桁架機械手在智能物料倉儲中的應用

鄭建國

（廣州市嘉特斯機電制造有限公司，廣東廣州510850）

0 引言

隨著我國制造業(yè)的崛起，物流業(yè)發(fā)展迅猛，并且逐漸受到越來越多的廠商和物流企業(yè)的重視。為了更好地促進物流業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代物流業(yè)對倉儲管理提出了更高的要求，傳統(tǒng)單一的庫存管理已經(jīng)無法滿足當前物流業(yè)發(fā)展的需要。因此，有必要加強對倉儲理論的研究，通過應用一些新技術以提高倉儲管理的質(zhì)量和效率，從而加快貨物的流轉(zhuǎn)速度，進而促進物流效益的提高。

為提高倉儲管理工作的效率、加快物流運作速度，“智能倉儲”的概念被提出。與傳統(tǒng)意義上的倉儲管理不同，智能倉儲體系一個最大的特點就是多功能集成化，它以存在于現(xiàn)實中的物理倉庫為平臺，以網(wǎng)絡為橋梁，通過應用物聯(lián)網(wǎng)技術、RFID技術、信息軟件技術等，進而實現(xiàn)了對流通中貨物的檢驗、保管、加工、集散以及轉(zhuǎn)換運輸方式等功能的統(tǒng)一集成管理，是現(xiàn)代物流業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢。

工廠桁架機械手倉儲智能化系統(tǒng)，是將物料的自動化加工、自動化檢測及工廠內(nèi)的物流和倉儲整合在同一環(huán)境內(nèi)、可進行統(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，包含了桁架機械手及其控制單元、RFID模塊及其他定制的功能模塊等，可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高度自動化，提高加工設備的利用率，同時實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)物料的全程監(jiān)控和高效管理。

1 桁架機械手智能倉儲系統(tǒng)的組成

如圖1所示，系統(tǒng)包括CNC加工單元、CMM檢測單元、AGV小車（機器人）、桁架機械手、傳送帶、料架、檢測裝置、夾爪裝置、伺服系統(tǒng)、潤滑裝置、氣液電一體化控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、防護欄、安全門等。

新技術：CNC加工單元由工控機發(fā)送命令給機器人，掃描CNC區(qū)域固定料架上的物料，通過RFID技術識別機種型號，機器人抓取物料到對應的CNC機床加工；同理，CMM檢測單元由CMM檢測單元的機器人掃描CMM區(qū)域固定料架上的物料，機器人上料到CMM檢測平臺檢測，檢測完成OK后再由機器人下料到傳送帶運到倉儲區(qū)域（或回料到CMM料架，以后機器人再從CMM料架上抓取檢測OK的料到傳送帶傳送到倉儲區(qū)域）；倉儲區(qū)域由桁架機械手自動掃描、上下料，通過AGV小車入庫和出庫。由于機器人、桁架機械手上下料代替了人工上下料，所以設備的整體結構得到了最大程度的簡化，同時功能卻得到了很大提升，節(jié)省了許多輔助時間。機器人、桁架機械手的性能得到了最大的發(fā)揮，提高了勞動生產(chǎn)率，使得設備結構更加緊湊、合理，操作更加簡單、方便。

圖1 平面布局示意圖

1.1 桁架機械手的結構

（1）桁架機械手又叫直角坐標機器人或龍門式機器人，由主體（結構框架、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件、氣缸夾爪）、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。X、Y、Z三個移動軸，伺服動力源：三組伺服控制器、伺服電機和高精密行星減速機，提供三個方向的運動控制。

（2）桁架機械手由Y向（前后方向）橫梁與導軌、X向（左右方向）橫梁與導軌、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，驅(qū)動移動部件沿導軌快速運動。齒輪-齒條：高強度的傳動，為機械手的運行提供更精密的定位。

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

（4）Z軸工作端配置夾爪，進行物料的取放。移動部件為質(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：其相當于桁架機械手的大腦，通過工業(yè)控制器（PLC），采集各傳感器或按鈕的輸入信號，來發(fā)送指令給各執(zhí)行元件按既定動作去執(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；重復定位精度：±0.2 mm。

（7）高強度焊接結構：由國標型材、板材組合焊接而成的支架，如圖2所示。

圖2 倉儲桁架機械手、料架示意圖

1.2 桁架機械手的工作原理

由于桁架機械手輸送的速度較快，加速度大，加減速時間短，當輸送較重的工件時慣量大，因此，伺服驅(qū)動電機要有足夠的驅(qū)動和制動能力，支撐元件也要有足夠的剛度及強度。只有這樣，才能使伺服電機滿足桁架機械手輸送的高響應、高剛度及高精度要求。

在選擇合適伺服電動機的情況下，根據(jù)物料運動的距離和運行節(jié)拍，計算出伺服系統(tǒng)的位移和軌跡，并對驅(qū)動器PID參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。桁架機械手根據(jù)接收到的位移、速度指令，經(jīng)變化、放大及調(diào)整處理后，傳遞給運動單元，通過光纖傳感器對運行狀態(tài)進行實時檢測，在高速搬運過程中，運動部件在極短的時間內(nèi)到達給定的速度，并能在高速行程中瞬間準停，通過高分辨率絕對式編碼器的插補運算，控制機械誤差和測量誤差對運動精度的影響。

其控制核心通過工業(yè)控制器（如PLC、運動控制、單片機等）實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復編程、多功能、多自由度，運動自由度間成空間直角關系，通過控制器對各種輸入（各種傳感器、按鈕等）信號的分析處理，做出一定的邏輯判斷后，對各個輸出元件（繼電器、電機驅(qū)動器、指示燈等）下達執(zhí)行命令，完成X、Y、Z三軸之間的聯(lián)合運動，以此實現(xiàn)一整套的全自動作業(yè)流程。

圖3 PLC控制系統(tǒng)通信連接圖

1.3 倉儲料架的結構

（1）主要構成：高強度焊接結構立柱、焊接結構橫梁、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料位，按照這樣的料位計算，每一面有192個料位，一排有384個料位，整個物料倉庫可容納3 840個物料，如圖2所示。

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

1.4 AGV小車系統(tǒng)

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

（1）主要構成及參數(shù)：AGV小車本體按照設置路線輸送物料，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個料位，托盤料位數(shù)20個。

（3）托盤二次定位機構：當AGV進入倉庫確定位置時，二次定位機構針對AGV背負的物料（托盤）進行定位，以供高精度的桁架機器人取、放置物料。

2 電氣控制系統(tǒng)架構

PLC控制系統(tǒng)通信連接如圖3所示。

2.1 系統(tǒng)架構說明

（1）系統(tǒng)采用三菱PLC，上位工控機PC管理生產(chǎn)線的運行、停止，并實現(xiàn)參數(shù)設定、計數(shù)顯示、信息提示等；并負責生產(chǎn)線所有單元之間動作協(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與機器人之間以I/O方式連接，PLC與工控機、HMI以以太網(wǎng)方式連接，桁架機械手的三個軸X、Y、Z采用三菱運動模塊與三菱伺服控制器通過光纖方式連接。主要交互信號包括：加工零件狀態(tài)、啟動、暫停、上料請求、下料請求、故障等。

（3）人機交互界面：人機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、上料請求等；HMI觸摸屏除了有啟動、復位按鈕外，還能監(jiān)控系統(tǒng)加工狀態(tài)，提供完善的報警信息提示和生產(chǎn)過程中的操作引導提示；三色燈：紅色錯誤（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 運行模式

2.2.1 自動模式

自動運行條件滿足時，可啟動自動運行，工控機調(diào)度整個生產(chǎn)系統(tǒng)按照設置流程自動運行。自動運行條件包括：安全門關閉、急停按鈕未按下、傳感器信號處于初始狀態(tài)等。

2.2.2 停止模式

全線共有三種停止模式。

（1）緊急停止：設置在主控站、操作員面板、機器人示教面板，在發(fā)生事故時使用緊急停止按鈕，使生產(chǎn)機器人的所有動作立即停止。緊急停止切斷自動化系統(tǒng)動力回路（電、氣、液），所有電柜及控制臺中斷工作并報警。

（2）立即停止：其作用等同于緊急停止，但不切斷運行回路，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，設備回到等待位置。

3 桁架機械手智能倉儲的工作過程

第一，從傳送帶掃描。

機器人將從CMC檢測單元出來的料放到傳送帶上的工裝模具上，倉儲區(qū)域傳送帶末端的傳感器感應到料后停運傳送帶，定位夾緊氣缸夾緊工裝模具，同時發(fā)信號給工控機，等待工控機發(fā)命令給桁架機械手，PLC收到工控機發(fā)去傳送帶掃描的命令后，桁架機械手執(zhí)行去傳送帶掃描，掃描結束后反饋信號回給工控機，等待工控機發(fā)下一命令。

第二，從傳送帶取料。

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

第三，從傳送帶入庫上料到倉儲料架。

PLC收到工控機發(fā)到倉儲料架上料和料架料位號命令后，桁架機械手執(zhí)行命令，將從傳送帶取到的料放到倉儲料架指定的料架料位號上，放料結束后反饋信號回給工控機，等待工控機發(fā)下一命令。

第四，從AGV小車掃描。

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

第五，從倉儲料架下料。

PLC收到工控機發(fā)到倉儲料架下料和料架料位號后，桁架機械手執(zhí)行去倉儲料架指定的料架料位號取料，取完料后反饋信號回給工控機，等待工控機發(fā)下一命令。

第六，從料架出庫上料到AGV小車。

PLC收到工控機發(fā)到AGV小車上料和AGV小車的料位號命令后，桁架機械手執(zhí)行命令，將從倉儲料架取到的料放到AGV小車指定的料架料位號上，放料結束后反饋信號回給工控機，等待工控機發(fā)下一命令。

第七，從AGV小車取料。

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

第八，從AGV小車入庫上料到倉儲料架。

PLC收到工控機發(fā)到倉儲料架上料和料架料位號命令后，桁架機械手執(zhí)行命令，將從AGV小車取到的料放到倉儲料架指定的料架料位號上，放料結束后反饋信號回給工控機，等待工控機發(fā)下一命令。

新技術：整個倉儲料架有3 840個料位，物料與料位的間隔只有2～3 mm，所以用桁架機械手示教料位時每個料位都要單獨示教，以保證物料與料位的精度，這就要求PLC能做到控制3 840個料位的程序，以確保收到工控機命令時桁架機械手能準確到達每個料位的位置。桁架機械手去倉儲料架上、下料時，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。取一個料或者放一個料大約在40 s內(nèi)完成。

4 結語

綜上所述，桁架機械手在智能倉儲中的應用除了靠電氣控制系統(tǒng)保證各動作順序的嚴密互鎖關系和程序的精準控制，還需要軟件、數(shù)據(jù)信息進行管理和監(jiān)控。整個工過程就是自動化和信息化不斷融合的過程。

在未來，多元宇宙將在虛擬世界成為現(xiàn)實，一個現(xiàn)實的世界將對應無數(shù)個虛擬世界。改變現(xiàn)實世界，虛擬世界會改變；改變虛擬世界，現(xiàn)實世界也會改變。一切都在基于數(shù)據(jù)的精確控制當中，人類的大部分體力勞動和腦力勞動都將被機器和人工智能所取代，未來的工廠除了具備交期、成本、品質(zhì)、服務等優(yōu)勢外，更要具備自動化、智能化的核心競爭力。同時，在“中國制造2025”的戰(zhàn)略目標前，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)機器人坐標系和運動命名原則：GB/T 16977—2005/ISO 9787：1999.

[2]周昱晗.桁架機械手自動加工生產(chǎn)線上的應用[J].科學與財富，2015，7（10）：196-197.

[3]張榮.機械原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2015.

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