桁架機械手在智能物料倉儲中的應用

鄭建國

（廣州市嘉特斯機電制造有限公司，廣東廣州510850）

0 引言

隨著我國制造業的崛起，物流業發展迅猛，并且逐漸受到越來越多的廠商和物流企業的重視。為了更好地促進物流業的發展，現代物流業對倉儲管理提出了更高的要求，傳統單一的庫存管理已經無法滿足當前物流業發展的需要。因此，有必要加強對倉儲理論的研究，通過應用一些新技術以提高倉儲管理的質量和效率，從而加快貨物的流轉速度，進而促進物流效益的提高。

為提高倉儲管理工作的效率、加快物流運作速度，“智能倉儲”的概念被提出。與傳統意義上的倉儲管理不同，智能倉儲體系一個最大的特點就是多功能集成化，它以存在于現實中的物理倉庫為平臺，以網絡為橋梁，通過應用物聯網技術、RFID技術、信息軟件技術等，進而實現了對流通中貨物的檢驗、保管、加工、集散以及轉換運輸方式等功能的統一集成管理，是現代物流業發展的一個重要趨勢。

工廠桁架機械手倉儲智能化系統，是將物料的自動化加工、自動化檢測及工廠內的物流和倉儲整合在同一環境內、可進行統一調度和控制的智能制造系統。該系統基于模塊化工控平臺，包含了桁架機械手及其控制單元、RFID模塊及其他定制的功能模塊等，可實現生產過程的高度自動化，提高加工設備的利用率，同時實現對系統內物料的全程監控和高效管理。

1 桁架機械手智能倉儲系統的組成

如圖1所示，系統包括CNC加工單元、CMM檢測單元、AGV小車（機器人）、桁架機械手、傳送帶、料架、檢測裝置、夾爪裝置、伺服系統、潤滑裝置、氣液電一體化控制系統、操作系統、防護欄、安全門等。

新技術：CNC加工單元由工控機發送命令給機器人，掃描CNC區域固定料架上的物料，通過RFID技術識別機種型號，機器人抓取物料到對應的CNC機床加工；同理，CMM檢測單元由CMM檢測單元的機器人掃描CMM區域固定料架上的物料，機器人上料到CMM檢測平臺檢測，檢測完成OK后再由機器人下料到傳送帶運到倉儲區域（或回料到CMM料架，以后機器人再從CMM料架上抓取檢測OK的料到傳送帶傳送到倉儲區域）；倉儲區域由桁架機械手自動掃描、上下料，通過AGV小車入庫和出庫。由于機器人、桁架機械手上下料代替了人工上下料，所以設備的整體結構得到了最大程度的簡化，同時功能卻得到了很大提升，節省了許多輔助時間。機器人、桁架機械手的性能得到了最大的發揮，提高了勞動生產率，使得設備結構更加緊湊、合理，操作更加簡單、方便。

圖1 平面布局示意圖

1.1 桁架機械手的結構

（1）桁架機械手又叫直角坐標機器人或龍門式機器人，由主體（結構框架、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件、氣缸夾爪）、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。X、Y、Z三個移動軸，伺服動力源：三組伺服控制器、伺服電機和高精密行星減速機，提供三個方向的運動控制。

（2）桁架機械手由Y向（前后方向）橫梁與導軌、X向（左右方向）橫梁與導軌、Z向（上下方向）滑枕、十字滑座、立柱、過渡連接板和基座等部分組成，Z向滑枕上固定的齒條作滾動，驅動移動部件沿導軌快速運動。齒輪-齒條：高強度的傳動，為機械手的運行提供更精密的定位。

（3）直線導軌組：重載型導軌副可以使行走精度得到更有效的控制，采用獨特的滾輪導軌的導向系統；橫梁采用方鋼型材，在橫梁上安裝有導軌和齒條，通過滾輪與導軌接觸，整個機械手都懸掛在其上。

（4）Z軸工作端配置夾爪，進行物料的取放。移動部件為質量較輕的十字滑座和Z向滑枕，滑枕采用由鋁合金拉制的型材。

（5）控制柜：其相當于桁架機械手的大腦，通過工業控制器（PLC），采集各傳感器或按鈕的輸入信號，來發送指令給各執行元件按既定動作去執行。

（6）工作范圍：X≥10 m，Y≥5 m，Z≥1.8 m；最快直線速度：1 m/s；重復定位精度：±0.2 mm。

（7）高強度焊接結構：由國標型材、板材組合焊接而成的支架，如圖2所示。

圖2 倉儲桁架機械手、料架示意圖

1.2 桁架機械手的工作原理

由于桁架機械手輸送的速度較快，加速度大，加減速時間短，當輸送較重的工件時慣量大，因此，伺服驅動電機要有足夠的驅動和制動能力，支撐元件也要有足夠的剛度及強度。只有這樣，才能使伺服電機滿足桁架機械手輸送的高響應、高剛度及高精度要求。

在選擇合適伺服電動機的情況下，根據物料運動的距離和運行節拍，計算出伺服系統的位移和軌跡，并對驅動器PID參數進行動態調整。桁架機械手根據接收到的位移、速度指令，經變化、放大及調整處理后，傳遞給運動單元，通過光纖傳感器對運行狀態進行實時檢測，在高速搬運過程中，運動部件在極短的時間內到達給定的速度，并能在高速行程中瞬間準停，通過高分辨率絕對式編碼器的插補運算，控制機械誤差和測量誤差對運動精度的影響。

其控制核心通過工業控制器（如PLC、運動控制、單片機等）實現，能夠實現自動控制、可重復編程、多功能、多自由度，運動自由度間成空間直角關系，通過控制器對各種輸入（各種傳感器、按鈕等）信號的分析處理，做出一定的邏輯判斷后，對各個輸出元件（繼電器、電機驅動器、指示燈等）下達執行命令，完成X、Y、Z三軸之間的聯合運動，以此實現一整套的全自動作業流程。

圖3 PLC控制系統通信連接圖

1.3 倉儲料架的結構

（1）主要構成：高強度焊接結構立柱、焊接結構橫梁、物料托板等。

（2）功能：料架初始層距200 mm，層距可調，調節間距40 mm，共10排；每排有二面，每面有三小面，每面有八層，每一小面每一層有八個料位，按照這樣的料位計算，每一面有192個料位，一排有384個料位，整個物料倉庫可容納3 840個物料，如圖2所示。

（3）管理終端上可隨時查看每個位置上存放的托盤ID編碼和當前狀態。

1.4 AGV小車系統

物流行業快速發展的一個重要標志就是物流自動化的進程不斷加快，對于物流行業，企業廠內物流自動化升級最主要的功臣自然是AGV小車（機器人）。AGV小車（機器人）是物流裝備中自動化水平最高的產品，是物流自動化系統中最具有柔性化的一個環節，幾乎囊括了所有物流裝備的技術。

（1）主要構成及參數：AGV小車本體按照設置路線輸送物料，主要參數如表1所示。

表1 AGV小車主要參數

（2）取、放料托盤：用于暫存每次要取、放的一批物料，共5塊托盤，每塊4個料位，托盤料位數20個。

（3）托盤二次定位機構：當AGV進入倉庫確定位置時，二次定位機構針對AGV背負的物料（托盤）進行定位，以供高精度的桁架機器人取、放置物料。

2 電氣控制系統架構

PLC控制系統通信連接如圖3所示。

2.1 系統架構說明

（1）系統采用三菱PLC，上位工控機PC管理生產線的運行、停止，并實現參數設定、計數顯示、信息提示等；并負責生產線所有單元之間動作協調及各單元工作狀況的匯集、處理，故障信息及幫助菜單的顯示。

（2）通信：PLC與機器人之間以I/O方式連接，PLC與工控機、HMI以以太網方式連接，桁架機械手的三個軸X、Y、Z采用三菱運動模塊與三菱伺服控制器通過光纖方式連接。主要交互信號包括：加工零件狀態、啟動、暫停、上料請求、下料請求、故障等。

（3）人機交互界面：人機界面采用威綸通觸摸屏，本系統在正常工作狀態下，所有操作均可通過HMI觸摸屏及帶燈按鈕盒完成；操作面板功能按鈕包括急停按鈕、上料請求等；HMI觸摸屏除了有啟動、復位按鈕外，還能監控系統加工狀態，提供完善的報警信息提示和生產過程中的操作引導提示；三色燈：紅色錯誤（系統故障、安全回路異常）、黃色警告（料架工件加工完或沒工件）、綠色正常。

2.2 運行模式

2.2.1 自動模式

自動運行條件滿足時，可啟動自動運行，工控機調度整個生產系統按照設置流程自動運行。自動運行條件包括：安全門關閉、急停按鈕未按下、傳感器信號處于初始狀態等。

2.2.2 停止模式

全線共有三種停止模式。

（1）緊急停止：設置在主控站、操作員面板、機器人示教面板，在發生事故時使用緊急停止按鈕，使生產機器人的所有動作立即停止。緊急停止切斷自動化系統動力回路（電、氣、液），所有電柜及控制臺中斷工作并報警。

（2）立即停止：其作用等同于緊急停止，但不切斷運行回路，僅限于需立即停止的單元。

（3）循環停止：是一種正常的生產停止模式，設備回到等待位置。

3 桁架機械手智能倉儲的工作過程

第一，從傳送帶掃描。

機器人將從CMC檢測單元出來的料放到傳送帶上的工裝模具上，倉儲區域傳送帶末端的傳感器感應到料后停運傳送帶，定位夾緊氣缸夾緊工裝模具，同時發信號給工控機，等待工控機發命令給桁架機械手，PLC收到工控機發去傳送帶掃描的命令后，桁架機械手執行去傳送帶掃描，掃描結束后反饋信號回給工控機，等待工控機發下一命令。

第二，從傳送帶取料。

PLC收到工控機發去傳送帶取料的命令后，桁架機械手的夾爪旋轉180°后去傳送帶上取料，取完料后反饋信號回給工控機，等待工控機發下一命令，同時傳送帶上的夾緊氣缸松開工裝模具，傳送帶繼續運行。

第三，從傳送帶入庫上料到倉儲料架。

PLC收到工控機發到倉儲料架上料和料架料位號命令后，桁架機械手執行命令，將從傳送帶取到的料放到倉儲料架指定的料架料位號上，放料結束后反饋信號回給工控機，等待工控機發下一命令。

第四，從AGV小車掃描。

PLC收到工控機發去AGV小車掃描和AGV小車料位號的命令后，桁架機械手執行去AGV小車掃描，掃描完后反饋信號回給工控機，等待工控機發下一命令。

第五，從倉儲料架下料。

PLC收到工控機發到倉儲料架下料和料架料位號后，桁架機械手執行去倉儲料架指定的料架料位號取料，取完料后反饋信號回給工控機，等待工控機發下一命令。

第六，從料架出庫上料到AGV小車。

PLC收到工控機發到AGV小車上料和AGV小車的料位號命令后，桁架機械手執行命令，將從倉儲料架取到的料放到AGV小車指定的料架料位號上，放料結束后反饋信號回給工控機，等待工控機發下一命令。

第七，從AGV小車取料。

PLC收到工控機發去AGV小車取料的命令后，桁架機械手的夾爪旋轉180°后去AGV小車取料，取完料后反饋信號回給工控機，等待工控機發下一命令。

第八，從AGV小車入庫上料到倉儲料架。

PLC收到工控機發到倉儲料架上料和料架料位號命令后，桁架機械手執行命令，將從AGV小車取到的料放到倉儲料架指定的料架料位號上，放料結束后反饋信號回給工控機，等待工控機發下一命令。

新技術：整個倉儲料架有3 840個料位，物料與料位的間隔只有2～3 mm，所以用桁架機械手示教料位時每個料位都要單獨示教，以保證物料與料位的精度，這就要求PLC能做到控制3 840個料位的程序，以確保收到工控機命令時桁架機械手能準確到達每個料位的位置。桁架機械手去倉儲料架上、下料時，首先要掃描該料位有沒有物料，然后氣缸夾爪旋轉180°后再去放、取料，完成后退回原位。取一個料或者放一個料大約在40 s內完成。

4 結語

綜上所述，桁架機械手在智能倉儲中的應用除了靠電氣控制系統保證各動作順序的嚴密互鎖關系和程序的精準控制，還需要軟件、數據信息進行管理和監控。整個工過程就是自動化和信息化不斷融合的過程。

在未來，多元宇宙將在虛擬世界成為現實，一個現實的世界將對應無數個虛擬世界。改變現實世界，虛擬世界會改變；改變虛擬世界，現實世界也會改變。一切都在基于數據的精確控制當中，人類的大部分體力勞動和腦力勞動都將被機器和人工智能所取代，未來的工廠除了具備交期、成本、品質、服務等優勢外，更要具備自動化、智能化的核心競爭力。同時，在“中國制造2025”的戰略目標前，發展智能制造工廠是走出制造行業困境的必經之路。

[1]工業機器人坐標系和運動命名原則：GB/T 16977—2005/ISO 9787：1999.

[2]周昱晗.桁架機械手自動加工生產線上的應用[J].科學與財富，2015，7（10）：196-197.

[3]張榮.機械原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2015.

[4]柳洪義，宋偉剛.機器人技術基礎[M].北京：冶金工業出版社，2002.