書帖自動倉儲運輸設備的研究

龍俊，何邦貴，王超，李秋麗，張朝亮

（1.昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650000；2.云南新華印刷五廠有限責任公司，昆明 650100；3.云南印刷技術研究有限公司，昆明 650231）

書刊是文化傳承和獲取知識的重要載體。隨著自媒體和電子讀物的不斷發展，紙質圖書的市場已經越來越少，然而中小學教科書仍以紙質圖書為主，中小學教材的生產主要有制版、印刷、裝訂三大環節。隨著科技的發展，雖然印刷工藝與技術不斷地創新與進步，一部分的企業已經完成了生產設備與工藝流程的改造，但由于工藝流程之間的機械聯系不連續、沒有工藝控制等問題，導致生產還有大量的人力重復性勞動，生產效率低[1]。文中對現有書刊生產中書帖的倉儲方式進行分析，應用自動化技術改造傳統企業的生產體系，構建書刊企業現代化發展的目標，為國內書刊企業的生產自動化改造提供參考。

1 書刊生產中的書帖倉儲現狀和存在的問題

1.1 工藝流程

書刊成品都要經過印前制版、印刷和印后加工三大工序。云南國方印刷有限公司的書刊生產工藝流程如圖1 所示[2]。

圖1 書刊生產工藝流程Fig.1 Production process of books and periodicals

圖2 書帖儲存區Fig.2 Book storage area

1.2 現有書帖的倉儲方式及存在的問題

1.2.1 現有的倉儲方式

目前使用的倉儲方式是木制的托盤，以托盤為中介物用于書帖的儲存，人工使用叉車將其運到空閑處放置并貼上標簽以便識別。具體使用過程為：印帖經過折頁機折頁的書帖自動累積成100 帖一摞的書帖后，工人便會將這一摞書帖以縱橫交錯的方式堆碼在托盤上，待書帖堆碼到1.5 m 左右工人便在書帖上放置一張產品標識單以便識別書帖類別、名稱；然后由工人將托盤運至空地進行儲存。當需要配帖時，工人去儲存區尋找所需配帖的書帖，然后將其運輸到配帖機前。

1.2.2 存在的問題

通過對國方印刷廠進行調研發現，以現有的書帖倉儲方式進行儲存會出現人工搬運、占地面積使用率不高、儲存區擁擠、空間利用率低、不方便自動化及信息化管理生產等問題。

人工搬運：運輸工人將堆碼好的書帖用叉車運轉至可存放半成品的空地（半成品區域）上儲存，待裝訂時又將書帖搬運至配頁機旁進行配帖。

存儲區擁擠：堆碼好的書帖由工人用叉車運輸到書帖儲存區（空閑區域）擺放，沒有規律沒有順序的擺放，書帖也沒有固定的儲存區域，完全靠工人的眼力看到哪里有空位就放在哪里。

自動化和信息化程度低：靠產品標識單來識和尋找書帖，這種方式不但耗時耗力且效果不佳。在配帖時需要花費大量的時間尋找所需的書帖，如果產品標識單丟失就需要工人去一個一個查看書帖內容來判斷是否為所需書帖，需要花費更多的時間去尋找。

2 國內外研究現狀

近年來，隨著自動化、智能化的發展，促進了我國印刷企業向自動化生產轉變的過渡。一部分企業雖然完成了生產設備與工藝流程的改造[3-4]。但由于工藝流程之間的機械聯系不連續、沒有工藝控制等問題，導致生產還有大量的人力重復性勞動、生產效率低[5]。我國的大部分書刊印刷企業的生產設備、工藝流程與其他國家的先進企業的相比還是較落后[6-8]。

閱讀書帖倉儲相關的文獻發現，只有楊琛等[9-10]設計了一套關于書帖倉儲的方案。該方案利用閑置的空間，以集收帖、倉儲和運輸為一體的連接方案，并且使得現有印刷加工環節與印后裝訂環節有效地串聯起來。但綜合考慮國方印刷廠現有的場地設施、經濟情況發現，楊琛的方案并不適用于國方這樣的中小型印刷廠。

因此，設計一套適用于中小型企業的自動倉儲設備是現代書刊印刷企業所迫切需要的。

3 自動倉儲設備的研究

3.1 方案研究

1）方案1：滾筒導向輪式1。此方案由滾筒傳輸帶、檢測器、導向輪、配頁機組成，如圖3 所示。導向輪：可以改變物體運動方向的輪子（圖3 中的導向輪設置為可以豎直轉動和水平轉動）。工作原理：書帖按量放在托板上從滾筒進入，經過檢測器識別，控制系統找出空位并規劃路線，通過導向輪運輸到指定位置存放；需要配頁時，在控制系統中輸入所需書帖的信息，控制系統反應并規劃路線，通過導向輪將書帖運輸到指定配頁機前的滾筒傳輸帶上。

圖3 滾筒導向輪式1 示意圖Fig.3 Schematic diagram of roller guide wheel type 1

2）方案2：滾筒導向輪式2。此方案由滾筒傳輸帶、檢測器、導向輪、配頁機等組成，如圖4 所示。導向輪：可以改變物體運動方向的輪子（圖4 中的導向輪設置為可以豎直轉動和水平轉動）。工作原理：書帖從折頁機出來按量放在托板上，從滾筒傳輸帶進入，經過檢測器的識別，控制系統找出空閑位置并規劃路線，通過導向輪運輸到指定位置存放；當需要配頁時，在控制系統中輸入所需書帖的信息，控制系統反應并規劃路線，通過導向輪將書帖運輸到指定配頁機前的滾筒上。

圖4 滾筒導向輪式2 示意圖Fig.4 Schematic diagram of roller guide wheel type 2

3）方案3：自動托盤。基于云南國方印刷廠現有的倉儲設備，以創新設計理論和自動化的思想結合自動導引車，設計出一款可以自動運輸的設備。方案對現有的托盤進行改造，在托盤底部加上AGV 的舵輪，再加上導航系統和自動規劃路徑，讓這個自動托盤擁有自動運輸、精準運輸、自動規劃路徑的能力。該方案的構成包括：托盤機構、儲存單元、導航及路徑規劃系統。

經過對比3 個方案的優缺點、成本、效率以及考慮現有的場地問題，最終選用方案3 作為設計方案。

3.2 托盤機構設計

為了使托盤能夠快速轉彎、精準運輸，舵輪的數目設置為4 個。總裝配體由4 個舵輪、托板、安裝板組成，如圖5 所示。其中舵輪組合體包括主動電機、編碼器、轉向盤、支撐板、連接柱、大齒輪、軸承座Ⅰ、小齒輪、傳感器、轉向電機、軸承座Ⅱ、輪子等，各個部件準確地相互配合，按照一定順序最終裝配成一個完整的舵輪組合體，如圖6 所示。

圖5 自動托盤整體結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the overall structure of the automatic pallet

圖6 國方3 樓車間分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of the distribution of workshops on the 3rd floor of the Chinese side

3.3 書帖的儲存單元

為了解決書帖存儲擁擠問題，將國方印刷廠的空閑地帶劃分幾個書帖儲存點，用于書帖的儲存。所劃分的書帖儲存位置如圖7 中書帖儲存點所示。

圖7 書帖儲存點2 的柵格圖Fig.7 Grid diagram of book post storage point 2

為了存取方便，儲存位設置為行網格結構或者列網格結構。行網格結構包括行存儲格單元、行走通道。一個行存儲格單元表示一行依次布置的多個連續存儲格，最多2 個行存儲格單元連續布置，分離的行存儲格單元之間為行走通道，如圖6 中書帖儲存點所示；列網格結構同理。基于該網格方式，在提高存儲格數量的同時，可以高效解決已存放書帖運輸裝置的移動問題。

工作過程：使用多個自動托盤，對每個自動托盤進行編號，不同編號的自動托盤用于放置對應頁碼的書帖；其中，自動托盤的編號及對應的頁碼信息存儲在調度中心。自動托盤的工作過程可以分為2 個部分。

1）收帖+自動托盤。印帖在經過折頁機后，會自動累積成100 帖一摞的書帖，然后由操作工人以層層疊加、緊密排列的方式堆碼成一個長方體在自動托盤上；由自動托盤運輸到書帖儲存點進行儲存，同時將自動托盤的編號及對應的頁碼信息通過通信模塊發送調度中心存儲。

2）自動托盤+加帖。當需要配帖時，人工在調度中心輸入所需要配帖的頁碼，調度中心驅動儲存點中存儲該頁碼的自動托盤，自動托盤就自動導航到配頁機前配頁時書帖儲存區對應工位的位置（配頁時書帖儲存區依據頁碼順序從左往右排列，以適配現場配帖作業），等待工人配帖，同時將自動托盤的編號及對應的頁碼信息通過通信模塊發送至調度中心存儲。

3.4 導航方式及路徑規劃

1）方案1：AGV 系統導航。在自動托盤上安裝AGV 的導航系統[11]，從而實現自動托盤的精準運輸功能。路徑規劃是在給定環境中尋找起點和目標點之間最短可行路徑的過程。首先需要將AGV 運行的倉儲環境抽象成電子地圖在計算機中進行表達，然后在此基礎上利用路徑規劃算法搜索路徑。運行時需要給定起點和終點，GAV 根據起點和終點的位置進行路徑規劃，選出最優路徑后按照路徑運輸到儲存區進行儲存。

2）方案2：自動路徑+室內Wi–Fi 定位。可以將書帖儲存點看成一個停車場，書帖儲存點中的小格子就是停車位，每個自動托盤看成一輛車；在每個自動托盤上安裝一個導航系統，通過Wi–Fi 定位[12]可以找到空閑的格子，自動托盤就可以通過導航過去進行儲存。

3）方案3：計算機輔助+自動導航+路徑規劃。在自動托盤上安裝一個導航系統，在車間設置一臺計算機作為輔助工具。自動托盤工作時，首先由計算機找到最近的儲存位；然后規劃路徑并選擇最優的路徑，將信號傳給自動托盤的導航系統；最后自動托盤就導航至儲位進行儲存。

3.5 路徑仿真分析

利用Matlab 軟件模擬云南國方印刷廠內的儲存環境建立一個環境模型。在此環境下，進行路徑的仿真實驗，從而驗證本文方案的有效性。

3.5.1 地圖建模

基于柵格法，以書帖儲存點2 為例建立柵格地圖如圖7 所示。其中柵格地圖包括：折頁機、儲存位、配帖機等硬件設備的簡化示意模型，整個地圖由13×11 的柵格組成。圖7 中空白柵格表示可移動通道，第4、5、7、8、10 行代表儲存位置，第10 列1、2行的黑色柵格表示折頁機，第12 行代表準備配帖時書帖的位置，第13 行表示配帖機。

3.5.2 路徑仿真

基于建立的柵格地圖，用A*算法[13-14]對路徑進行規劃[15-16]。其中小圓圈表示初始節點，方塊分別表示目標節點，連接兩點間的路線為規劃的路徑。由于書帖從折頁機運到儲存位的初始位置是不變的，所以設置初始點的位置。目標位置的是由調度中心根據儲存位空缺決定的。路徑規劃結果如圖8 所示。

圖8 書帖儲存時的路徑規劃Fig.8 Path diagram for post storage

3.5.3 配帖時的路徑規劃

從倉儲位到配頁機的路徑規劃與書帖儲存時的路徑規劃所用的柵格地圖是一致的，除了起始位置和目標位置發生變化，其他的設置都不變。當需要配帖時，調度中心輸入所需要配帖的頁碼，調度中心驅動存儲該頁碼的自動托盤，自動托盤就自動導航到配頁時的相應位置。仿真結果如圖9 所示。

圖9 配帖時的路徑規劃Fig.9 Path diagram for posting

針對書帖儲存時和書帖配帖時的2 個運輸過程分別做了4 次仿真。從仿真結果可以看出，自動托盤可以精準地到達指定位置，并且它的運輸軌跡路程為最短。

4 結語

本文首先分析了書刊的生產工藝流程和現有的書帖倉儲方式；然后指出其存在的主要問題，提出創新方案；最后對方案的機構進行設計，對儲存單位進行劃分，對導航及路徑規劃系統進行闡述，并對儲存書帖時與配帖時的路徑進行仿真。結果表明了本文的方案設計合理。同時該方案的設計實現了兩大環節的自動化連接，減少人工操作，減輕工人的體力勞動，提高了書刊印后加工的自動化水平，進而提高企業的生產效益，具有一定的實際應用價值和經濟效益。書帖自動運輸設備的設計為印后加工環節的機械化、數字化和自動化的連線生產奠定了基礎。