1、60/2023 年第 19 期求。如何建立多点联合判断、多指标综合评估的起重机健康状态评估体系还需进一步深入研究。参考文献1 TSG Q70162016 起重机械安装改造重大修理监督检验 规则（含第一号修改单）S.2 GB/T 282642017 起重机械安全监控管理系统S.3 郑惠泽冶金起重机多维健康监测系统研究与应用D 北京：北京化工大学，20224 李俊朋服务中心模式下的起重机结构健康在线监测系统 研究D武汉：武汉理工大学，2020作 者：沈书林电子邮箱：收稿日期：2023-07-13金属箔卷智能制造工厂自动化物流系统设计孟令广1，21 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 1000
2、07 2 北京市自动化物流装备工程技术研究中心 北京 100007摘 要：金属箔卷是重要的工业产品，提高其在生产中的各个环节间的智能、自动化转运，降低能耗，提高产品质量与管理水平是一项重要的研究课题。文中以实际项目为例，研究了项目具体需求，对智能工厂中金属箔卷类货物单元的自动化物流系统进行方案设计，以自动化立体库的方式解决该类货物自动化存储和搬运的实现，得出采用自动化立体仓库等自动化物流系统的可行方案。关键词：金属箔卷类货物单元；自动化物流系统；方案设计中图分类号：TU273.4 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2023）19-0060-07Abstract:Metal foil
3、 is an important industrial product,so it is an important research topic to improve the intelligent production,realize automatic transshipment,reduce energy consumption,and improve product quality and management level.In this paper,taking a project as an example,the specific requirements of the proj
4、ect were studied,and the design of an automated logistics system for metal foil roll cargo units in an intelligent factory was proposed.An automated warehouse was established as a way to realize automated storage and handling,and a feasible scheme of automated logistics system such as an automated w
5、arehouse is obtained.Keywords:metal foil cargo unit;automated logistics system;scheme design0 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
6、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。本文以某孟令广.金属箔卷智能制造工厂自动化物流系统设计 J.起重运输机械，2023（19）：60-66.引 用 格 式DESIGN CALCULATION设计计算612023 年第 19 期/DESIGN CALCULATION设计计算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
7、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
8、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）。图 1 生产工艺流程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
9、卷货物形状示意如图 2 所示。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
10、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
11、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。62/2023 年第 19 期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；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50100 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
12、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。(a)单元 1 示意图(b)单元 2 示意图图 2 金属卷货物形状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
13、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。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：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；牛腿货架相比常用的 图 3 方案 A 货架布置图DESIGN CALCULATION设计计算6320
14、23 年第 19 期/DESIGN CALCULATION设计计算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。通过表 1 对比，可以看出方案 2 可行且优势明显
15、，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。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。表 1 2 种方案对比 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 货架布置图方案 1方案 2
16、立体库存储优劣不需要支架，成本降低，但货架成本较高，堆垛机需定制技术难度大，堆垛机精度要求高 需要支架，增加成本，但货架成本低，堆垛机不需要定制，定位精度要求不高入出库搬运优劣入 出 库 堆 垛 机 与货架交接难度较高，堆垛机与输送机交接采用专用支架进行交接，交接精度要求高，难度高，且对存储单元要求高，不可行入出库堆垛机与货架交接为常规方式，堆垛机与输送机交接采用顶升装置交接，为常规方式，交接精度要求不高稳定性、可靠性不易保证较高总体成本较高较低64/2023 年第 19 期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
17、 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 6001 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，AG
18、V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。(a)(b)图 9 2 种 AGV 设计示意图图 6 存储单元示意图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。图 7 存储单元支架优化图由于入库端输送机
19、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。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。1.顶升装置 2、3.定位机构图 8 输送机布局设计图DESIGN CALCULATION设计计算652023 年第 19 期/DESIGN CALCULATION设计计算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
20、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。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。图 10 冷却架示意图基于上述需求，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
21、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
22、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66/2023 年第 19 期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
23、：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、
24、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。参考文献1 王祝堂.中国在建 3 个超级铝带卷高架库 J.轻合金加 工技术，2015(7):14.2 河北省金属学会，江苏省金属学会，陕西省金属学会等.冶 金工业分布式数字化工厂系统的关键技术与集成实践 C.冶金装备信息化、智能化、在役再制造及维修大数据分析 交流会论文集，2019:182-189.3 李鸿.智能制造在钢铁领域中的应用与研究 J.设备管 理与维修，2022(2):85-87.4 王新东，闫永军.智能制造助力钢铁行业技术进步 J.冶金自动化，2019，43(1):1-5.5 高士中，薛颖健.钢铁企业数字化工厂建设实践 J.冶 金自动化，2022，46(4):38-45.作 者：孟令广电子邮箱：收稿日期：2023-05-21DESIGN CALCULATION设计计算
