物料搬運操控系統及方法

鄭毅斐 靳少朋 張世杰 袁 楷 崔學強

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 10007

起重機在物料搬運過程中承擔了工廠車間的生產、運輸等重要環節。起重機由升降、小車、大車等機構組成，各機構均可往復運行，實現對目標物體的三維層面（坐標軸的x軸、y軸、z軸）搬運。操控系統主要包括主令控制器、可編程邏輯控制器、變頻器等，操控方式主要是本地操作臺、遙控器等，運行時根據操作人員目測現場狀況控制各操作機構。這種常規方式較大程度依賴現場操作人員的熟練度和安全意識，在普通生產制造、檢修維護等車間大范圍應用。目前，也有增加了提高吊具抓放精度和定點移動功能的操控系統，但依然依靠手動操作運行。在現今的先進制造車間越來越追求安全、智能、高效、全自動的應用理念下，該操控系統有較大的提升空間。

1 背景闡述

1.1 現有先進搬運系統

現在已有成功應用在散料聯合儲庫的全自動、智能化起重機搬運系統，其技術特點主要包括以下幾點：

1）位置檢測及校驗裝置 定位起重機各運行機構，建立三維坐標并可自行校正數據；

2）物料掃描與檢測裝置 掃描散料三維圖像與監控料口狀態；

3）遠程控制臺與視頻監視裝置 可改善操作環境；

4）自動化運行功能 根據掃描數據和軟件設置自動運行；

5）服務器 運行自動運行軟件和數據存儲實體；

6）抑制吊物搖擺的調速算法 增加設備運行安全性。

7）遠程在線故障診斷 提高故障響應效率。

以上技術特點的很多基礎層面均可在智能制造車間的應用場景借鑒應用，如位置檢測及校驗裝置、遠程控制臺與視頻監視裝置、抑制吊物搖擺的調速算法、遠程在線故障診斷等。然而，上層智能化、自動化技術方面則需要重新設計，以適應具有本質區別的搬運目標和搬運任務，同時還要新增一些本場景下實際需要的功能、系統。

需要注意的是，上述先進系統是為適應搬運散料而設計的，自動運行時其運行邏輯為：位于投料口的傳感器實時監測料口情況，相關軟件判斷需要投料時，依據起重機上物料掃描裝置掃描出的存儲區散料三維圖像，決定抓料坐標，依靠小車上的稱重裝置判斷抓取狀態，再使用自動運行功能前往投料，如此往復。

1.2 智能制造車間應用差別

對上述搬運散料進行比較，智能制造車間應用場景下的搬運系統與其有著諸多差別。首先，搬運目標有差別，制造車間多為類型一致的固體工件，故相應搬運抓具、目標物料抓放精確對接以及是否到位的判定方法都有較大區別。

其次，智能制造車間與散料聯合儲庫相比，其工作區及存放區會有人員或車輛不定時進入，這對起重機的運行邏輯影響較大，故應具備對人員或車輛實時探測并立即做出響應的功能。

最后，智能制造車間起重機的運行目的與現有搬運系統不同，散料聯合儲庫的目的是抓投料，圍繞此需求設計運行邏輯；而智能制造車間最核心的目的是服務加工，如待加工和已加工的工件通過起重機吊進或吊出加工區再分開集中暫存，故其運行邏輯是圍繞服務加工展開。由此可見，智能制造車間的起重機已從傳統意義上的單機運行發展成為搬運系統的概念，成為整個生產鏈中更重要的一環。

綜上所述，現介紹一種在智能制造車間應用場景下可解決與現有先進搬運系統技術的搬運目標、運行目的和邏輯有較大差別的問題，以及增加了對人員、車輛等實時探測，并立即做出響應的安全監測功能的新型物料搬運操控系統及方法。

2 操控系統詳述

2.1 系統邏輯及組成

該系統依據智能制造車間實際情況設計，其自動運行時的循環運行邏輯為：當起重機當前狀態為空閑時，管理調度控制系統下發給起重機去指定位置取/放的搬運任務，可編程邏輯控制器內的自動運行功能將管理并控制起重機執行，完成任務后反饋給管理調度控制系統，再標記起重機狀態為空閑，期間在起重機運行時空間安全管理系統提供整個工作空間的實時警戒、安全管理，保障運行安全。若起重機正在執行任務則新任務依次排列，待當前任務執行完成卻遇任務執行受阻（如超載等情況），該任務將擱置等待人工處理，繼續執行隊列任務。同時，上級廠級集控站擁有權限修改任務隊列排序及中斷自動運行。

物料搬運操控系統的組成包括全自動模式和非全自動模式。全自動模式主要包含服務自動運行的管理調度控制系統和空間安全管理系統，管理調度控制系統主要有三維坐標系下的各區域點位坐標標記、新增搬運任務生成、當前任務管理、歷史任務記錄等功能；空間安全管理系統主要有激光3D掃描設備實時掃描下的靜態障礙規避、動態障礙警告規避、高精度掃描對接等功能。以上2系統都與控制起重機各機構運行的可編程邏輯控制器相通訊，并實時交換數據保障運行。非全自動模式即包含了操作臺、遙控器、遠程操作臺等傳統手動控制方式。物料搬運操控系統組成如圖1所示。

圖1 物料搬運操控系統組成簡圖

2.2 系統關鍵功能

2.2.1 管理調度控制系統

管理調度控制系統為運行于可24 h不間斷運行的服務器上的計算機軟件系統，與起重機、加工設備、廠級集控站通訊連接。智能制造車間起重機的基本任務是將指定工件從指定位置1搬運至指定位置2，該系統可記憶歷史搬運工件的存放位置、不同類型工件的存放數量等，可大量減少人工的手動錄入數據工作。該系統是整套操控系統及方法的頂層指揮，專門針對智能制造車間物料的堆放形式和存放要求所設計開發，負責搬運任務調度、信息傳輸等為實現智能制造車間起重機自動運行的各項數據支持。運行邏輯是首先人工根據工藝流程預設搬運任務類，結合存儲記憶的以往搬運工料的存放位置和同時接收到的加工區及更高級廠級集控站發出的任務指令，再考慮起重機當前運行狀態，最終給予起重機分配搬運任務?？稍谧詣舆\行下依據所記憶的同類型工件存放位置，當有從加工區取工件存放需求時，指揮起重機前往加工區吊取后放置于該位置或新的空置區；有存放區取工件前往加工的需求時，亦可指揮起重機前往吊取并放置于加工區，全程無需人工定位、操作，既節省了時間、空間和人力，又提高了起重機工作效率。

舉例說明，當加工設備M1加工完成，向該系統發出指令提出物料A已完成需要取走存放，再取來物料B加工的搬運需求，該系統依據設定或記憶的物料存放位置標記，下發可編程邏輯控制器執行搬運任務，使起重機前往加工設備M1坐標處，精確對接取物料A，自動運行至存放區11坐標處，精確放置，再去存放區12坐標處，精確對接取物料B，自動運行至加工設備M1坐標處，精確放置。如此即完成一個搬運任務循環。

圖2為物料搬運操控系統車間俯視圖，起重機可在加工區和存放區之間自由運行，通過升降、大車、小車機構實現物料的3個維度（坐標軸的x軸、y軸、z軸）搬運，加工設備、單類物料精確存放區等工作、運行區域均有三維坐標定位，存儲于起重機可編程邏輯控制器內，并分別標記編號，與管理調度控制系統間通訊時以編號作為搬運任務的起點或終點。

圖2 物料搬運操控系統車間俯視圖

2.2.2 可編程邏輯控制器功能

可編程邏輯控制器可以控制起重機的各機構運行，具有運行機構定位與校正、超載報警、變頻器驅動電動機運動、操作臺或遙控器手動控制運行、吊物防搖晃等功能，與管理調度控制系統通訊連接，且配備有適應取放目標物料的吊具，吊具四周安裝有激光3D掃描設備，可提供環繞吊具360°的掃描數據，以支持精確拾獲和放置以及提供運行中的吊物防碰撞功能，同時還安裝有傳感器用于檢測抓放是否到位。

執行自動運行功能，依據管理調度控制系統給出的搬運任務去往搬運坐標，依靠位于特殊吊具上的激光3D掃描設備實現吊具與目標物料的精確抓取、放置。另外，該自動運行模式可方便快捷切換為手動操作模式，此時操作人員可按照常規模式使用操作臺或遙控器目視操作起重機執行搬運任務。

2.2.3 空間安全管理系統

空間安全管理系統包含激光護欄、安全防護激光3D掃描設備等硬件與所屬軟件，與起重機可編程邏輯控制器通訊連接，發生安全預警即可介入并中斷起重機運行。如在生產運行過程中激光護欄監控到有人、車進入，聲光報警裝置立即運行，提示人員非必要立即離開，吊具上的激光3D掃描設備掃描到運行路徑上的意外障礙，則觸發安全預警，起重機中斷運行并發出提示，直至障礙撤離或人工操作接管。

1）激光護欄為多個非接觸式距離檢測的單點激光發射設備與反射面組合所圍成的大范圍激光護欄區域。單點激光發射設備具有可檢測至搭配的反射面距離、設置激光被遮擋后的報警觸發時間等功能，可依據使用場景方便調整。安裝桿頂部安裝有聲光報警器，當有人員或車輛觸發激光護欄進入工作區后即發出聲光報警，直至人員及車輛全部撤出。當有多個進入觸發信號時可記憶次數，次數不為負數，在有同等數量撤出觸發信號或手動解除才會停止聲光報警。

圖3為物料搬運操控系統激光護欄安裝圖。單點激光發射設備的安裝數量、間距、高度、與激光接收反射桿距離都可根據實際選用設備型號做出適合現場的調整。這些激光發射設備安裝桿與激光接收反射桿可不限單功能一體或多功能一體，即桿體四面每一面都可部署為發射或接收面，以提高靈活度。若同1個安裝桿的水平安裝面上相鄰安裝2個激光發射設備，依據兩者的毫秒級觸發時間差即可方便實現對進入與撤出的分辨，以支持人員的進入與撤出次數記憶。

圖3 物料搬運操控系統激光護欄安裝圖

2）激光3D掃描設備的特點為：基于2D激光掃描儀與云臺集成為一體的三維空間測試設備，擁有獨立的上位機軟件，可在軟件界面查看掃描測量的3D點云圖，并進行參數配置寫入。應用于工業領域移動物體距離測量和輪廓掃描，測量點云數據量大，輪廓清晰度高。水平及垂直方向掃描的角分辨率達到0.05°，適合于工業自動化領域三維空間內較小物體的輪廓掃描測量、數據輸出。安裝對應的數據處理應用軟件，可實現數據特征提取、數據比對、判定等功能。主要應用點為：

①輪廓掃描 為特殊吊具對目標物料的精確對接、抓放提供距離、方位等精準數據支持；

②距離測量 為轉運運動過程中的障礙物實時距離檢測提供數據支持。

以上2功能由可編程邏輯控制器根據此時起重機運行狀態與激光3D掃描設備快速通訊切換。在抓放過程時，運行輪廓掃描模式，提供高精度數據支持，到位后進行轉運過程時，運行距離測量模式，提供障礙物防碰撞數據支持。

圖4為物料搬運操控系統激光掃描設備安裝圖。特殊吊具上激光3D掃描設備、抓放到位檢測等傳感器的供電、通訊電纜通過垂纜、滑纜等連接到起重機電氣柜。該激光3D掃描設備的掃描信息實時傳送至其自帶上位軟件，再將處理后所需數據傳輸給可編程邏輯控制器，以支持運行。

圖4 物料搬運操控系統激光掃描設備安裝圖

3 應用前景

該系統可廣泛應用于智能制造行業內的基本包含加工區和存放區的制造車間或其他功能相似的車間，車間內的2個作業區之間需要依靠起重機更換、搬運工作所需物料，整套工作流程具有一定的邏輯重復性，可實現點對點的自動往復運行。如包括不限于大自重或不規則外形工件自動加工、壓鑄車間模具自動更換等高度要求安全、智能、精度的應用場景。

4 結語

在工業4.0和智能制造2025的規劃下，將有越來越多的智能化設備制造浪潮興起，其中起重機械也將適應浪潮，朝著越來越智能方向發展。該系統的設計可大大增加起重機所在應用場所的環境感知能力，更加安全、高效地執行搬運任務，降低人為操作成本、風險。系統中的管理調度控制系統，可實現根據工作流程實際需要而設定搬運規則，自動運行下規律性地循環執行搬運任務，并可由高一級的廠級集控站根據實際生產狀況進行介入調整；其中的空間安全管理系統可全程實時提供障礙檢測、人員與車輛聲光報警驅離等安全防護，達到真正自動運行且可控、可調、可靠，減少了人為操作的不確定性，提高了設備運行安全和效率。