李贊澄,時(shí)宇航,程五四

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，制造業(yè)的高度自動(dòng)化與普遍采用手工作業(yè)方式的物料執(zhí)行系統(tǒng)越來(lái)越不協(xié)調(diào)，為達(dá)到更加高效和準(zhǔn)確的目標(biāo)，物料的存儲(chǔ)、揀選、配送越來(lái)越需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與無(wú)人化?；谠撌袌?chǎng)需求，并伴隨新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化、信息化已成為車間物流技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，世界較先進(jìn)的物流技術(shù)與裝備主要集中在歐洲、日本和美國(guó)等國(guó)家和地區(qū)，例如日本的大福(DAIFUKU)、德國(guó)的勝斐邇(SHAEFER)、美國(guó)的德馬泰克(DEMATIC)都是國(guó)際一流的物流系統(tǒng)供應(yīng)商。國(guó)內(nèi)起步較晚，與國(guó)外優(yōu)秀企業(yè)相比還存在一定差距，但隨著中國(guó)制造2025的推動(dòng)，物流裝備研發(fā)水平正在不斷提高。在此背景下，智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)裝備已經(jīng)發(fā)展成為智能制造核心技術(shù)裝備之一，與高檔數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人、增材制造裝備、智能傳感與控制裝備、智能檢測(cè)與裝配裝備等一起，構(gòu)成推進(jìn)我國(guó)智能制造發(fā)展的重要基石[1-3]。

近些年，以自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(automated guide vehicle，AGV)為核心裝備的物流系統(tǒng)，因其較高的自動(dòng)化程度和智能化水平，在制造業(yè)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，有效提高了車間物流效率。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)應(yīng)用的AGV開展了很多研究：Krnjak等提出了一種針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境中的自動(dòng)引導(dǎo)車輛的分散控制算法，該算法可以為車輛提供自主運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃；Li等運(yùn)用具有全局姿勢(shì)修正的視覺(jué)定位算法的自動(dòng)引導(dǎo)車輛，執(zhí)行工廠和倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)輸任務(wù)；Draganjac等提出用于多個(gè)自動(dòng)引導(dǎo)車輛的分散控制算法，提高了車輛自主路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力，能夠有效避免車輛之間的相互碰撞[4-6]。與此同時(shí)，AGV也暴露出一些問(wèn)題，例如占用地面空間比較多、對(duì)地面環(huán)境要求比較苛刻等。為此，本文提出一種智能化空間三維物流系統(tǒng)方案，用于解決傳統(tǒng)AGV物流系統(tǒng)存在的這些問(wèn)題，并為智能車間物流模式提供一種有益補(bǔ)充和新的選擇。

1 系統(tǒng)總體方案

本文提出的智能化空間三維物流系統(tǒng)方案中，系統(tǒng)主要包括空中執(zhí)行系統(tǒng)、地面上下料系統(tǒng)和中央調(diào)度系統(tǒng)。

如圖1所示，空中執(zhí)行系統(tǒng)包括空中穿梭車、空中輸送軌道、撥岔機(jī)構(gòu)和充電模塊。其中，空中穿梭車用于取放、配送物料，空中輸送軌道用于輸送空中穿梭車，撥岔機(jī)構(gòu)用于切換空中穿梭車所在的空中輸送軌道，充電模塊用于空中穿梭車的充電。

圖1 空間三維物流系統(tǒng)組成示意圖

如圖2所示，地面上下料系統(tǒng)的主體是備料架，此外還設(shè)有叫料器和物料感知模塊，用于物料的準(zhǔn)備和信息比對(duì)。

圖2 地面上下料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

中央調(diào)度系統(tǒng)作為核心軟件系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)控、路線規(guī)劃和智能調(diào)度等功能。

2 系統(tǒng)優(yōu)越性分析

與傳統(tǒng)AGV物流系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在硬件方面，即使用空中執(zhí)行系統(tǒng)替代了地面AGV設(shè)備。下面將詳細(xì)介紹這種方案帶來(lái)的優(yōu)越性。

2.1 關(guān)鍵設(shè)備組成

空中穿梭車作為空中執(zhí)行系統(tǒng)的核心設(shè)備，由行走機(jī)構(gòu)、卷繞機(jī)構(gòu)、取料機(jī)構(gòu)組成?？罩写┧筌囋诮Y(jié)構(gòu)上分為上下兩部分，行走機(jī)構(gòu)位于上半部分，取料機(jī)構(gòu)位于下半部分，卷繞機(jī)構(gòu)用于連接上下兩部分，采用鋼絲繩卷繞實(shí)現(xiàn)升降。上半部分負(fù)責(zé)空中穿梭車行走、鋼絲繩卷繞升降、空中穿梭車充電等，下半部分實(shí)現(xiàn)物料抓取、放置?？罩写┧筌嚫叨燃勺ト?、升降、行走3個(gè)物料流轉(zhuǎn)動(dòng)作，具有靈活、簡(jiǎn)便、高效的特點(diǎn)。如圖3所示。

圖3 空中穿梭車結(jié)構(gòu)示意圖

空中穿梭車的行走機(jī)構(gòu)主要包括行走驅(qū)動(dòng)件、傳動(dòng)件、車輪和水平導(dǎo)向件等。行走驅(qū)動(dòng)件驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)件帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪對(duì)稱分布在工字型軌道的豎立面兩側(cè)且與工字型軌道的底部?jī)?nèi)水平面相接觸，水平導(dǎo)向件設(shè)置在穿梭車車輪的上方并與穿梭車車輪所在的平面相垂直。如圖4所示。

圖4 空中穿梭車行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

空中穿梭車的卷繞機(jī)構(gòu)主要包括卷繞底座、卷繞驅(qū)動(dòng)件、卷繞筒、卷繞繩和導(dǎo)向輪等。4根卷繞繩的一端分別固定并纏繞在卷繞筒上，另一端穿過(guò)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向輪后吊裝取料機(jī)構(gòu)，卷繞驅(qū)動(dòng)件驅(qū)動(dòng)卷繞筒轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊輪壓持于卷繞筒上，能夠確保卷繞繩的收放平整有序。如圖5所示。

圖5 空中穿梭車卷繞機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

空中穿梭車的取料機(jī)構(gòu)包括開有通孔的取料底座、取料驅(qū)動(dòng)件、同步帶輪、同步帶和抓手等，取料驅(qū)動(dòng)件連接其中一個(gè)同步帶輪，相鄰的同步帶輪之間通過(guò)同步帶連接實(shí)現(xiàn)同步傳動(dòng)，抓手的一端與同步帶輪同軸裝配，另一端轉(zhuǎn)動(dòng)至通孔上方用于實(shí)現(xiàn)物料的夾取。如圖6所示。

圖6 空中穿梭車取料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

空中輸送軌道作為空中穿梭車的輸送載體，由運(yùn)行軌道、吊具、防護(hù)網(wǎng)組成。運(yùn)行軌道為標(biāo)準(zhǔn)工字型鋁合金軌道，由若干段直軌和彎軌組成，在每段軌道銜接處采用卡扣加螺栓固連保證軌道的平面度。軌道吊點(diǎn)采用龍門架固定在樓頂橫梁，減少了軌道撓度。吊具采用角鋼組合件吊裝軌道方式，吊具與運(yùn)行軌道上表面通過(guò)螺栓相連。在吊具側(cè)面延伸至空中穿梭車下方設(shè)置防護(hù)網(wǎng)安裝架，用于空中穿梭車運(yùn)行區(qū)間防護(hù)網(wǎng)的安裝。如圖7所示。

圖7 空中輸送軌道結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)方案的優(yōu)越性

本系統(tǒng)的空中穿梭車在類別上屬于有軌制導(dǎo)運(yùn)輸車(rail guided vehicle，RGV)。相對(duì)于AGV，RGV的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為速度及加速度快、軌道固定、行走平穩(wěn)、停車位置精確、可靠性高、成本低，缺點(diǎn)則是需要固定式軌道，柔性較差。常用地面AGV如圖8所示，常用地面RGV如圖9所示。

圖8 地面AGV物流示意圖

圖9 地面RGV物流示意圖

本系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的地面RGV系統(tǒng)理念進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，采用集成、簡(jiǎn)約的空中穿梭車配合精密模塊化的空中輸送軌道。與傳統(tǒng)AGV物流系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)采用空間三維物流傳輸，將空中穿梭車懸吊于單工字型軌道運(yùn)行，充分利用了物流車間中地面以上的空間，提高了柔性，并克服了雙軌道對(duì)高精度的要求；

2)空中穿梭車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、定位精準(zhǔn)、配送高效，通過(guò)與其相配合的自動(dòng)充電裝置，實(shí)現(xiàn)物流作業(yè)流程的全自動(dòng)化。

3 系統(tǒng)智能化集成方案

作為智能化空間三維物流系統(tǒng)的核心軟件，中央調(diào)度系統(tǒng)用于設(shè)備聯(lián)控、路線規(guī)劃、智能調(diào)度，與物料信息采集模塊、設(shè)備控制系統(tǒng)一起，通過(guò)空中穿梭車實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)化配送。中央調(diào)度系統(tǒng)可與企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)、企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)(enterprise resource planning，ERP)完成信息流轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間物流的智能化。如圖10所示。

圖10 智能化車間物流信息流轉(zhuǎn)示意圖

中央調(diào)度系統(tǒng)與MES進(jìn)行信息交互，依據(jù)MES下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)及叫料需求，進(jìn)行任務(wù)優(yōu)先級(jí)排序，調(diào)度空中執(zhí)行系統(tǒng)、地面上下料系統(tǒng)工作，完成物料配送和尾料回收工作。

空中穿梭車控制系統(tǒng)從中央調(diào)度系統(tǒng)接收MES下發(fā)的生產(chǎn)配送指令，控制空中穿梭車執(zhí)行行走、卷繞升降、抓取、放置物料等動(dòng)作，完成各配送任務(wù)，并將工作狀態(tài)和任務(wù)執(zhí)行情況通過(guò)中央調(diào)度系統(tǒng)反饋給MES。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，在我國(guó)大力發(fā)展智能制造的背景下，制造業(yè)已廣泛應(yīng)用以AGV為核心的物流系統(tǒng)。本文提出的智能化空間三維物流系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了車間物流的自動(dòng)化作業(yè)，提高了物流效率和空間利用率。本方案為智能車間物流模式提供了有益補(bǔ)充和新的選擇，可以在進(jìn)一步改進(jìn)與完善后進(jìn)行推廣。