金屬箔卷智能制造工廠自動化物流系統設計

孟令廣

1 北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007 2 北京市自動化物流裝備工程技術研究中心 北京 100007

0 引言

金屬冶煉和加工業是我國的基礎產業，金屬箔行業是其細分行業之一，我國的金屬箔產量在全球占有較大比例，是金屬箔制造業大國。目前，我國金屬箔行業軸卷類貨物的存儲大多采用起重機進行搬運的平面倉庫方式，以堆垛機為存取核心的自動化立體倉庫應用較少。

智能制造系統是深度融合傳感器感知、計算、通訊和測控技術的以高端機械化、電氣自動化、企業信息化為基礎的集成制造系統。在鋼鐵冶金行業中已實現了無人起重機、一鍵煉鋼、工業機器人等應用。通過智能制造技術升級應用，可有效降低生產制造周期、降低制造成本、提高效率。

金屬卷在按照生產工藝加工后轉化為成品金屬箔卷，生產中的各個環節之間，如何將半成品進行自動化的存儲、搬運、管理，以提高產品質量、降低能耗、提升管理水平成為智能化提升的一個研究課題。本文以某一金屬箔工廠案例的規劃設計來說明采用堆垛機方式的自動化立體倉庫作為半成品和成品的存儲方式，采用合適的自動化搬運設備對貨物進行自動化搬運、轉運是切實可行的解決方案。

1 項目需求

金屬箔卷類物品不同于常規紙箱、周轉箱、托盤等方形貨物單元，其卷類貨物單元自身形狀為圓柱形；質量較重，一般每卷重達數百公斤或數噸；軸沿水平放置情況下容易滾動；金屬箔卷類貨物在生產后期由于板材很薄且材質較軟，需要保護箔面和卷類貨物端面，防止劃傷；卷類貨物可以自帶軸心。根據以上特點，針對該類貨物進行自動化方式存儲，其存儲方式、自動化搬運著力點等方面的設計需要考慮貨物本身獨特的需求特點。

以某實際項目為案例，該項目是智能制造工廠內的智能車間，車間內多個工藝環節之間需要自動化實現貨物的流轉和存儲，其間需要處理和搬運的貨物單元有2種，存儲和搬運過程中要求圓柱面不能被擠壓和碰觸，其工藝流程（見圖1）為

圖1 生產工藝流程

1）貨物單元1 金屬卷熱處理后進入冷卻立體庫（使用機器人自動化搬運入庫）；冷卻立體庫到精加工工序（使用AGV 自動化搬運交接）。

2）貨物單元2 精加工后的半成品進入成品立體庫（使用AGV 自動搬運交接，使用機器人自動搬運入庫）；成品立體庫包裝發運（使用AGV 自動搬運交接,使用機器人自動搬運入庫）。

整個工藝過程中金屬卷單元的外圓周面不能被接觸和擠壓。金屬卷單元1 最大卷重＞700 kg，卷外徑＞700 mm，圓卷芯內穿方鋼管。單元2 最大卷重＞700 kg，卷外徑＞700 mm，圓卷芯內無方鋼管。金屬卷貨物形狀示意如圖2 所示。

圖2 金屬卷貨物形狀

2 物流系統設計方案

2.1 搬運、存儲單元設計及貨架設計

圓柱形卷軸類貨物單元的搬運和存儲有2 種方案。

1）方案1 卷軸零件的端面水平的放置在平托盤上（卷的姿態為軸線垂地面直），以托盤形式搬運，并存儲在自動化立體倉庫中。該方案借用平托盤作為載體進行搬運和存儲，經濟性較好，方案成熟可靠，但由于在卷類零件的多個生產工藝環節中，要求卷的姿態為軸線水平方向進行交接，如果采用本方案，需要在交接時將卷類零件自動地從托盤上取下并旋轉后保持軸線水平與工藝設備進行交接，增加了設備和環節，且自動化設備處理卷軸從托盤上取下、旋轉、交接等一系列作業，難度較大，存在不可控風險，故此方案不可行。

2）方案2 采用軸線水平的姿態進行搬運和存儲以及交接。軸卷零件在多出工藝設備上被要求軸線水平交接，在存儲、搬運、交接時均保持軸卷零件軸線水平，軸卷零件在存取、搬運時只是平移運動，難度較小，方案較為可行。

針對方案2，因存儲單元為金屬箔卷，為帶軸心的圓柱形貨物，其外圓周表面不允許擠壓和接觸，受力部分只能是軸心部分，對于單元1 圓管芯突出卷外部分很短，單側只有數毫米，在搬運、存儲和交接時需要內穿的方管作為承力件，按此原則將方案2 進行細化設計。由于自動化立體倉庫為本案例工藝過程中的非常重要且難度較大的環節，首先設計2 座自動化立體倉庫的存儲單元，以此確定整個工藝過程中的搬運單元。由于立體倉庫是完全無人的自動化存取系統，不僅要考慮貨物單元是以何種形式存儲在貨架系統中的，還要考慮自動化堆垛機、輸送機系統是如何可靠地進行貨物交接和傳遞。這也是本系統的核心技術方案。

設計冷卻立體庫存儲單元時有2 種選擇：

1）方案A 金屬卷和軸心直接作為存儲單元，無需托盤支架等載具參與，在入庫、儲存、出庫過程中貨架系統、堆垛機系統和輸送機系統都處理裸金屬卷和軸心。

在自動化立體庫貨架方案設計時，需采用牛腿式貨架方式來設計貨架形式，以貨架的牛腿來支撐金屬卷的軸心伸出兩側端面的部分，如圖3 所示。

圖3 方案A 貨架布置圖

本方案自動化立體庫內由貨架牛腿部分直接支撐卷軸的軸心，存儲單元不含托盤和支架，省去該部分成本，但是方案A 存在3 個問題：①由于存儲單元為裸軸卷，堆垛機存取該裸軸卷必須使用特制的貨叉來叉取軸卷兩側的軸心伸出部分，該貨叉沒有標準產品，需采用非標特殊定制，難度較大、成本高；②牛腿貨架相比常用的橫梁式貨架立柱較多，由于必須采用牛腿貨架，貨架成本較普通橫梁貨架高；③由于金屬卷軸心單側超出卷端部分的長度不長，該部分長度需要滿足堆垛機叉取部分長度（堆垛機所需長度根據貨物質量考慮以及堆垛機特質貨叉的剛性、穩定性的要求，該部分長度應該不低于50～100 mm）、貨架支撐部分長度（貨架牛腿支撐部分長度，由于貨物較重，在貨架上存儲時是靠兩端的牛腿支撐軸心，而很重的貨物完全懸空狀態，軸心的剛性不好會產生較大的彎曲下撓，支撐距離短有貨物墜落風險。該部分距離不小于100 mm）、2 處安全距離（堆垛機與卷軸端面的安全距離以及堆垛機貨叉與貨架牛腿之間的安全距離的長度大小取決于堆垛機的定位精度，一般堆垛機的定位精度為±5 mm，故2 個安全距離至少要分別大于10 mm，合計20 mm）4 個功能長度的需求，如圖4 所示。

圖4 軸向距離需求

由于本案例的軸卷零件的軸心單邊超出軸卷零件端面的距離小于上述各個距離之和，故方案A 不可行。

2）方案B 金屬卷和軸心放置在特制的支架上，每個軸卷一個支架，存儲和搬運過程中軸卷零件軸心受力，其入出庫、儲存、交接過程中該支架跟隨金屬卷和軸心一起作為統一體的存儲單元。

按照此方案，在立體庫貨架上，只需采用普通橫梁式貨架形式來支撐該支架及上面的卷軸零件（見圖5）。

圖5 方案B 貨架布置圖

本方案中立體庫內存儲單元為金屬箔卷以及支撐支架，立體庫貨架系統采用橫梁形式的貨架，由支架支撐金屬卷，與方案1 相比增加了支架，增加了部分成本，但本方案堆垛機叉取裝置采用標準貨架不需要特殊定制，技術難度降低；貨架采用普通橫梁貨架，每個貨格內可以存放多個存儲單元，故成本降低。同時由于堆垛機直接存取支架，堆垛機的存取方式采用普通的指形貨叉抄底叉取支架，與普通托盤立體倉庫存取方式一樣。因此，方案2 對堆垛機定位精度要求較低，是行之有效的解決方案。

比較上述2 種方案，如表1 所示。

表1 2 種方案對比

通過表1 對比，可以看出方案2 可行且優勢明顯，故選擇方案2 作為設計方案。

同時針對成品立體倉庫，可以得出同樣的結論，故在成品立體庫中存儲單元也選擇支架方式。存儲單元（支撐支架+軸卷貨物）形式如圖6 所示。

圖6 存儲單元示意圖

為了既能滿足使用需求，又能降低成本，盡量使用型材來優化設計支架方案。經過優化，設計方案如圖7所示。

圖7 存儲單元支架優化圖

2.2 輸送機系統設計

自動化立體倉庫系統中托盤輸送機的作用是完成立體庫存儲單元在堆垛機與立體庫外叉車或AGV 等搬運車輛之間的搬運和交接。由于本項目基于上述對比后采用專用支架作為搬運單元，該支架底部采用平底形式，故搬運支架的輸送機采用鏈條輸送機形式。由于支架采用平底結構，在輸送機與堆垛機交接位需設計頂升裝置進行交接，給堆垛機伸縮貨叉留出高度空間。

由于入庫端輸送機與入庫機器人系統對接，需要支架在輸送機上定位精度較為準確，為了提高定位精度，將空支架的定位采用專用的定位機構進行精確定位，該定位機構使用固定擋塊結合側向加緊定位的方式來實現。輸送機布局如圖8 所示。

圖8 輸送機布局設計圖

2.3 AGV 系統設計

按照總體設計方案，冷卻立體庫的出庫端需要與AGV 系統對接。

AGV 與其背負的支架的關系確定：基于本項目存儲單元采用支架形式，但考慮到數百套定制支架的尺寸和形狀的一致性不容保證，在AGV 與各個工藝環節之間交接時盡量采用一致性好的支架。因此，設計方案為在AGV 上設置一個固定不動的支架，由AGV 帶著該支架接取軸卷貨物，并將其運送到下一個環節，由機器人將軸卷貨物從該支架上取下。AGV 與其上的支架配合位置固定，支架一致性好，故機器人在放卷和取卷時的定位較容易。

AGV 車輛的選型設計需考慮多方面因素。潛伏式AGV 承重600～1 000 kg，承重量合適 ；機身低，重心穩定，且與對接設備高度接近；采用二維碼+激光Slam 定位導航，定位精度±5 mm，精度足夠；對環境要求不高，且成本低；支架之間的固定和定位方便。基于上述需求，本系統選擇潛伏式AGV 最為合適，AGV的上面設置一個固定支架。

針對冷卻立體庫和成品立體庫，有2 種金屬卷芯形式，需要設置專門搬運種卷心的AGV+支架的組合，如圖9 所示。

圖9 2 種AGV 設計示意圖

2.4 機器人系統設計

2.4.1 冷卻立體庫入庫機器人設計

按照總體規劃方案，冷卻立體庫和成品立體庫入出庫系統均與機器人對接。入庫前的金屬箔卷成組放置在冷卻支架上，靠金屬箔卷芯的方管支撐貨物質量，該冷卻支架由大型AGV 搬運到冷卻立體庫入庫機器人范圍內，由機器人將單個卷取下，放置在立體庫入庫端精確定位的支架上。冷卻架示意如圖10 所示。

圖10 冷卻架示意圖

冷卻立體庫入庫需求為：1）多個金屬卷放在一個架子上，每個金屬卷靠方管卷芯支撐在架子上，卷和架子的支撐之間軸向距離空間約數厘米；2）一組架子尺寸較大，每次入庫送過來一組；3）架子由AGV 送過來，每次放置位置有一定誤差；4）全自動搬運金屬卷。

基于上述需求，機器人的選型有關節式機器人和桁架機器人2 種方案。關節式機器人臂展一般較小，抓取質量一般不大；桁架機器人覆蓋范圍和抓取質量較大，更適合本項目，故本項目采用桁架機器人方案。

由于多個一組的架子送到桁架機器人區域內有一定位置誤差，且需要識別每個金屬卷的卷芯方管的可抓取位置，因此為了提高精度，系統中增加了視覺識別系統輔助定位。

夾具的夾取方式和夾取位置為：1）夾具采用板型鉤形狀鉤取卷芯方管（見圖11）；2）在視覺識別系統輔助下自動調整夾具位置和角度夾取金屬卷；3）通過視覺系統定位立體庫空支架的位置；4）將金屬卷放置在入庫輸送機上的支架上。

圖11 鉤形夾具圖

2.4.2 冷卻庫出庫機器人設計

冷卻立體庫出庫需要與AGV 進行交接，交接的貨物形式為不帶支架的金屬卷，考慮到AGV 上支架需要支撐卷芯方管部分，故出庫機器人夾持位置需要避開AGV 需要支撐的管芯部分。為了給AGV 上的支架讓出位置，出庫機器人的夾具采用C 形夾具加持管芯的端部，C 形夾具深入到管芯內部，AGV 支架與機器人夾具空間物理位置上互相避開，在軸卷貨物交接時不會發生沖突和風險，如圖12 所示。

圖12 C 形夾具示意圖

2.5 精加工交接系統設計

為了實現軸卷半成品貨物在精加工設備的上料和下料流程自動化，上料工位的設計思路為采用AGV 將從冷卻立體庫取來的金屬卷送到交接位置，然后使用軸卷貨物的方形管芯作為受力點，金屬卷被放到交接支架上。交接工位示意如圖13 所示。

圖13 精加工設備上料位示意圖

下料工位設計方案為：由于金屬卷經過精加工后尺寸外形尺寸不變，方形管芯被圓形管芯取代，管芯較原來短了很多，因此在精加工下料位的交接就面臨管芯軸向交接距離不足的問題。為了改善這一情況，采用可加緊的C 形夾具來夾持管芯內部，AGV 支架支撐管芯外部的方案，如圖14 所示。

圖14 精加工設備下料位示意圖

3 結論

智能制造工程中自動化物流存儲、搬運系統設計時需要注意統化設計總體方案，存儲單元、搬運單元、倒運工具選型設計時要通盤考慮，擇優選定方案。交接方案的設計時要重點關注交接方式最優化以及交接精度的保證措施。在本文所述案例中，金屬卷類貨物在智能制造領域的自動化搬運、存儲、交接、管理等環節，應用現代物聯網技術和機器人、AGV、自動化立體倉庫等智能設備系統可以實現可靠的自動化和智能化運行。智能制造物流系統采用數字孿生技術、計算機管理系統等技術與企業ERP、MES 等智能上位系統聯網，可以實現生產過程中物料信息的實時透明化，車間生產的無人化和少人化，可極大地提升產品質量、提升作業效率、提高工廠數字化水平和智能化管理水平。