuǎn)角度θ=156°，機器人相對垂直升降距離為：h1=425mm。

3.4 持續(xù)改進(jìn)

基于PDCA循環(huán)理念，系統(tǒng)的改造無法一次性得到最優(yōu)結(jié)果，需求也會隨時間不斷變更，因此，在得到初始設(shè)計方案后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。由于散包裝件裝箱系統(tǒng)的后續(xù)需求需要一段時間，故現(xiàn)階段以系統(tǒng)整體獲得最優(yōu)解為主，即節(jié)拍時間最短。節(jié)拍在生產(chǎn)作業(yè)中表征兩個相同產(chǎn)品下線的速率，其計算公式為：

式中：R表示節(jié)拍；T表示計劃期有效工作時間；Q表示計劃期產(chǎn)量；Q0表示單班產(chǎn)量；n表示同時工作班次。

為使各環(huán)節(jié)的節(jié)拍一致，提高生產(chǎn)作業(yè)平衡率，調(diào)節(jié)提升及螺旋下落的速度，使其與堆碼速率保持一致，得到各工序時間見表2。

表2 各工序作業(yè)時間

每天工作時間T=8h，5個集裝箱同時碼垛作業(yè)，n=5，根據(jù)表2與表3相關(guān)參數(shù)，可計算出傳統(tǒng)方案單班產(chǎn)量、作業(yè)班次及節(jié)拍：

表3 傳統(tǒng)袋包貨物拆裝箱各環(huán)節(jié)時間及人數(shù)

針對不同設(shè)計方案，基于設(shè)備選型及作業(yè)流程，分別計算了傳統(tǒng)方案和新方案的作業(yè)效率，新方案不僅作業(yè)班組少，而且效率較高。隨著時間推移，后續(xù)系統(tǒng)會產(chǎn)生新的需求，針對這些需求，仍然可按照plan、do、check、action持續(xù)改進(jìn)。

4 結(jié)語

散包裝件裝箱工藝在港口集散轉(zhuǎn)換作業(yè)的占比較大，其自動化程度對港口發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，針對這一工藝：

（1）構(gòu)建了一種基于QFD、TRIZ、PDCA的系統(tǒng)優(yōu)化過程框架。該框架將系統(tǒng)改造分為需求分析、問題解決、持續(xù)改進(jìn)三個基本階段，利用KJ法識別了用戶初始需求，并利用QFD將用戶功能需求轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計指標(biāo)，最后基于阿奇舒勒矛盾矩陣及TRIZ理論中發(fā)明問題解決方法解決矛盾沖突，得到改造方案。

（2）針對散包裝件裝箱系統(tǒng)人力成本高、作業(yè)效率低、工藝流程的連續(xù)性差及生產(chǎn)作業(yè)不平衡等問題，利用系統(tǒng)優(yōu)化過程框架對散包裝件裝箱系統(tǒng)進(jìn)行了沖突分析與方案改造設(shè)計，就其關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，并通過PDCA循環(huán)中持續(xù)改進(jìn)的指導(dǎo)思想，采用生產(chǎn)線平衡方法，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，通過對比新方案與傳統(tǒng)方案，結(jié)果表明新方案具有更高的效率。