面向釀造工藝流程的智能天車機器人系統研究

何朝宣，查振元，曾 政，隰 瀟

（機械科學研究總院 機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

隨著我國酒類釀造行業的發展，酒類釀造行業已是國民經濟重要支柱產業之一，其中全國酒企約四萬家、從業人數數千萬、年產值近萬億元，產生了巨大的經濟與社會效益。但目前釀造行業中物料搬運仍然于傳統的人工搬運或者使用人工駕駛的天車搬運，物料轉運效率低，安全性能差，亟需通過自動化改造促進我國酒類釀造工藝物料搬運方式轉變。白酒釀造與傳統工藝密不可分，因此智能天車機器人智能釀造系統面臨核心挑戰在于如何保障“源于傳統，優于傳統”。

文章旨在秉承“源于傳統，優于傳統”的釀酒工藝自動化升級理念，基于傳統釀造工藝、機器人本體技術和系統集成技術相融合的研究思路，突破酒類釀造全流程物料智能轉運關鍵核心技術，提升釀造車間物料轉運作業效率與高速高精度智能天車安全作業技術，切實解決了釀造車間物料轉運在傳統生產中存在的問題，為“中國白酒158計劃”將現代科技融入中國傳統白酒釀造提供了新思路。

1 酒類釀造工藝流程中物料轉運難點

1.1 釀造工藝物料轉運過程

圖1 濃香型白酒釀造工藝流程

中國白酒歷史悠久，工藝獨特，如圖1所示白酒糧酒工藝主要有三個階段：潤糧蒸糧、發酵、蒸餾[1]。物料轉運的主要過程為：糧食經過潤糧蒸糧工藝就變成發酵所需要的原料，首先需要將原料從潤糧蒸糧工位搬運到窖缸中進行發酵，發酵結束后，原料變成酒曲，再將酒曲從窖缸中搬運到上甑工位進行蒸餾，蒸餾后的酒曲變成酒糟，最后將酒糟從蒸餾工位搬運到攤晾工位。

1.2 釀造工藝物料轉運難點

1）涉及搬運工序多：如圖1所示原料到窖缸，酒曲出窖缸、酒糟出蒸鍋都需要搬運。

2）物料轉運頻繁：如圖2所示窖缸數量多，分布密集。

3）轉運定位精度要求高：如圖2所示發酵窖缸材質為陶瓷材料，容易觸碰損壞。

圖2 窖缸的分布

2 智能天車在類釀造工藝流程中的應用優勢

從酒類釀造工藝流程的實際情況來看，物料搬運并不是簡單的地面運輸，需要將裝有原料的料箱搬運到窖缸時要方便原料倒入窖缸，將發酵后的酒曲從窖缸中抓取出來后在搬運，并且廠房地面布滿了窖缸，窖缸材質為陶瓷材料易破損，物流搬運環境復雜，導致物流運輸中常用的自動牽引小車（AGV）、有軌穿梭小車（RGV）、空中懸掛小車（EMC）都不適用于酒類釀造工藝物料搬運。

天車（又稱橋式天車）作為一種使用方便、具備大載重量的機械搬運設備，廣泛應用于工廠、庫房、港口和礦山等多種生產場合，在國民經濟中起著至關重要的作用，迄今為止，天車的使用已經有數百年的歷史。隨著科技的發展，天車系統向著大型化、智能化、快速化、準確化的方向發展，其工作的可靠性也在不斷的提升[2,3]。研究發現智能天車很適合酒類釀造工藝物料搬運，它能夠很好地解決釀造車間物料轉運耗時、耗工、空間占用大等問題。

3 智能天車機器人系統的設計

3.1 設計難點與技術指標

由于釀造工藝過程中物料轉運頻繁，涉及多個工序不同工位的轉運，智能天車將長時間處于快速啟停的工作狀態，如果不突破智能天車機器人系統的精確定位與防搖等關鍵核心技術，將導致智能天車在物料轉運中出現劇烈的單擺運動。如果在智能天車運行過程中負載一直擺動，輕則影響其機械壽命，重則造成負載脫落或發生碰撞，造成生產事故；如果在智能天車運動結束時刻負載仍然在擺動，如果在擺動未消除前就卸下負載，那將會嚴重影響負載擺放的位置精度，影響物料轉運效率[4]。

文章秉承“源于傳統，優于傳統”的釀酒工藝自動化升級理念，保證智能天車定位與防搖系統的定位精度和防搖性能，滿足釀造工業的使用要求，提高釀造中物料搬運系統自動化水平，提高產品生產效率，研發的高速高精度天車系統的精確定位與防搖性能須滿足以下技術指標。

1）天車三坐標位置誤差≤10mm；

2）天車縱向移動速度≥8m/min；

3）天車水平移動速度≥30m/min；

4）天車水平擺動≤±2°；

5）天車起吊重量≥5t。

3.2 智能天車機器人設計方案

圖3 智能天車機器人

如圖3所示，智能天車主要由小車、大車運行機構、橋架、電氣控制設備及專用屬具組成。小車主要由起升機構、小車運行機構組成；大車運行機構主要由驅動裝置、主被動車輪組及緩沖器組成；橋架主要由主梁、端梁、走臺等鋼結構組成；電氣設備主要由配電、控制及照明系統等組成；專用屬具共有3類，分別用于3 種物料的抓取。

小車采用先進的緊湊形設計方案；自重小、高度低，傳動效率高，低能耗；模塊化設計，免維護率高，易損件更換方便。起升機構為卷揚式結構，主副起升均為展開式布置，單電機、單卷筒、單減速器的傳動方案。具振動小、噪音低、運行平穩等特點。

大小車運行機構都采用三合一驅動裝置并配套變頻調速系統，三合一驅動裝置具有密封好，無漏油，免維護的特點。同時在大小車運行機構一側設置水平導向輪，確保大小車運行的直線度。

橋架采用雙梁雙軌結構，主、端梁為箱形結構，具有足夠的強度、剛度和穩定性；走臺具有足夠的安全通道和護攔，可以方便、安全地到達各需要維修及檢查地點。

專用屬具用于物料的抓取，按物料的種類，專用屬具分為3種。智能天車設計有轉接盤，可分別適應3種吊具的自動/手動更換。

4 智能天車機器人關鍵技術及功能實現

如圖4所示，針對智能天車在快速啟停條件下三維精確定位問題，綜合利用編碼器、激光、視覺、里程計等多傳感器信息，在吊具端增加視覺標簽和慣導模塊，實現基于伺服控制和貝葉斯濾波器的多源傳感器信息融合的智能天車及末端吊具復合定位方法。針對快速啟停過程中智能天車防搖問題，研究融合模糊控制和粒子群算法的位移補償閉環防搖控制系統，利用粒子群算法優化模糊控制器參數，增強控制器自適應能力，提高防搖控制精度。

圖4 智能天車機器人精確定位及防搖控制技術路線

4.1 智能天車機器人三維精確定位關鍵技術及功能實現

為了保證智能天車的高定位精度，使智能天車近似直線運行，對大小車導向軌頂面和兩個側面進行精加工，提高軌道的直線度和平面度，同時軌道安裝采用可調壓板安裝，導向軌經調整可以達到直線度±2mm。但其水平方向的運行是微小的蛇形運動，為解決這一問題，首先是智能大小車運行使用三合一電機減速器，采用同一批次，嚴格控制轉速差，提高同步運行精度，最后是在智能天車的大小車導向軌道均采用水平導向輪組進行導向如圖5所示，提高了智能天車在X、Y方向的機械結構定位精度。同時智能天車主梁鋼結構采用靜態剛性設計方法，實現主梁的垂直靜撓度 f≤S/2000（S為起重機跨度），使智能天車在吊重時產生的下撓值很小，提高了智能天車在Z方向的機械結構定位精度。

圖5 水平導向輪機構

智能天車機器人的精確定位系統，采用了基于伺服控制及多源傳感器信息融合的智能天車復合定位方法。在各個工位處，設置位置檢測、工件狀態檢測裝置，工件位置檢測采用位移傳感器測量工件位移距離，將采集信息發送狀態數據至分布站模塊，分布站模塊放置在中控室內，將實時狀態信息輸入至PLC，經PLC內部的邏輯信息處理，具備初始化狀態檢測，實時信息檢測等功能，通過編程處理實現各個機構的安全運行；為了避免了機械誤差及車輪打滑的情況出現，在大、小車運行機構側加裝絕對位置編碼尺，編碼尺通過總線接口將數據信息發送至PLC，通過內部編程運算實時采集運行機構的實時位置，并將數據實時顯示在中控屏上。在大車、小車運行機構的基座側面裝條碼尺，條形碼傳感器安裝在大車、小車運行機構上，采用的的條形碼定位由兩部分組成：條碼尺、條形碼傳感器，條形碼傳感器的分辨率可達到0.05mm，測量距離可達10000m，保證了智能天車X、Y方向運行機構定位精度小于±5mm。

智能天車在Z方向的定位是在起升機構低速軸加裝絕對值編碼器，通過總線通訊將起升位置信息發送至PLC，通過內部的運算實時采集起升機構的起升高度，并將數據實時顯示在中控屏上。采用的起升絕對值編碼器及運行編碼尺的精度為±0.1mm，通過高精度的傳感器保障了系統的定位精度不大于±5mm。同時在卷揚筒轉軸的一端安裝旋轉編碼器，通過旋轉編碼器獲取電機轉角信息，轉換后間接獲取起重機垂直方向的升降距離，選擇多圈絕對值旋轉編碼器，通過柔性聯軸器與卷揚筒轉軸連接，保證了智能天車Z方向定位精度小于±5mm。

4.2 智能天車機器人吊具防搖關鍵技術及功能實現

為實現智能天車具備良好的防搖性能，首先是智能天車的吊具取物裝置的布置方式及纏繞方式與傳統設計不同。傳統的方式是軸對稱布置，而且下繩點到吊具的距離較近，使取物裝置在智能天車起動和制動時由于慣性會存在較大幅度擺動。如圖6所示，本文設計的吊具上的布置有4組動滑輪，而且取物裝置的布置是空間對稱。鋼絲繩纏繞方式如圖7所示，該設計將上部的下繩點位置盡量拉開，拉大鋼絲繩間距，有力的保證了吊具的穩定性，保證智能天車起升機構工作期間，取物裝置不晃動。如圖8所示，采用套筒式防搖機械結構，在轉接盤上還設有銷軸，小車架下方設有筒套。當智能天車大車長距離運行時，起升轉接盤，將銷軸插入筒套，確保了大車長距離運行時，吊裝物料的穩定性。

圖6 動滑輪組

圖7 纏繞方式

智能天車防搖擺控制采用基于粒子群的防搖閉環控制算法，在可編程控制器內部建立數學模型，通過檢測起升機構的起升高度、運行機構的運行速度及搖擺相應時間，通過內部模型的運算，發送相應的啟動、速度、抱閘動作及停車功能至變頻器，經變頻器驅動各個機構的運行，通過數學模型的建立及運算實現了起重機電氣的防搖擺功能。通過PLC內部數學模型的建立，保障了各個機構在自動運行時，起升機構啟動以低速運行，高速保持運行，當達到設定目標值進行先進行減速運行，后進行定位停止動作，實現了起升機構的輕起輕放；運行機構自動動作時，投入防搖擺控制系統，保障了運行機構在運行時重物不會擺動，當達到設定目標值后，先進行防搖減速運行，在進行定位停車。通過合理的硬件搭配、科學的數據模型建立、高速的PLC運算及先進的網絡傳輸實現了防搖定位的功能。工件位置信息的檢測及防搖定位功能的實現保障了智能天車能夠在工位工序上自動完成工件的工藝流程。

圖8 套筒式防搖結構

5 結語

本文研究了動態環境下高速高精度物料轉運智能天車機器人安全作業系統，主要完成了智能天車精確定位與防搖等關鍵技術，攻關了基于貝葉斯濾波器的天車及末端吊具復合定位方法、基于粒子群的防搖閉環控制算法天車精確定位及防搖擺控制，實現了釀造從固態發酵制曲、窖池到拌料工位、上甑工位、攤晾工位、回窖池發酵等全過程自動化作業，解決了釀造過程物料轉運環節高耗低效問題，大大降低了釀造行業對人工的依賴，促進了我國釀造行業向著自動化、智能化、無人化方向發展。