AGV/AMR在軟包印刷企業物流系統構建中的應用

文 / 張春雨

一、背景

軟包印刷企業屬于典型離散型制造業，產品的生產主要由印前、印中、印后等工序構成；印刷產品具有多品種、小批量、多批次的特點，使其各工序之間涉及大量的物料轉運，導致工作勞動強度大、招工難、管理混亂、效率低，這就需要軟包印刷企業對工廠進行自動化、數字化、智能物流升級或改造，逐步實施少人化或無人化的智慧型工廠；智能物流向產業化細分行業發展，不同的軟包印刷企業對智能物流設備的使用存在較大的差異。因此物流裝備企業需要熟悉印刷企業的工藝要求和業務流程以及技術特點，了解印刷行業和智能化物流技術發展趨勢；隨著軟包印刷企業對智能物流的深入了解及自身企業的業務形態分析和細化物流在各工序之間的應用，移動機器人（AGV/AMR）是未來智能物流搬運的柔性化發展方向，為軟包印刷企業從傳統工廠到智能工廠的升級改造提供一種建設性思路。

二、智能物流在軟包印刷行業的作用

對于現代軟包印刷企業來講，合理規劃生產布局和物流搬運非常必要。合理的生產布局要以生產工藝流程（如圖1）為基礎來規劃和布局生產設備的空間位置，同時要兼容生產所需的物料以及各工序之間物料周轉的物流空間；物流規劃除了與整體新建廠房或現有廠房的結構空間布局有關外，還要考慮生產設備的使用功能及特點，減少不必要的物流搬運互相交叉作業，避免影響整廠或整車間的生產效率，增加人工的勞動強度。

圖1 軟包印刷企業的生產物流

在新建廠房或改造現有車間的智能物流規劃時，主要是按照生產產品的工藝流程多考慮U型布局或受布局空間的局限性可以考慮L型。布局的生產設備、物料搬運、物料周轉的緩存等，可以減少不必要的因產品種類多、工藝不同所產生的物流搬運交叉，達到物流搬運時間短、減少中間緩存的效果。生產制造和物流搬運布局的合理性和先進性，是印刷企業對智能物流系統建設的長期發展方向。

智能物流是軟包印刷企業重要的組成部分，作為傳統離散型制造業的軟包印刷企業，也深受智能制造、智能物流、智能生產、智能工廠的理論體系的啟發。智能物流系統是連接生產各個工序之間、車間之間、倉儲之間的物流搬運系統；在軟包印刷行業中引入智能物流搬運移動機器人，為軟包印刷企業在生產與物流搬運環節提供了更柔性化的智能物流解決方案。

三、移動機器人在軟包印刷行業使用功能及介紹

1.移動機器人場景應用特征

智能移動機器人基于信息化技術、3D視覺技術、控制技術的標準化，驅動軟包印刷企業的產業化升級和改造。移動機器人調度控制系統與MES、WMS等管理系統協作，通過計算機進行集中調度、監控、管理、以及運行狀態。移動機器人具有管理系統化、操作信息化、作業自動化、數據智慧化、網絡協同化、布局柔性化等突出特點（如圖2）。

圖2 印刷機上下料移動機器人

（1）管理系統化

智慧物流系統是通過WMS、WCS等管理系統進行集中管理，集成調度，并與印刷各個工序、人力資源、器具、信息數據等集成在一起進行統一管理控制。

（2）操作信息化

智能移動機器人一般不需要人工直接參與，通過終端系統進行管理控制，管理人員僅需錄入相關信息，監控設備運行狀態數據，系統會自動感知識別信息并執行作業活動。

（3）作業自動化

智能移動機器人應用于軟包印刷印中工序的放卷和收卷，能夠實現自動存放等作業活動，作業環節實現無人化，作業效率大大提升。

（4）數據智慧化

智能移動機器人在執行作業過程中，能夠實時記錄作業數據，并將數據信息上傳至信息管理系統，通過數據的集中存儲管理與分析，處理各項運行控制與管理決策活動。（5）網絡協同化

智能移動機器人調度系統與企業管理系統、生產系統、倉儲管理系統等有機對接，形成一種智慧物流鏈，使企業的物流系統智能化。

（6）布局柔性化

軟包印刷企業可以根據不同的工序場景實施布局和落地，也可根據企業發展的需要增加物流裝備及機器人的數量。

2.移動機器人自主定位及導航系統

定位對接：確定上下料移動機器人在運行環境中相對于全局坐標的位置及航向；

環境感知與建模：根據多種傳感器識別多種環境信息；

路徑規劃：環境已知的全局路徑規劃，基于傳感器信息的局部路徑規劃；

導航：當前同步定位與建模技術SLAM導航；

避障：行駛中通過傳感器感知到靜態和動態物體時，能有效地避障。

圖33 D視覺對接相機

3.移動機器人關鍵參數

移動機器人的設計關鍵參數主要包括：額定承載、搬運物料規格、最大轉彎直徑、階梯舉升高度、行駛速度、對接補償空間距離等。如表1所示。

表1 上下料移動機器人主要技術參數

4.移動機器人安全檢測與防護

移動機器人智能系統在任務執行、物料對接等環節的安全檢測，是移動機器人正常運轉的先決條件，也是重點設計對象?；谝苿訖C器人的智能物流調度系統在搬運場景的控制，安全檢測主要從車體本身、與車體對接機臺上下料裝置兩方面考慮。

移動機器人的運行安全防護有以下幾個方面：

（1）非接觸式防護

移動機器人標配安全避障激光和視覺避障相機，可設定閾值實現減速、緩停、急停三級保護，該安全措施可在非盲區范圍內避免碰撞發生。藍芯科技有限公司自主研發的視覺避障傳感器產品Eagle系列深度相機，集成了320×240像素的TOF深度傳感器，廣泛適用各種工業場景，實現深度數據采集；移動機器人使用識別、檢測、定位等功能；相機橫向探測角度為108°，縱深探測角度為80°，視覺避障范圍在0.3～3m測距范圍。（2）接觸式防護

即安全觸邊，當移動機器人與障礙物發生碰撞并觸發安全觸邊，移動機器人將采取急停措施，該安全措施起到避免二次傷害。

（3）聲光報警與急停按鈕防護

移動機器人正常行駛時會有三色燈和音樂喇叭提醒行人注意避讓；移動機器人上設有位置明顯易見的急停開關。

5.上下料移動機器人的3D視覺的應用

移動機器人依托AI技術+3D視覺識別技術能夠實現自動對接軟包印刷機臺的上下料卷的氣脹軸中心對位，自動檢測印刷機臺氣脹軸的姿態來控制上下料機器人的托舉裝置在X、Y、Z軸方向的補償空間距離。

藍芯科技有限公司自主研發的悟空系列產品（如圖3），產品采用結構光技術，實現大視野三維信息獲取，并提供坐標完全一致的深度和強度圖像，可廣泛使用于各種工業場景，實現高精度三維信息獲取，可單獨使用實現識別、檢測、定位等功能。如表2所示。

表2 對接相機產品參數規格表

（1）輸出特性

3D視覺采集待測對象，并輸出深度圖，提供簡單的接口可直接獲取強度圖、深度圖、偽彩色深度圖和點云圖像，所有圖像坐標系嚴格對齊，分辨率為1280×1024。支持高動態范圍模式，可靈活配置參數實現不同反射率物體的測量；匹配特有處理算法在小幅抖動下快速獲取準確的三維信息。

（2）視覺探測范圍

3 D視覺探測區域示意圖（如圖4），相機橫向探測角度為55°，縱向探測角度為45°，最佳實用距離550mm。

圖4 3D視覺探測區域示意圖

（3）產品特征

3D視覺具有精度高、速度快、工作無間歇、適應環境能力強、柔性高，支持不同型號產品等特點；操作簡單、系統易維護、智能分析、精準識別（如圖5）。

圖5 3D視覺相機機臺對接

6.移動機器人產品優勢

精確定位:采用激光SLAM自主定位導航，支持二次定位，定位更準確；

精準對接：采用自主研發3D視覺對接，托舉機構支持前后右左平移；

全向底盤：采用舵輪驅動，移動更靈活；

自研核心：采用自主研發的主控及業務模塊，集成化高，穩定性；

安全防護：采用3D視覺避障，智能檢測低矮障礙物，行駛更安全。

四、軟包印刷行業移動機器人的場景應用

1.印刷機臺放卷和收卷動作流程

在軟包印刷企業，由生產管理系統或單獨機臺下達任務指令，移動機器人實現與機臺信息的交互對接，并根據任務類型自動調度移動機器人完成印刷機臺的放卷和收卷任務；移動機器人與機臺的放卷動作流程與收卷動作流程類似，動作流程如圖6所示。

圖6 移動機器人放卷和收卷動作流程

移動機器人對接機臺放卷：動作示意如圖7-a所示，移動機器人根據WCS（Warehouse Control System）控制系統任務指令，通過RCS調度系統上下料機器人執行搬運任務移動至印刷機臺上料點。移動機器人對印刷機臺內的異物進行安全檢測，安全檢測后移動機器人打開3D相機擺臂至到位，托舉機構升高一定高度（圖7-a-放卷動作1）；移動機器人的托舉機構調整X、Y、Z軸方向的空間距離，印刷機臺的氣脹軸自動伸出至頂住卷料軸芯內側（圖7-a-放卷動作2）；印刷機臺的氣脹軸夾緊確認后，移動機器人的3D相機擺臂回位，托舉機構先下降后歸位（圖7-a-放卷動作3），移動機器人退出印刷機臺上料點，任務結束移動機器人執行下一任務。

圖7-a 移動機器人對接機臺放卷示意圖

移動機器人對接機臺收卷：動作示意如圖7-b所示，移動機器人根據WCS控制系統任務指令，通過RCS調度系統上下料機器人執行搬運任務移動至印刷機臺下料點。移動機器人對印刷機臺內的異物進行安全檢測，安全檢測后移動機器人打開3D相機擺臂至到位，托舉機構升高一定高度（圖7-b-收卷動作1）；移動機器人的托舉機構調整X、Y、Z軸方向的空間距離，托舉機構升高直至接觸卷料后停下；印刷機臺的氣脹軸縮回直至原始狀態（圖7-b-收卷動作2）；印刷機臺的氣脹軸至原始狀態確認后，移動機器人的3D相機擺臂回位，托舉機構先下降后歸位（圖7-b-收卷動作3），移動機器人退出印刷機臺下料點，任務結束移動機器人執行下一任務。

圖7-b 移動機器人對接機臺收卷示意圖

2.移動機器人放卷和收卷與印刷機臺通訊對接

移動機器人接受MES、WMS頂端系統層下達的有關命令或分發的任務信息，將采集到的信息通過無線局域網反饋給上層控制中的中間環節，印刷機臺控制系統和機器人系統通過局域網完成組網，使得移動機器人能夠在任何情況下，都能直接或間接（通過移動機器人服務器等方式）與印刷機臺控制系統進行通訊，以實時獲取印刷機臺控制系統發出的狀態指令；移動機器人的控制系統實時接收或反饋給印刷機臺的控制系統（如圖8）。

圖8 移動機器人通訊對接

機器人與印刷機臺的通訊對接考慮印刷企業的設備控制系統與廠內網絡環境，如印刷機臺的控制系統可以直接通訊，直接與移動機器人調度系統對接；如印刷機臺的控制系統不能直接通訊，印刷機臺需加設PLC控制器，與印刷機臺控制單元進行I/O交互，使之完成放卷和收卷指令的通訊對接（如圖9）。

圖9 移動機器人與機臺模塊對接

五、移動機器人的控制調度系統設計

移動機器人的控制調度系統是移動機器人的核心，采用集中控制方式，滿足印刷企業現場環境要求；系統與生產管理系統對接，任務指令下達和報告移動機器人的運行情況。移動機器人控制調度系統可實時調度在線移動機器人的同時，系統工作狀態在屏幕上顯示。

軟包印刷企業現場物流空間有限，線路規劃會與印刷設備干涉，在有限空間內結合上下料機器人本體的外形尺寸、輪系位置及可調速度等特性，采用柔性曲線或直角平移曲線，能夠在規劃路線時自動分析路線的坐標，把路線分成若干坐標距離和機器人的控制的優化，使移動機器人的行駛路徑符合現場印刷機臺對接要求（如圖11）。

圖10 移動機器人放卷和收卷部分應用場景

圖11 移動機器人控制調度系統界面

移動機器人系統包括機器人工作狀態管理、地圖智能路徑規劃、移動機器人通訊管理、移動機器人設備管理和信息交互管理。通過移動機器人控制調度系統模塊進行整合、協同運作、調度等。

1.地圖模塊

路徑規劃是對軟包印刷各個工序的實際工作條件進行最優的路徑選擇，將移動機器人的運動軌跡以適當的比例縮小，并且將移動機器人的實際運動過程中的路線動態實時地呈現在地圖模塊上。

移動機器人搬運點位的更改及位置信息由現場設備物理地圖、RCS 邏輯地圖構成。RCS 邏輯地圖通過導入現場設備物理地圖，更新工序之間的上下料對接點的物理位置，在此基礎上更新位置的業務屬性，最終完成搬運路線和點位的改變。

2.系統管理模塊

移動機器人的信息管理和任務查詢是根據生產任務信息、產線叫料需求，系統自動調度和分配生產任務；移動機器人執行任務和運行狀態實時上傳終端系統；移動機器人執行調度任務的編號、起點終點坐標以及調度任務的優先程度，調度系統下達任務指令時后臺數據庫會在任務工作表中自動記錄本次任務信息。

3.信息交互模塊

智能調度系統是通過調度系統和多臺移動機器人的傳輸信息進行交互，車輛數據庫中上傳移動機器人的車輛信息，在調度系統數據庫中可以查詢移動機器人的編號、剩余電量、運行狀態和當前執行任務及所在的位置，并能夠實時查詢移動機器人的工作進度。

六、結論

通過在軟包印刷企業建設智能化物流系統，對移動機器人的功能及應用進行了描述；智能移動機器人的硬件結構和軟件技術的成熟與升級，為實現廠內物流優化、廠內信息化管理，降低勞動強度，幫助企業降本增效和轉型升級提供參考依據。