文｜山西迎才物流設備科技有限公司 武志傑
摘 要：作為一種新型物流倉儲搬運設備，智能空中機械手在覆蓋範圍、空間利用率、精準調度等方面具有優勢。本文結合山西迎才物流設備科技有限公司設計並實施的智能空中機械手系統，主要介紹了在某鋁材廠擠壓車間中的實際應用情況，對其如何實現自動搬運及倉儲調度，以及具有的技術創新點和競爭優勢等進行了分析。
關鍵詞：智能空中機械手、鋁材生產車間、自動化物流、智能化
智能空中機械手是一種新型的物流倉儲搬運設備，通常布置於生產線或倉庫上部區域，通過其自身配備的橫向驅動系統、縱向驅動系統及升降抓取裝置，實現覆蓋X、Y、Z軸的全空間搬運調度。在生產車間應用方面，通過特定的規劃布置，可以在不影響地面互通性的情況下，完成不同生產線間的無人化調度。在倉庫應用方面，結合專業的倉儲管理調度系統，可以在不配置貨架的情況下，實現類似於常規立體倉庫的無人化存儲及出入庫自動調度。
圖1：智能空中機械手系統在鋁材生產車間的應用
因此，在新型自動化物流倉儲系統中，智能空中機械手系統藉助其強大的覆蓋度、巧妙的空間利用率及高精度的智能化調度，可以實現高效、經濟和靈活的無人化生產和倉儲。
一、智能空中機械手的總體結構和特點
智能空中機械手在硬體體系上是一種類行車結構，因此在某些項目中也被稱為智能行車。根據真實的覆蓋需求和作業要求，該類設備主要可分為三維結構機型和二維結構機型。三維結構機型要在車間內實現前後、左右、上下三個維度的動作，其結構跟常規雙梁行車類似，要配置可前後移動的雙梁大車車體及其運行機構。在該車體上再布置一小車車體及其運行機構來實現左右移動。在小車車體上布置有起升機構，負責升降弔取或抓取貨物。而二維結構機型是在某些作業環境下，只需要實現前後（或左右）、上下兩個維度的動作，其結構將更為緊湊，不需配置大車車體及其運行機構，由小車車體直接運行在相應的軌道上，其餘結構不變。
圖2：某板材傢具廠應用智能空中機械手 實現板材自動調度、組合
在結構上，智能空中機械手與常規行車最明顯的區別，在於其起升機構下端附著的專用吊具或抓具，可根據實際抓取的貨物進行匹配設計，配合相應的檢測系統，實現無人參與情況下自動平穩地取放貨。同時，不同於人工參與的弔取作業，該設備對於升降過程中的平穩性、準確性，以及調運貨物過程中的安全性都有極高要求，要配備相應的限位及鎖止裝置來保障整個作業穩定運作。如升降機構需採用剛性嵌套伸縮結構或柔性驅動加剪刀臂限位結構，來實現吊具平穩、垂直的升降動作，確保抓取動作準確無偏差。
此外，在軟硬體體系中，還將根據具體項目的實際情況，在三個動作維度配備激光測距或條碼掃描裝置，實現精準定位。關鍵機構的減速電機選用變頻控制系統，實現無極調速及平穩啟停。自動抓取吊具上配備貨物探測開關、載貨開關、是否成功抓取檢測開關、貨物條碼掃描裝置等輔助檢測裝置，一系列的保護性、檢測性硬體及配套軟體系統確保設備可無人化自動運作。
圖3：某鋁材廠應用智能空中機械手 實現產品自動出入庫
二、某鋁材廠擠壓車間智能空中機械手系統自動搬運及倉儲調度的實現
圖4是某鋁材廠一個擠壓車間從裝框至時效前後的平面布局圖，主要由擠壓裝框區、時效作業區、地面暫存庫區、後續工序對接區構成。智能空中機械手主要用於實現擠壓裝框區空框供應與滿框收集，滿框送時效爐前併疊放為4框1垛待入爐（見圖5），時效後拆分為單框運走或送至地面指定位置暫存並進行數據管理，暫存區滿框或時效後滿框送至後續工序對接碼頭等全部環節的物流搬運，整個系統穩定可靠、靈活機動，並在滿足當前工藝與產能需求的同時，留有極佳的升級拓展空間。
圖4：擠壓車間後段自動化物流及暫存庫平面布局圖
截至2022年8月，該車間區域藉助智能空中機械手系統已初步實現了生產調度自動化運轉、信息自動採集收錄、區域內各工序間搬運無人化，成為一個可以系統化對接前後工序的智能車間。
圖5：擠壓車間後段自動化物流及暫存庫立面示意圖
車間範圍內，各工序具體調度方式與流程如下：
1.空料框供應
生產過程中，當擠壓機裝框區域向上級系統反饋緩存工位需要補充空料框時，智能空中機械手管理調度系統將命令下發給智能空中機械手，令其從待命位置運行至區域內暫存的空料框或後端空料框碼頭上部，自動弔取空料框至指定空框緩存碼頭。
2.滿托盤搬運
擠壓機裝框區域裝框完成，輸送至滿框緩存碼頭時，向上級系統反饋請求搬運信號，智能空中機械手管理調度系統將調度空中機械手自動弔取該滿框料，隨後根據系統中對其後續工序的安排，搬運至時效爐待入爐區或地面暫存區指定位置。
3.時效爐出入拆、疊垛及搬運
對於生產管理系統指定要入爐時效的滿框料，智能空中機械手會精準弔取並將其送往待入爐區，並自動完成疊垛（4框1垛），該作業循環進行，直到該次入爐物料全部在待入爐區疊好（本項目通常為3垛共12框），整體輸入爐中，開啟時效作業。時效結束出爐後，智能空中機械手根據管理系統反饋的每框料的後續工序走向，依次自動拆垛後送至後工序碼頭或者地面暫存位。
4.地面暫存庫管理及搬運
對於擠壓後或時效後因工藝或排產等原因，暫不進入後續工序，需要暫存一段實際的滿框料，可以由智能空中機械手系統將其在該區域的地面空閑區有序疊垛存放。藉助強大的管理調度系統，並與成熟的立體倉儲管理系統有機結合後，可以在該區域形成一個可靈活調整布置貨位的自動化立體倉庫，其管理、調度都如常規立體倉庫一樣，全自動完成。同時，因其不受固定貨架的限制，可以在客戶需要的情況下，自由調度劃分，將其中的部分區域劃撥出作為理料或整形等其他功能區，靈活性極強，是常規立體倉庫不可比的。在該項目中，按目前空閑區域全部作為暫存庫來使用的話，如堆疊4層，可實現約120框的空、滿框儲量。
三、智能空中機械手系統在項目應用中的技術創新點和競爭優勢
1.利用空間交錯實現的強大兼容性
常規的物流輸送系統主要通過地面輸送機、穿梭車的合理布置與組合來實現各工序的對接，對於一些現場空間緊張、生產設備滿布的車間，通常很難有理想的空間用於輸送設備布置，或者在一些無法避免人工參與作業的環境下，輸送設備布置後將地面分割為多個小區塊，導致很多位置地面工作人員、叉車等無法到達，為日常工作和後續維保帶來很大麻煩。
而智能空中機械手主體結構運行在車間生產設備上部，可根據實際情況布置於廠房預留的行車軌道上或獨立搭設的支撐框架上。在不佔用地面空間、不打斷地面人車通道的情況下，通過升降機構與專用機械抓手，在工作覆蓋範圍內自動調運貨物至各個點位。
2.獨特的取放貨模式衍生的多功能性
常規的物流輸送設備，功能相對單一，要完成全流程的生產對接，通常經過多個環節、通過匹配多台不同功能的設備來完成。以前述鋁材廠擠壓車間為例，如果採用常規自動化物流輸送模式，需要在時效爐前後各配備一台雙工位穿梭車，同時要在入爐前配置專用的疊框設備，出爐後配置專用的拆框設備，在這個過程中，專用設備與穿梭車要多次對接，重複的上下車動作勢必造成作業能力的損失。
而選用智能空中機械手系統後，僅需布置一台智能空中機械手，可以不受生產設備布置的干擾，自由在整個區域內調度搬運，完成常規方案中因時效爐前後無法互通而必須兩台穿梭車配合才能完成的搬運任務。更重要的一點是，因其取放貨為自動從上部抓取，在面對鋁材時效這種需要先疊後拆的作業需求時，無需藉助其他設備，空中機械手自身即可精準、安全地完成爐前疊垛和爐後拆垛作業，從而大大節約設備成本和地面空間。
3.新思路拓展衍生出的新模式自動化倉庫
在常規的鋁材廠擠壓車間，有部分半成品物料在去往後續工序之前通常因為排產或工藝要求需要暫存一段時間。行業內面對這樣的需求時，一般有以下兩種模式：
第一種模式是藉助行車或叉車將這部分物料疊放於車間內空閑的區域，這樣雖可達到暫存目的，但帶來三個問題：一是人工堆疊存放無法有效管理物料，經常在需要特定物料料框時，要耗費大量人力和時間來尋找；二是人工堆疊的料框，在需要取走頂層或底層物料料框時，需要人工攀爬掛鉤，在這個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、板車等迴轉進出，以及物料出入交互，會浪費較大的廠房空間。
第二種模式是在廠房中規劃巷道式半成品立體倉庫，專門用於半成品物料的存放。這種模式相較第一種模式有了很大進步，可以獲得理想的儲量，同時因為自動化系統的介入，不存在物料難以尋找的問題，也可以通過特定的輸送設備與前後產線進行拓展對接。此種模式存在的問題是：一是對場地要求比較高，很多客戶在生產線附近無法找出一塊適合建設立庫的場地，需要另擇專門的車間來規劃建設，如果建設位置較遠，又將帶來高額的搬運成本；二是常規立體倉庫是一套完整的系統工程，從地面承載、廠房高度、配套的貨架結構到及相應的堆垛機及出入庫穿梭車、輸送機等，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後，很難下定決心選用該種模式。
面對以上諸多痛點，全新開發的智能空中機械手系統，將成為一種極具競爭力的新模式。從控制角度來說，智能空中機械手系統融合了RGV調度系統和立體倉庫管理系統的精華。空中機械手在生產設備上部運轉，如同一個全覆蓋的穿梭車，可以從整個區域內任意點位取放料框。
同時在地面空閑區域，由系統規划出虛擬的貨位，可精確將料框放到指定點位，並藉助其可自動疊、拆垛的功能，將料框疊放到一定層數，來實現儲量的放大。此外，由於配備了脫胎於立體倉庫管理系統的倉儲管理系統，所有料框的信息和位置都準確的保存在系統中，後續需要取用某一框料時，系統可以迅速準確的標定出此料框，並由空中機械手自動完成拆垛、倒料等動作，並最終將其調運至指定位置。在投資規模上，此種模式在整個作業過程中，需要的設備數量少，無需額外的土建及貨架投資，是一種性價比極佳的物流倉儲模式。
表1是針對前述擠壓車間項目，選用上述三種模式搭建暫存庫的主要指標對比，可見綜合評估下，智能空中機械手系統倉庫更適用於該項目。
選用智能空中機械手系統後，在特定區域需要配備空中機械手的台數，每台空中機械手的主要配置參數等等，都與客戶的真實需求密不可分，應依託於專業的設備作業能力計算。
圖6為對前述擠壓車間智能空中機械手系統進行的效率計算。此計算模型基於FEM9.851中對巷道立體倉庫堆垛機效率的計算模式，結合智能空中機械手在常規搬運和自動化倉儲作業中的搬運和調度特點深化衍變而來。需要注意的是，實際搬運調度作業中，尤其是作為空中機械手自動化倉庫使用時，不同項目因存放品類和批次不同，需要倒料的次數不同，則對應的計算模型需進行相應修正和補充，此處不再贅述。（圖6所示計算模型中，預設每垛平均倒料次數為一次。）
圖6：智能空中機械手效率計算
4.加持先進控制管理系統的智能化設備體系
智能空中機械手系統最核心的亮點不在於硬體，而在於其先進的智能化、自動化和信息化水平。作為整個智能物流倉儲系統的大腦和中樞，WMS系統是決定項目能否成功的關鍵。自動化物流倉儲規劃建設企業，在該類設備體系的開發上具有絕對優勢。
在前述鋁材廠擠壓車間物流項目中，我們採用的管理控制系統是依託眾多全廠智能化物流設備調度系統以及自動化立體倉庫WMS系統的成功實施經驗，融合開發而成的WT-WMS－空中機械手倉儲管理控制系統V2.0，該系統包括iWMS系統、RF採集系統、監控系統、作業調度系統、點陣屏控制系統、介面系統等，見圖7。
圖7：智能空中機械手倉儲管理控制系統
該系統充分吸收了立體倉庫管理調度系統的優點，使智能空中機械手具備如巷道堆垛機一般的穩定可靠性和各運行維度精準性。在倉儲信息管理與交互方面，也與成熟的立體倉庫一樣，可以根據需求與企業的ERP、MES系統無縫對接，做到倉庫作業條碼化、作業過程透明化、庫存管理精準化、數據採集自動化和倉庫信息集成化，為企業打造一個紮實、可靠、全面、可行的協同管理平台。
四、總結
通過前述鋁材廠擠壓車間自動化物流倉儲項目中，對智能空中機械手的實際應用和探索。可以發現，在某些特定應用場景下，智能空中機械手可作為常規自動化物流倉儲系統的有效補充和替代方案，其靈活的自動化搬運能力和自動化倉儲搭建能力，都將成為其獲得市場認可和選擇的核心因素。該設備及其配套系統將有望成為繼自動化立體倉庫、地面自動化物流輸送系統後，又一具有巨大市場需求和潛力的產品體系，未來必將在自動化物流倉儲行業得到廣泛應用與推廣。
