摘 要：作為一種新型物流倉儲搬運(yùn)設(shè)備，智能空中機(jī)械手在覆蓋范圍、空間利用率、精準(zhǔn)調(diào)度等方面具有優(yōu)勢。本文結(jié)合山西迎才物流設(shè)備科技有限公司設(shè)計(jì)并實(shí)施的智能空中機(jī)械手系統(tǒng)，主要介紹了在某鋁材廠擠壓車間中的實(shí)際應(yīng)用情況，對其如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)及倉儲調(diào)度，以及具有的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)和競爭優(yōu)勢等進(jìn)行了分析。

　　關(guān)鍵詞：智能空中機(jī)械手、鋁材生產(chǎn)車間、自動(dòng)化物流、智能化

　　智能空中機(jī)械手是一種新型的物流倉儲搬運(yùn)設(shè)備，通常布置于生產(chǎn)線或倉庫上部區(qū)域，通過其自身配備的橫向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、縱向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及升降抓取裝置，實(shí)現(xiàn)覆蓋X、Y、Z軸的全空間搬運(yùn)調(diào)度。在生產(chǎn)車間應(yīng)用方面，通過特定的規(guī)劃布置，可以在不影響地面互通性的情況下，完成不同生產(chǎn)線間的無人化調(diào)度。在倉庫應(yīng)用方面，結(jié)合專業(yè)的倉儲管理調(diào)度系統(tǒng)，可以在不配置貨架的情況下，實(shí)現(xiàn)類似于常規(guī)立體倉庫的無人化存儲及出入庫自動(dòng)調(diào)度。

圖1：智能空中機(jī)械手系統(tǒng)在鋁材生產(chǎn)車間的應(yīng)用

　　因此，在新型自動(dòng)化物流倉儲系統(tǒng)中，智能空中機(jī)械手系統(tǒng)借助其強(qiáng)大的覆蓋度、巧妙的空間利用率及高精度的智能化調(diào)度，可以實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)和靈活的無人化生產(chǎn)和倉儲。

　　一、智能空中機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

　　智能空中機(jī)械手在硬件體系上是一種類行車結(jié)構(gòu)，因此在某些項(xiàng)目中也被稱為智能行車。根據(jù)真實(shí)的覆蓋需求和作業(yè)要求，該類設(shè)備主要可分為三維結(jié)構(gòu)機(jī)型和二維結(jié)構(gòu)機(jī)型。三維結(jié)構(gòu)機(jī)型要在車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)前后、左右、上下三個(gè)維度的動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)跟常規(guī)雙梁行車類似，要配置可前后移動(dòng)的雙梁大車車體及其運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在該車體上再布置一小車車體及其運(yùn)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)。在小車車體上布置有起升機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)升降吊取或抓取貨物。而二維結(jié)構(gòu)機(jī)型是在某些作業(yè)環(huán)境下，只需要實(shí)現(xiàn)前后（或左右）、上下兩個(gè)維度的動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)將更為緊湊，不需配置大車車體及其運(yùn)行機(jī)構(gòu)，由小車車體直接運(yùn)行在相應(yīng)的軌道上，其余結(jié)構(gòu)不變。

圖2：某板材家具廠應(yīng)用智能空中機(jī)械手 實(shí)現(xiàn)板材自動(dòng)調(diào)度、組合

　　在結(jié)構(gòu)上，智能空中機(jī)械手與常規(guī)行車最明顯的區(qū)別，在于其起升機(jī)構(gòu)下端附著的專用吊具或抓具，可根據(jù)實(shí)際抓取的貨物進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，配合相應(yīng)的檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人參與情況下自動(dòng)平穩(wěn)地取放貨。同時(shí)，不同于人工參與的吊取作業(yè)，該設(shè)備對于升降過程中的平穩(wěn)性、準(zhǔn)確性，以及調(diào)運(yùn)貨物過程中的安全性都有極高要求，要配備相應(yīng)的限位及鎖止裝置來保障整個(gè)作業(yè)穩(wěn)定運(yùn)作。如升降機(jī)構(gòu)需采用剛性嵌套伸縮結(jié)構(gòu)或柔性驅(qū)動(dòng)加剪刀臂限位結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)吊具平穩(wěn)、垂直的升降動(dòng)作，確保抓取動(dòng)作準(zhǔn)確無偏差。

　　此外，在軟硬件體系中，還將根據(jù)具體項(xiàng)目的實(shí)際情況，在三個(gè)動(dòng)作維度配備激光測距或條碼掃描裝置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的減速電機(jī)選用變頻控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速及平穩(wěn)啟停。自動(dòng)抓取吊具上配備貨物探測開關(guān)、載貨開關(guān)、是否成功抓取檢測開關(guān)、貨物條碼掃描裝置等輔助檢測裝置，一系列的保護(hù)性、檢測性硬件及配套軟件系統(tǒng)確保設(shè)備可無人化自動(dòng)運(yùn)作。

圖3：某鋁材廠應(yīng)用智能空中機(jī)械手 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)出入庫

　　二、某鋁材廠擠壓車間智能空中機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)搬運(yùn)及倉儲調(diào)度的實(shí)現(xiàn)

　　圖4是某鋁材廠一個(gè)擠壓車間從裝框至?xí)r效前后的平面布局圖，主要由擠壓裝框區(qū)、時(shí)效作業(yè)區(qū)、地面暫存庫區(qū)、后續(xù)工序?qū)訁^(qū)構(gòu)成。智能空中機(jī)械手主要用于實(shí)現(xiàn)擠壓裝框區(qū)空框供應(yīng)與滿框收集，滿框送時(shí)效爐前并疊放為4框1垛待入爐（見圖5），時(shí)效后拆分為單框運(yùn)走或送至地面指定位置暫存并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，暫存區(qū)滿框或時(shí)效后滿框送至后續(xù)工序?qū)哟a頭等全部環(huán)節(jié)的物流搬運(yùn)，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、靈活機(jī)動(dòng)，并在滿足當(dāng)前工藝與產(chǎn)能需求的同時(shí)，留有極佳的升級拓展空間。

圖4：擠壓車間后段自動(dòng)化物流及暫存庫平面布局圖

　　截至2022年8月，該車間區(qū)域借助智能空中機(jī)械手系統(tǒng)已初步實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)調(diào)度自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)、信息自動(dòng)采集收錄、區(qū)域內(nèi)各工序間搬運(yùn)無人化，成為一個(gè)可以系統(tǒng)化對接前后工序的智能車間。

圖5：擠壓車間后段自動(dòng)化物流及暫存庫立面示意圖

　　車間范圍內(nèi)，各工序具體調(diào)度方式與流程如下：

　　1.空料框供應(yīng)

　　生產(chǎn)過程中，當(dāng)擠壓機(jī)裝框區(qū)域向上級系統(tǒng)反饋緩存工位需要補(bǔ)充空料框時(shí)，智能空中機(jī)械手管理調(diào)度系統(tǒng)將命令下發(fā)給智能空中機(jī)械手，令其從待命位置運(yùn)行至區(qū)域內(nèi)暫存的空料框或后端空料框碼頭上部，自動(dòng)吊取空料框至指定空框緩存碼頭。

　　2.滿托盤搬運(yùn)

　　擠壓機(jī)裝框區(qū)域裝框完成，輸送至滿框緩存碼頭時(shí)，向上級系統(tǒng)反饋請求搬運(yùn)信號，智能空中機(jī)械手管理調(diào)度系統(tǒng)將調(diào)度空中機(jī)械手自動(dòng)吊取該滿框料，隨后根據(jù)系統(tǒng)中對其后續(xù)工序的安排，搬運(yùn)至?xí)r效爐待入爐區(qū)或地面暫存區(qū)指定位置。

　　3.時(shí)效爐出入拆、疊垛及搬運(yùn)

　　對于生產(chǎn)管理系統(tǒng)指定要入爐時(shí)效的滿框料，智能空中機(jī)械手會(huì)精準(zhǔn)吊取并將其送往待入爐區(qū)，并自動(dòng)完成疊垛（4框1垛），該作業(yè)循環(huán)進(jìn)行，直到該次入爐物料全部在待入爐區(qū)疊好（本項(xiàng)目通常為3垛共12框），整體輸入爐中，開啟時(shí)效作業(yè)。時(shí)效結(jié)束出爐后，智能空中機(jī)械手根據(jù)管理系統(tǒng)反饋的每框料的后續(xù)工序走向，依次自動(dòng)拆垛后送至后工序碼頭或者地面暫存位。

　　4.地面暫存庫管理及搬運(yùn)

　　對于擠壓后或時(shí)效后因工藝或排產(chǎn)等原因，暫不進(jìn)入后續(xù)工序，需要暫存一段實(shí)際的滿框料，可以由智能空中機(jī)械手系統(tǒng)將其在該區(qū)域的地面空閑區(qū)有序疊垛存放。借助強(qiáng)大的管理調(diào)度系統(tǒng)，并與成熟的立體倉儲管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合后，可以在該區(qū)域形成一個(gè)可靈活調(diào)整布置貨位的自動(dòng)化立體倉庫，其管理、調(diào)度都如常規(guī)立體倉庫一樣，全自動(dòng)完成。同時(shí)，因其不受固定貨架的限制，可以在客戶需要的情況下，自由調(diào)度劃分，將其中的部分區(qū)域劃撥出作為理料或整形等其他功能區(qū)，靈活性極強(qiáng)，是常規(guī)立體倉庫不可比的。在該項(xiàng)目中，按目前空閑區(qū)域全部作為暫存庫來使用的話，如堆疊4層，可實(shí)現(xiàn)約120框的空、滿框儲量。

　　三、智能空中機(jī)械手系統(tǒng)在項(xiàng)目應(yīng)用中的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)和競爭優(yōu)勢

　　1.利用空間交錯(cuò)實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)大兼容性

　　常規(guī)的物流輸送系統(tǒng)主要通過地面輸送機(jī)、穿梭車的合理布置與組合來實(shí)現(xiàn)各工序的對接，對于一些現(xiàn)場空間緊張、生產(chǎn)設(shè)備滿布的車間，通常很難有理想的空間用于輸送設(shè)備布置，或者在一些無法避免人工參與作業(yè)的環(huán)境下，輸送設(shè)備布置后將地面分割為多個(gè)小區(qū)塊，導(dǎo)致很多位置地面工作人員、叉車等無法到達(dá)，為日常工作和后續(xù)維保帶來很大麻煩。

　　而智能空中機(jī)械手主體結(jié)構(gòu)運(yùn)行在車間生產(chǎn)設(shè)備上部，可根據(jù)實(shí)際情況布置于廠房預(yù)留的行車軌道上或獨(dú)立搭設(shè)的支撐框架上。在不占用地面空間、不打斷地面人車通道的情況下，通過升降機(jī)構(gòu)與專用機(jī)械抓手，在工作覆蓋范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)運(yùn)貨物至各個(gè)點(diǎn)位。

　　2.獨(dú)特的取放貨模式衍生的多功能性

　　常規(guī)的物流輸送設(shè)備，功能相對單一，要完成全流程的生產(chǎn)對接，通常經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)、通過匹配多臺不同功能的設(shè)備來完成。以前述鋁材廠擠壓車間為例，如果采用常規(guī)自動(dòng)化物流輸送模式，需要在時(shí)效爐前后各配備一臺雙工位穿梭車，同時(shí)要在入爐前配置專用的疊框設(shè)備，出爐后配置專用的拆框設(shè)備，在這個(gè)過程中，專用設(shè)備與穿梭車要多次對接，重復(fù)的上下車動(dòng)作勢必造成作業(yè)能力的損失。

　　而選用智能空中機(jī)械手系統(tǒng)后，僅需布置一臺智能空中機(jī)械手，可以不受生產(chǎn)設(shè)備布置的干擾，自由在整個(gè)區(qū)域內(nèi)調(diào)度搬運(yùn)，完成常規(guī)方案中因時(shí)效爐前后無法互通而必須兩臺穿梭車配合才能完成的搬運(yùn)任務(wù)。更重要的一點(diǎn)是，因其取放貨為自動(dòng)從上部抓取，在面對鋁材時(shí)效這種需要先疊后拆的作業(yè)需求時(shí)，無需借助其他設(shè)備，空中機(jī)械手自身即可精準(zhǔn)、安全地完成爐前疊垛和爐后拆垛作業(yè)，從而大大節(jié)約設(shè)備成本和地面空間。

　　3.新思路拓展衍生出的新模式自動(dòng)化倉庫

　　在常規(guī)的鋁材廠擠壓車間，有部分半成品物料在去往后續(xù)工序之前通常因?yàn)榕女a(chǎn)或工藝要求需要暫存一段時(shí)間。行業(yè)內(nèi)面對這樣的需求時(shí)，一般有以下兩種模式：

　　第一種模式是借助行車或叉車將這部分物料疊放于車間內(nèi)空閑的區(qū)域，這樣雖可達(dá)到暫存目的，但帶來三個(gè)問題：一是人工堆疊存放無法有效管理物料，經(jīng)常在需要特定物料料框時(shí)，要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間來尋找；二是人工堆疊的料框，在需要取走頂層或底層物料料框時(shí)，需要人工攀爬掛鉤，在這個(gè)過程中具有很大的安全隱患；三是人工堆疊存放要留有足夠的通道，以方便叉車、板車等回轉(zhuǎn)進(jìn)出，以及物料出入交互，會(huì)浪費(fèi)較大的廠房空間。

　　第二種模式是在廠房中規(guī)劃巷道式半成品立體倉庫，專門用于半成品物料的存放。這種模式相較第一種模式有了很大進(jìn)步，可以獲得理想的儲量，同時(shí)因?yàn)樽詣?dòng)化系統(tǒng)的介入，不存在物料難以尋找的問題，也可以通過特定的輸送設(shè)備與前后產(chǎn)線進(jìn)行拓展對接。此種模式存在的問題是：一是對場地要求比較高，很多客戶在生產(chǎn)線附近無法找出一塊適合建設(shè)立庫的場地，需要另擇專門的車間來規(guī)劃建設(shè)，如果建設(shè)位置較遠(yuǎn)，又將帶來高額的搬運(yùn)成本；二是常規(guī)立體倉庫是一套完整的系統(tǒng)工程，從地面承載、廠房高度、配套的貨架結(jié)構(gòu)到及相應(yīng)的堆垛機(jī)及出入庫穿梭車、輸送機(jī)等，都需要較大投資。很多客戶在對比人工地面存儲與立體倉庫的綜合成本及投資回報(bào)后，很難下定決心選用該種模式。

　　面對以上諸多痛點(diǎn)，全新開發(fā)的智能空中機(jī)械手系統(tǒng)，將成為一種極具競爭力的新模式。從控制角度來說，智能空中機(jī)械手系統(tǒng)融合了RGV調(diào)度系統(tǒng)和立體倉庫管理系統(tǒng)的精華。空中機(jī)械手在生產(chǎn)設(shè)備上部運(yùn)轉(zhuǎn)，如同一個(gè)全覆蓋的穿梭車，可以從整個(gè)區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)位取放料框。同時(shí)在地面空閑區(qū)域，由系統(tǒng)規(guī)劃出虛擬的貨位，可精確將料框放到指定點(diǎn)位，并借助其可自動(dòng)疊、拆垛的功能，將料框疊放到一定層數(shù)，來實(shí)現(xiàn)儲量的放大。此外，由于配備了脫胎于立體倉庫管理系統(tǒng)的倉儲管理系統(tǒng)，所有料框的信息和位置都準(zhǔn)確的保存在系統(tǒng)中，后續(xù)需要取用某一框料時(shí)，系統(tǒng)可以迅速準(zhǔn)確的標(biāo)定出此料框，并由空中機(jī)械手自動(dòng)完成拆垛、倒料等動(dòng)作，并最終將其調(diào)運(yùn)至指定位置。在投資規(guī)模上，此種模式在整個(gè)作業(yè)過程中，需要的設(shè)備數(shù)量少，無需額外的土建及貨架投資，是一種性價(jià)比極佳的物流倉儲模式。

　　表1是針對前述擠壓車間項(xiàng)目，選用上述三種模式搭建暫存庫的主要指標(biāo)對比，可見綜合評估下，智能空中機(jī)械手系統(tǒng)倉庫更適用于該項(xiàng)目。

　　選用智能空中機(jī)械手系統(tǒng)后，在特定區(qū)域需要配備空中機(jī)械手的臺數(shù)，每臺空中機(jī)械手的主要配置參數(shù)等等，都與客戶的真實(shí)需求密不可分，應(yīng)依托于專業(yè)的設(shè)備作業(yè)能力計(jì)算。

　　圖6為對前述擠壓車間智能空中機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行的效率計(jì)算。此計(jì)算模型基于FEM9.851中對巷道立體倉庫堆垛機(jī)效率的計(jì)算模式，結(jié)合智能空中機(jī)械手在常規(guī)搬運(yùn)和自動(dòng)化倉儲作業(yè)中的搬運(yùn)和調(diào)度特點(diǎn)深化衍變而來。需要注意的是，實(shí)際搬運(yùn)調(diào)度作業(yè)中，尤其是作為空中機(jī)械手自動(dòng)化倉庫使用時(shí)，不同項(xiàng)目因存放品類和批次不同，需要倒料的次數(shù)不同，則對應(yīng)的計(jì)算模型需進(jìn)行相應(yīng)修正和補(bǔ)充，此處不再贅述。（圖6所示計(jì)算模型中，預(yù)設(shè)每垛平均倒料次數(shù)為一次。）

圖6：智能空中機(jī)械手效率計(jì)算

　　4.加持先進(jìn)控制管理系統(tǒng)的智能化設(shè)備體系

　　智能空中機(jī)械手系統(tǒng)最核心的亮點(diǎn)不在于硬件，而在于其先進(jìn)的智能化、自動(dòng)化和信息化水平。作為整個(gè)智能物流倉儲系統(tǒng)的大腦和中樞，WMS系統(tǒng)是決定項(xiàng)目能否成功的關(guān)鍵。自動(dòng)化物流倉儲規(guī)劃建設(shè)企業(yè)，在該類設(shè)備體系的開發(fā)上具有絕對優(yōu)勢。

　　在前述鋁材廠擠壓車間物流項(xiàng)目中，我們采用的管理控制系統(tǒng)是依托眾多全廠智能化物流設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)以及自動(dòng)化立體倉庫WMS系統(tǒng)的成功實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，融合開發(fā)而成的WT-WMS－空中機(jī)械手倉儲管理控制系統(tǒng)V2.0，該系統(tǒng)包括iWMS系統(tǒng)、RF采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)、點(diǎn)陣屏控制系統(tǒng)、接口系統(tǒng)等，見圖7。

圖7：智能空中機(jī)械手倉儲管理控制系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)充分吸收了立體倉庫管理調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，使智能空中機(jī)械手具備如巷道堆垛機(jī)一般的穩(wěn)定可靠性和各運(yùn)行維度精準(zhǔn)性。在倉儲信息管理與交互方面，也與成熟的立體倉庫一樣，可以根據(jù)需求與企業(yè)的ERP、MES系統(tǒng)無縫對接，做到倉庫作業(yè)條碼化、作業(yè)過程透明化、庫存管理精準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化和倉庫信息集成化，為企業(yè)打造一個(gè)扎實(shí)、可靠、全面、可行的協(xié)同管理平臺。

　　四、總結(jié)

　　通過前述鋁材廠擠壓車間自動(dòng)化物流倉儲項(xiàng)目中，對智能空中機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用和探索。可以發(fā)現(xiàn)，在某些特定應(yīng)用場景下，智能空中機(jī)械手可作為常規(guī)自動(dòng)化物流倉儲系統(tǒng)的有效補(bǔ)充和替代方案，其靈活的自動(dòng)化搬運(yùn)能力和自動(dòng)化倉儲搭建能力，都將成為其獲得市場認(rèn)可和選擇的核心因素。該設(shè)備及其配套系統(tǒng)將有望成為繼自動(dòng)化立體倉庫、地面自動(dòng)化物流輸送系統(tǒng)后，又一具有巨大市場需求和潛力的產(chǎn)品體系，未來必將在自動(dòng)化物流倉儲行業(yè)得到廣泛應(yīng)用與推廣。