金属箔卷智能制造工厂自动化物流系统设计

孟令广

1 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007 2 北京市自动化物流装备工程技术研究中心 北京 100007

0 引言

金属冶炼和加工业是我国的基础产业，金属箔行业是其细分行业之一，我国的金属箔产量在全球占有较大比例，是金属箔制造业大国。目前，我国金属箔行业轴卷类货物的存储大多采用起重机进行搬运的平面仓库方式，以堆垛机为存取核心的自动化立体仓库应用较少。

智能制造系统是深度融合传感器感知、计算、通讯和测控技术的以高端机械化、电气自动化、企业信息化为基础的集成制造系统。在钢铁冶金行业中已实现了无人起重机、一键炼钢、工业机器人等应用。通过智能制造技术升级应用，可有效降低生产制造周期、降低制造成本、提高效率。

金属卷在按照生产工艺加工后转化为成品金属箔卷，生产中的各个环节之间，如何将半成品进行自动化的存储、搬运、管理，以提高产品质量、降低能耗、提升管理水平成为智能化提升的一个研究课题。本文以某一金属箔工厂案例的规划设计来说明采用堆垛机方式的自动化立体仓库作为半成品和成品的存储方式，采用合适的自动化搬运设备对货物进行自动化搬运、转运是切实可行的解决方案。

1 项目需求

金属箔卷类物品不同于常规纸箱、周转箱、托盘等方形货物单元，其卷类货物单元自身形状为圆柱形；质量较重，一般每卷重达数百公斤或数吨；轴沿水平放置情况下容易滚动；金属箔卷类货物在生产后期由于板材很薄且材质较软，需要保护箔面和卷类货物端面，防止划伤；卷类货物可以自带轴心。根据以上特点，针对该类货物进行自动化方式存储，其存储方式、自动化搬运着力点等方面的设计需要考虑货物本身独特的需求特点。

以某实际项目为案例，该项目是智能制造工厂内的智能车间，车间内多个工艺环节之间需要自动化实现货物的流转和存储，其间需要处理和搬运的货物单元有2种，存储和搬运过程中要求圆柱面不能被挤压和碰触，其工艺流程（见图1）为

图1 生产工艺流程

1）货物单元1 金属卷热处理后进入冷却立体库（使用机器人自动化搬运入库）；冷却立体库到精加工工序（使用AGV 自动化搬运交接）。

2）货物单元2 精加工后的半成品进入成品立体库（使用AGV 自动搬运交接，使用机器人自动搬运入库）；成品立体库包装发运（使用AGV 自动搬运交接,使用机器人自动搬运入库）。

整个工艺过程中金属卷单元的外圆周面不能被接触和挤压。金属卷单元1 最大卷重＞700 kg，卷外径＞700 mm，圆卷芯内穿方钢管。单元2 最大卷重＞700 kg，卷外径＞700 mm，圆卷芯内无方钢管。金属卷货物形状示意如图2 所示。

图2 金属卷货物形状

2 物流系统设计方案

2.1 搬运、存储单元设计及货架设计

圆柱形卷轴类货物单元的搬运和存储有2 种方案。

1）方案1 卷轴零件的端面水平的放置在平托盘上（卷的姿态为轴线垂地面直），以托盘形式搬运，并存储在自动化立体仓库中。该方案借用平托盘作为载体进行搬运和存储，经济性较好，方案成熟可靠，但由于在卷类零件的多个生产工艺环节中，要求卷的姿态为轴线水平方向进行交接，如果采用本方案，需要在交接时将卷类零件自动地从托盘上取下并旋转后保持轴线水平与工艺设备进行交接，增加了设备和环节，且自动化设备处理卷轴从托盘上取下、旋转、交接等一系列作业，难度较大，存在不可控风险，故此方案不可行。

2）方案2 采用轴线水平的姿态进行搬运和存储以及交接。轴卷零件在多出工艺设备上被要求轴线水平交接，在存储、搬运、交接时均保持轴卷零件轴线水平，轴卷零件在存取、搬运时只是平移运动，难度较小，方案较为可行。

针对方案2，因存储单元为金属箔卷，为带轴心的圆柱形货物，其外圆周表面不允许挤压和接触，受力部分只能是轴心部分，对于单元1 圆管芯突出卷外部分很短，单侧只有数毫米，在搬运、存储和交接时需要内穿的方管作为承力件，按此原则将方案2 进行细化设计。由于自动化立体仓库为本案例工艺过程中的非常重要且难度较大的环节，首先设计2 座自动化立体仓库的存储单元，以此确定整个工艺过程中的搬运单元。由于立体仓库是完全无人的自动化存取系统，不仅要考虑货物单元是以何种形式存储在货架系统中的，还要考虑自动化堆垛机、输送机系统是如何可靠地进行货物交接和传递。这也是本系统的核心技术方案。

设计冷却立体库存储单元时有2 种选择：

1）方案A 金属卷和轴心直接作为存储单元，无需托盘支架等载具参与，在入库、储存、出库过程中货架系统、堆垛机系统和输送机系统都处理裸金属卷和轴心。

在自动化立体库货架方案设计时，需采用牛腿式货架方式来设计货架形式，以货架的牛腿来支撑金属卷的轴心伸出两侧端面的部分，如图3 所示。

图3 方案A 货架布置图

本方案自动化立体库内由货架牛腿部分直接支撑卷轴的轴心，存储单元不含托盘和支架，省去该部分成本，但是方案A 存在3 个问题：①由于存储单元为裸轴卷，堆垛机存取该裸轴卷必须使用特制的货叉来叉取轴卷两侧的轴心伸出部分，该货叉没有标准产品，需采用非标特殊定制，难度较大、成本高；②牛腿货架相比常用的横梁式货架立柱较多，由于必须采用牛腿货架，货架成本较普通横梁货架高；③由于金属卷轴心单侧超出卷端部分的长度不长，该部分长度需要满足堆垛机叉取部分长度（堆垛机所需长度根据货物质量考虑以及堆垛机特质货叉的刚性、稳定性的要求，该部分长度应该不低于50～100 mm）、货架支撑部分长度（货架牛腿支撑部分长度，由于货物较重，在货架上存储时是靠两端的牛腿支撑轴心，而很重的货物完全悬空状态，轴心的刚性不好会产生较大的弯曲下挠，支撑距离短有货物坠落风险。该部分距离不小于100 mm）、2 处安全距离（堆垛机与卷轴端面的安全距离以及堆垛机货叉与货架牛腿之间的安全距离的长度大小取决于堆垛机的定位精度，一般堆垛机的定位精度为±5 mm，故2 个安全距离至少要分别大于10 mm，合计20 mm）4 个功能长度的需求，如图4 所示。

图4 轴向距离需求

由于本案例的轴卷零件的轴心单边超出轴卷零件端面的距离小于上述各个距离之和，故方案A 不可行。

2）方案B 金属卷和轴心放置在特制的支架上，每个轴卷一个支架，存储和搬运过程中轴卷零件轴心受力，其入出库、储存、交接过程中该支架跟随金属卷和轴心一起作为统一体的存储单元。

按照此方案，在立体库货架上，只需采用普通横梁式货架形式来支撑该支架及上面的卷轴零件（见图5）。

图5 方案B 货架布置图

本方案中立体库内存储单元为金属箔卷以及支撑支架，立体库货架系统采用横梁形式的货架，由支架支撑金属卷，与方案1 相比增加了支架，增加了部分成本，但本方案堆垛机叉取装置采用标准货架不需要特殊定制，技术难度降低；货架采用普通横梁货架，每个货格内可以存放多个存储单元，故成本降低。同时由于堆垛机直接存取支架，堆垛机的存取方式采用普通的指形货叉抄底叉取支架，与普通托盘立体仓库存取方式一样。因此，方案2 对堆垛机定位精度要求较低，是行之有效的解决方案。

比较上述2 种方案，如表1 所示。

表1 2 种方案对比

通过表1 对比，可以看出方案2 可行且优势明显，故选择方案2 作为设计方案。

同时针对成品立体仓库，可以得出同样的结论，故在成品立体库中存储单元也选择支架方式。存储单元（支撑支架+轴卷货物）形式如图6 所示。

图6 存储单元示意图

为了既能满足使用需求，又能降低成本，尽量使用型材来优化设计支架方案。经过优化，设计方案如图7所示。

图7 存储单元支架优化图

2.2 输送机系统设计

自动化立体仓库系统中托盘输送机的作用是完成立体库存储单元在堆垛机与立体库外叉车或AGV 等搬运车辆之间的搬运和交接。由于本项目基于上述对比后采用专用支架作为搬运单元，该支架底部采用平底形式，故搬运支架的输送机采用链条输送机形式。由于支架采用平底结构，在输送机与堆垛机交接位需设计顶升装置进行交接，给堆垛机伸缩货叉留出高度空间。

由于入库端输送机与入库机器人系统对接，需要支架在输送机上定位精度较为准确，为了提高定位精度，将空支架的定位采用专用的定位机构进行精确定位，该定位机构使用固定挡块结合侧向加紧定位的方式来实现。输送机布局如图8 所示。

图8 输送机布局设计图

2.3 AGV 系统设计

按照总体设计方案，冷却立体库的出库端需要与AGV 系统对接。

AGV 与其背负的支架的关系确定：基于本项目存储单元采用支架形式，但考虑到数百套定制支架的尺寸和形状的一致性不容保证，在AGV 与各个工艺环节之间交接时尽量采用一致性好的支架。因此，设计方案为在AGV 上设置一个固定不动的支架，由AGV 带着该支架接取轴卷货物，并将其运送到下一个环节，由机器人将轴卷货物从该支架上取下。AGV 与其上的支架配合位置固定，支架一致性好，故机器人在放卷和取卷时的定位较容易。

AGV 车辆的选型设计需考虑多方面因素。潜伏式AGV 承重600～1 000 kg，承重量合适 ；机身低，重心稳定，且与对接设备高度接近；采用二维码+激光Slam 定位导航，定位精度±5 mm，精度足够；对环境要求不高，且成本低；支架之间的固定和定位方便。基于上述需求，本系统选择潜伏式AGV 最为合适，AGV的上面设置一个固定支架。

针对冷却立体库和成品立体库，有2 种金属卷芯形式，需要设置专门搬运种卷心的AGV+支架的组合，如图9 所示。

图9 2 种AGV 设计示意图

2.4 机器人系统设计

2.4.1 冷却立体库入库机器人设计

按照总体规划方案，冷却立体库和成品立体库入出库系统均与机器人对接。入库前的金属箔卷成组放置在冷却支架上，靠金属箔卷芯的方管支撑货物质量，该冷却支架由大型AGV 搬运到冷却立体库入库机器人范围内，由机器人将单个卷取下，放置在立体库入库端精确定位的支架上。冷却架示意如图10 所示。

图10 冷却架示意图

冷却立体库入库需求为：1）多个金属卷放在一个架子上，每个金属卷靠方管卷芯支撑在架子上，卷和架子的支撑之间轴向距离空间约数厘米；2）一组架子尺寸较大，每次入库送过来一组；3）架子由AGV 送过来，每次放置位置有一定误差；4）全自动搬运金属卷。

基于上述需求，机器人的选型有关节式机器人和桁架机器人2 种方案。关节式机器人臂展一般较小，抓取质量一般不大；桁架机器人覆盖范围和抓取质量较大，更适合本项目，故本项目采用桁架机器人方案。

由于多个一组的架子送到桁架机器人区域内有一定位置误差，且需要识别每个金属卷的卷芯方管的可抓取位置，因此为了提高精度，系统中增加了视觉识别系统辅助定位。

夹具的夹取方式和夹取位置为：1）夹具采用板型钩形状钩取卷芯方管（见图11）；2）在视觉识别系统辅助下自动调整夹具位置和角度夹取金属卷；3）通过视觉系统定位立体库空支架的位置；4）将金属卷放置在入库输送机上的支架上。

图11 钩形夹具图

2.4.2 冷却库出库机器人设计

冷却立体库出库需要与AGV 进行交接，交接的货物形式为不带支架的金属卷，考虑到AGV 上支架需要支撑卷芯方管部分，故出库机器人夹持位置需要避开AGV 需要支撑的管芯部分。为了给AGV 上的支架让出位置，出库机器人的夹具采用C 形夹具加持管芯的端部，C 形夹具深入到管芯内部，AGV 支架与机器人夹具空间物理位置上互相避开，在轴卷货物交接时不会发生冲突和风险，如图12 所示。

图12 C 形夹具示意图

2.5 精加工交接系统设计

为了实现轴卷半成品货物在精加工设备的上料和下料流程自动化，上料工位的设计思路为采用AGV 将从冷却立体库取来的金属卷送到交接位置，然后使用轴卷货物的方形管芯作为受力点，金属卷被放到交接支架上。交接工位示意如图13 所示。

图13 精加工设备上料位示意图

下料工位设计方案为：由于金属卷经过精加工后尺寸外形尺寸不变，方形管芯被圆形管芯取代，管芯较原来短了很多，因此在精加工下料位的交接就面临管芯轴向交接距离不足的问题。为了改善这一情况，采用可加紧的C 形夹具来夹持管芯内部，AGV 支架支撑管芯外部的方案，如图14 所示。

图14 精加工设备下料位示意图

3 结论

智能制造工程中自动化物流存储、搬运系统设计时需要注意统化设计总体方案，存储单元、搬运单元、倒运工具选型设计时要通盘考虑，择优选定方案。交接方案的设计时要重点关注交接方式最优化以及交接精度的保证措施。在本文所述案例中，金属卷类货物在智能制造领域的自动化搬运、存储、交接、管理等环节，应用现代物联网技术和机器人、AGV、自动化立体仓库等智能设备系统可以实现可靠的自动化和智能化运行。智能制造物流系统采用数字孪生技术、计算机管理系统等技术与企业ERP、MES 等智能上位系统联网，可以实现生产过程中物料信息的实时透明化，车间生产的无人化和少人化，可极大地提升产品质量、提升作业效率、提高工厂数字化水平和智能化管理水平。