目錄頁共30頁第一章緒論1.1研究背景及意義倉儲物流是制造企業(yè)智能化升級的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前我國面向生產(chǎn)的倉儲物流技術(shù)發(fā)展水平與應(yīng)用水平存在差距，縱覽技術(shù)層面，大量技術(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室；聚焦應(yīng)用層面，高度集成價格昂貴的大型倉儲設(shè)備難以普及，技術(shù)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有待填補(bǔ)。未來很長一段時間內(nèi)，我國制造企業(yè)都將面臨產(chǎn)業(yè)升級，利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革是大勢所趨。對于企業(yè)而說，倉儲是對于其所有資源的整合管理與調(diào)配。倉儲作為承接生產(chǎn)活動，引導(dǎo)配送服務(wù)的紐帶，在現(xiàn)代物流體系中起著至關(guān)重要的作用[1]。不同于傳統(tǒng)的平面?zhèn)}庫，立體倉庫由于其對垂直空間的利用，在相同土地上，可以存放更多的貨品。隨著技術(shù)的進(jìn)步，立體倉庫逐漸成為倉儲物流設(shè)施建設(shè)的內(nèi)核[2]。立體的空間結(jié)構(gòu)帶來了復(fù)雜的路徑，這也意味著需要更強(qiáng)大的揀選系統(tǒng)，以應(yīng)對更密集的貨品存取，保障物流的快速高效。在批量處理的倉儲作業(yè)中，流水線上的每一個貨品都單獨(dú)入庫，工作量大且效率低下。在輸送線上通過PLC進(jìn)行分批-分流-歸檔-入庫，零存整入，將零散的貨品裝箱后統(tǒng)一入庫，能有效減少入庫壓力。在進(jìn)行出庫作業(yè)時，從繁多的貨架上將整箱的貨品以托盤的形式取出，并送至揀選工作站，完成揀選后剩余部分仍然自動返回立體倉庫。在物流揀選過程中，減少了人工的參與，提高了自動化水平，體現(xiàn)了“以人為本”的設(shè)計(jì)理念。出入庫作業(yè)時，規(guī)劃運(yùn)動路徑，進(jìn)行貨品登記，做好信息管理，是建設(shè)立體倉庫的關(guān)鍵。因此，一套高效的揀選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，成為重中之重。1.2國內(nèi)外揀選系統(tǒng)發(fā)展與研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)外揀選系統(tǒng)研究現(xiàn)狀自動化控制源于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，因此各國的起步都較晚。十九世紀(jì)六十年代，第一座建成的完全由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制并投入商用的自動化立體倉庫是在美國[3]。隨后，作為一種控制系統(tǒng)形成了專門研究的學(xué)科，在西方迅速興起，有體系的進(jìn)行建設(shè)。由于建設(shè)成本低，節(jié)約人力和土地資源，二十世紀(jì)末，自動化立體倉庫遍布整個世界并開始迅猛的發(fā)展。二十一世紀(jì)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動化倉儲設(shè)備逐步升級，智能倉儲時代開啟[4]。自動化倉儲的主要揀選方式為“貨到人”（G2PorG2M）揀選，即貨品批量運(yùn)輸至揀選工作站，由人工揀選后進(jìn)行出入庫作業(yè)，省去了龐大作業(yè)場地中存取貨品的人工搬運(yùn)作業(yè)，整個揀選作業(yè)幾乎不用行走。大大減少作業(yè)路徑，降低勞動強(qiáng)度[5]。隨著工業(yè)視覺的發(fā)展，自動化分揀也不再是難題，智能倉儲的“貨到人”也不再是真人，而是機(jī)器人。通過拍照識別電子標(biāo)簽，使用RFID技術(shù)進(jìn)行信息管理，由機(jī)械手將貨品存放或取出托盤，最后進(jìn)入輸送線進(jìn)行出入庫作業(yè)[6]。全程無需人工參與，真正實(shí)現(xiàn)自動揀選作業(yè)。打通無人倉庫的最后一道壁壘，實(shí)現(xiàn)全自動智能倉儲管理。1.2.2國內(nèi)揀選系統(tǒng)發(fā)展國內(nèi)自動化倉儲啟步時間并不晚，1974年鄭州紡織機(jī)械廠就建造了自動化倉庫，2003年已經(jīng)建成200多座自動化立體倉庫。海爾、國藥集團(tuán)、中國航天、北京高等教育出版社，都擁有自己的智能倉儲和物流配送中心，其揀選工作站包括了整件揀選、拆零揀選和特殊揀選在內(nèi)的幾乎所有揀選系統(tǒng)。但實(shí)際應(yīng)用與前沿技術(shù)脫節(jié)，適應(yīng)特種作業(yè)環(huán)境的、揀選效率高的、集揀選與分揀一體的、高自動化水平的揀選工作站大多集中于實(shí)驗(yàn)室與頭部企業(yè)。中小企業(yè)仍然以人工揀選與叉車搬運(yùn)為主，庫房雜亂無章，貨品堆積如山，揀選效率低下，揀選作業(yè)工作量大，人力成本高，而這些因素降低了企業(yè)競爭力，抑制了企業(yè)的發(fā)展。電子商務(wù)其作為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新產(chǎn)物，發(fā)展迅猛，物流配送需求日益增長，傳統(tǒng)的揀選模式難以應(yīng)對大量零散的貨品。雖然大型物流配送中心已經(jīng)具有前沿的設(shè)備與豐富的人機(jī)協(xié)作經(jīng)驗(yàn)，能夠快速處理爆發(fā)式貨品增長帶來的揀選壓力，但是在中小型揀選站，即使是日常的貨品揀選也難以處理，臨時招募未受培訓(xùn)的人員進(jìn)行揀選，在揀選過程中進(jìn)行拋甩造成貨品損壞，不僅沒有提高效率，還使良品率下降了。這樣割裂的狀況，即使配送中心具有非常高的效率，也只有發(fā)達(dá)地區(qū)，才能享受到高效的物流配送服務(wù)。中小型揀選工作站收貨后的出入庫作業(yè)，是打通物流配送產(chǎn)業(yè)升級的最后一站。1.3本文研究內(nèi)容本文研究一種高速揀選系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代物流環(huán)境下訂單多而散的揀選作業(yè)要求。裝配工業(yè)相機(jī)，識別輸送線上貨品單號進(jìn)行流程管理，通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高速自動揀選。上位機(jī)處理訂單信息，整合需求并實(shí)行資源調(diào)配，工作站能根據(jù)需求將貨品整箱或拆箱出庫，或與其他訂單同類貨品組合成箱。盡可能的減少出入庫作業(yè)次數(shù)，將零散的訂單整合揀選，以避免輸送線擁堵，提高整體揀選效率。

第二章揀選系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)隨著電子商務(wù)興起，現(xiàn)代物流訂單呈現(xiàn)出碎片化的趨勢，原本集中取貨的經(jīng)銷商分散為大量個人訂單，在總體貨品需求量增加的同時，時間上分布不均衡，常規(guī)的整箱揀選模式受到挑戰(zhàn)，揀選工作站應(yīng)當(dāng)適配拆零揀選系統(tǒng)。2.1揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體要求在傳統(tǒng)“人到貨”揀選作業(yè)中，由作業(yè)人員帶著取貨籃在貨架之間穿梭實(shí)行“摘果”式揀選。大量人力資源浪費(fèi)在行走與尋找中，且立體倉庫的高垂直空間利用率與密集存儲的優(yōu)點(diǎn)在揀選時反而成為了缺點(diǎn)，作業(yè)勞動強(qiáng)度大，產(chǎn)出卻不多。“貨到人”自動化揀選系統(tǒng)，要求貨品根據(jù)訂單需求，批量輸送至工作站，而機(jī)器人在工作站將批量貨品“播種”到訂單周轉(zhuǎn)箱內(nèi)，周轉(zhuǎn)箱通過滾筒線在工作站之間自上而下流通，并在訂單裝填完成后進(jìn)入配送區(qū)。省去高強(qiáng)度的行走與尋找，省去重復(fù)簡單的分揀裝箱作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)高自動化水平，高效率的揀選。2.2揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則（1）安全性：系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)監(jiān)測料箱狀態(tài)，擺放不正的高位料箱是極大的安全隱患，在非作業(yè)期間，若料箱狀態(tài)發(fā)生變化，則可能是料箱發(fā)生傾覆或人為取用，揀選堆垛機(jī)應(yīng)當(dāng)實(shí)時監(jiān)測運(yùn)動方向的路徑狀態(tài)，避免因掉落的貨品導(dǎo)致卡死或與作業(yè)人員的碰撞。（2）系統(tǒng)性：揀選系統(tǒng)并非整個立體倉庫，應(yīng)當(dāng)考慮到與其他系統(tǒng)的兼容性，與立體倉庫系統(tǒng)其他子系統(tǒng)的銜接應(yīng)當(dāng)緊密貼合，不能與入庫系統(tǒng)相斥，所以在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮到出入庫系統(tǒng)的平衡，入庫堆垛機(jī)與出庫堆垛機(jī)的動線不能交叉。（3）高效性：系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對運(yùn)動路徑進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)行“動線最短策略”，節(jié)省運(yùn)動時間，合并同類訂單，從而提高揀選效率。

2.3揀選系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為適應(yīng)不同企業(yè)的倉儲服務(wù)需求，揀選系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，巷道中架設(shè)組合式三自由度輕型堆垛機(jī)，導(dǎo)軌長度可根據(jù)實(shí)際場地大小自由調(diào)節(jié)。使用滾筒輸送線作為主、支路，可根據(jù)工作站實(shí)際分配空間與貨架分區(qū)進(jìn)行鋪設(shè)，承接上游生產(chǎn)線與下游配送端。支路口設(shè)置工業(yè)相機(jī)負(fù)責(zé)交通指揮，末端設(shè)置揀選機(jī)械臂進(jìn)行裝箱或拆箱揀選播種作業(yè)。堆垛機(jī)搬運(yùn)堆垛機(jī)搬運(yùn)配送端運(yùn)輸揀選機(jī)械臂滾筒輸送線相機(jī)運(yùn)輸識別料箱倉庫相機(jī)入庫出庫整箱揀選貨品上游產(chǎn)線生產(chǎn)裝填拆箱分流登記播種圖2-1立體倉庫總體設(shè)計(jì)圖收到出庫指令，系統(tǒng)整合所有同類訂單，若能使用前置周轉(zhuǎn)箱內(nèi)的貨品完成訂單，則直接取用，否則堆垛機(jī)優(yōu)先尋找整箱貨品出庫，或者應(yīng)當(dāng)選擇至少能滿足當(dāng)前波次單貨品需求的料箱，這樣可以提高堆垛機(jī)與料箱在每次進(jìn)行出入庫作業(yè)的資源轉(zhuǎn)化效率。位于上游線路的訂單優(yōu)先處理，每個訂單使用一個訂單周轉(zhuǎn)箱，訂單周轉(zhuǎn)箱從上游向下流動，最后進(jìn)入配送端時，已經(jīng)滿足訂單需求，可立即配送，實(shí)現(xiàn)高自動化拆零揀選系統(tǒng)。

第三章揀選系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1揀選系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)3.1.1立體倉庫與組合式三自由度堆垛機(jī)立體倉庫主體為精益物料搭建的柔性貨架，能根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境組合生長。料箱左右各有兩片托片支撐，中間騰空，堆垛機(jī)可從底部直接將料箱從貨架上取出。兩側(cè)托片裝有傳感器，可監(jiān)測料箱存放狀態(tài)，是否擺放正確。圖3-1小型立體倉庫各級結(jié)構(gòu)圖堆垛機(jī)以歐標(biāo)40160鋁合金型材為骨架，其長度根據(jù)倉庫現(xiàn)場環(huán)境自由調(diào)節(jié)。使用三臺伺服電機(jī)控制進(jìn)行直角坐標(biāo)運(yùn)動，傳動機(jī)構(gòu)則選用齒輪齒條機(jī)構(gòu)傳動，選用直線導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，三維模型如圖2-2所示。圖3-2堆垛機(jī)三維模型圖3.1.2滾筒輸送線分揀系統(tǒng)滾筒輸送線機(jī)架選用鋁合金型材搭建，一臺滾筒線的型材固定長度為1米，中間安裝10個滾筒，如圖2-3所示。其中第一個為動力滾筒，通過皮帶帶動其他滾筒。較長的輸送線可以采用多臺組合的方式，如圖2-4所示。圖3-3單臺滾筒線三維模型圖圖3-4組合式滾筒線三維模型圖揀選系統(tǒng)對接滾筒輸送線三維模型如圖2-5所示，滾筒輸送線的兩端分別安裝有升降式移栽裝置和阻擋裝置。與外界對接出庫時，移栽機(jī)按訂單將揀選完畢的訂單周轉(zhuǎn)箱從等候區(qū)搬運(yùn)至滾筒線上，通過滾筒線輸送至相應(yīng)的對接設(shè)備上。繁忙路段可鋪設(shè)兩條輸送線以避免擁堵。圖3-5滾筒輸送線三維模型圖

3.1.3揀選機(jī)械臂揀選機(jī)械臂以三臺伺服電機(jī)為運(yùn)動主體（見圖2-6），根據(jù)倉庫料箱的型號，三軸最大長度可達(dá)1300*1000*300（mm）。前端裝配夾爪（圖2-7），下裝坦克鏈埋設(shè)線纜。圖3-6三軸機(jī)械臂零件爆炸圖圖3-7夾爪揀選機(jī)械臂裝配在輸送線末端，負(fù)責(zé)貨品在料箱、托盤以及輸送線之間的轉(zhuǎn)移，主要是零散貨品的整合與拆零作業(yè)。出庫時，揀選機(jī)械臂將按訂單需求，從料箱中將不同訂單的貨品投放至對應(yīng)周轉(zhuǎn)箱。3.1.4工業(yè)相機(jī)各路口處架設(shè)工業(yè)掃碼器進(jìn)行交通管理，對途經(jīng)貨品進(jìn)行識別檢測并分流管理，支路末端架設(shè)視覺相機(jī)進(jìn)行貨品捕捉，對料箱內(nèi)貨品實(shí)現(xiàn)抓取投放并做出庫登記。3.2智能倉儲控制系統(tǒng)硬件選型3.2.1電機(jī)選型本套系統(tǒng)中需要使用大量電機(jī)，對軸控制均具有較高的要求，需要位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，大批量多品種高揀選的出庫系統(tǒng)在處理海量波次單時需要頻繁的往復(fù)運(yùn)動與方向轉(zhuǎn)換，為避免失步，擬采用伺服電機(jī)進(jìn)行控制。組合式輕型堆垛機(jī)與揀選機(jī)械手伺服機(jī)構(gòu)均為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，但在具體使用中，堆垛機(jī)負(fù)責(zé)整箱貨品的搬運(yùn)，揀選機(jī)械手負(fù)責(zé)料箱中單個貨品的抓取，負(fù)載僅為堆垛機(jī)的10%，且不同貨品，或者整箱料箱與半箱料箱之間重量差距較大，只能以倉庫貨架排整體貨品的平均值為作為額定負(fù)載參考建設(shè)。圖3-8常見傳動機(jī)構(gòu)絲杠具體長度應(yīng)與倉庫貨架相匹配，以6層貨架為例。工件部分的質(zhì)量WA=30[kg]滾珠絲杠的長度BL=3[m]滾珠絲杠的直徑BD=0.04[m]滾珠絲杠的螺距BP=0.04[m]滾珠絲杠效率Bη=0.9移動距離2.84[m]聯(lián)軸器的慣量JC=10×10-6[kg·m2]算得移動轉(zhuǎn)矩0.42[N·m]，加速時轉(zhuǎn)矩2.24[N·m]。TT得到最大轉(zhuǎn)矩2.24[N·m]。計(jì)算得滾珠絲杠質(zhì)量約為9.36kg。B負(fù)載慣量為2.29×10-3[kg·m2]。圖3-9選型說明因此堆垛機(jī)選用三臺750W的SM3L-083A1NDV交流伺服電動機(jī)。而揀選機(jī)械手扭矩與負(fù)載慣量則較小，僅需三臺100W的SM3L-042A1NDV交流伺服電動機(jī)即可。移栽伺服與相機(jī)旋轉(zhuǎn)伺服傳動采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)，移栽機(jī)負(fù)責(zé)料箱與訂單周轉(zhuǎn)箱在工作站與滾筒線之間的移動，但滑軌運(yùn)動需求轉(zhuǎn)矩不大，經(jīng)測試，一臺450W的SM3L-062A1NDV可以滿足。相機(jī)旋轉(zhuǎn)伺服則更輕，一臺100W的SM3L-042A1NDV即可。3.2.2夾爪選型計(jì)算夾爪的夾持力，主要是計(jì)算在加減速過程中還能保持夾取的力。在使用拆零揀選的倉儲系統(tǒng)內(nèi)，一般存放的是輕小貨品，不會出現(xiàn)質(zhì)量太大的情況，且同一巷道內(nèi)的同類貨品質(zhì)量差距不會過大，單件重量一般在5kg以內(nèi)。對氣動手指進(jìn)行受力分析時，需要考慮到手指在移動作業(yè)時的加速度。本研究主要分析V型氣動手指，以V型手指夾持圓棒料為范例，通過簡單的受力分析，可以更好的理解公式，保證公式正確使用。首先，分別標(biāo)出圓形棒料和V型手指塊的受力，當(dāng)圓形棒料受力平衡時，受到支撐力N1、N2和重力G，而左邊的V形手指塊受到壓力N2、氣爪夾持力F和向上的拉力。把圓棒料單獨(dú)拿出來，分析其受力情況，N1、N2、G合力為0，因此N2圖3-10圓棒受力分析把V型塊單獨(dú)拿出來，分析其受力情況，N2、F和朝上的拉力的合力為0，因此G/2圖3-11V型塊受力分析將兩個公式合并到一起，消去N2，F(xiàn)=(G×tana根據(jù)公式：F=m×(a+g)選取g=9.81m/s2，安全系數(shù)S=4，μ=0.15。由揀選機(jī)械手三軸最大加速度聯(lián)立得出夾爪最大加速度a，計(jì)算后得出夾持力為207.85N。選用臺灣長拓VHR-16氣動夾爪。3.2.3相機(jī)選型路口相機(jī)只需要識別訂單周轉(zhuǎn)箱箱號并傳回PLC，確定箱內(nèi)訂單剩余需求貨品，以此判斷是直接通行還是前往支路添加貨品，因此選擇工業(yè)掃碼器。選用新大陸NLS-Soldier100工業(yè)級固定式掃碼器。支路相機(jī)需要根據(jù)訂單，尋找對應(yīng)料箱內(nèi)的貨品，確定位置并傳回PLC，PLC控制三軸機(jī)械臂到指定坐標(biāo)點(diǎn)抓取貨品，并投放至訂單周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。因此對于支路相機(jī)的要求較高。因?yàn)橹废鄼C(jī)只需要觀察揀選工作臺上料箱內(nèi)貨品位置，貨品實(shí)際分類在料箱的選擇中已經(jīng)被確定，因此不需要識別色彩，選用黑白相機(jī)可以直接得到灰度值，易于進(jìn)行圖像處理。因?yàn)榱舷湓诒O(jiān)測時是靜止的，揀選夾爪能夾取的貨品也不可能非常小，因此抓取準(zhǔn)度與精度需求不是特別高，分辨率與幀率的降低可以顯著的減少相機(jī)使用成本，面陣相機(jī)即可滿足支路需求。相機(jī)通訊接口選擇以太網(wǎng)接口，使用poe供電，可以支持遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)現(xiàn)一臺1511C集中控制多臺相機(jī)。為精確捕捉料箱內(nèi)貨品，相機(jī)視角應(yīng)覆蓋整個料箱，經(jīng)現(xiàn)場測定，視角覆蓋整個工作區(qū)至少需要保持0.5米的距離，因此鏡頭對焦距離應(yīng)當(dāng)在7.2mm。圖3-12相機(jī)焦距計(jì)算在實(shí)際選擇時應(yīng)當(dāng)選擇相近型號中較計(jì)算值偏小的產(chǎn)品，這樣視角會稍大一些，畫面不容易丟失。初步選定北京微視MVC-I-1M相機(jī)。第四章揀選系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1.1控制系統(tǒng)選擇本控制系統(tǒng)選擇PLC為控制核心，上位機(jī)為信息交互站。PLC支持多種程序設(shè)計(jì)方法，梯形圖可讀性強(qiáng)，易于監(jiān)控；STL邏輯縝密，層次分明；SCL簡潔高效，允許大量數(shù)據(jù)處理。可以根據(jù)需求選擇不同的語言進(jìn)行編程。且PLC配備多種通訊接口，數(shù)據(jù)傳輸方便，可擴(kuò)展性強(qiáng)，支持多臺設(shè)備聯(lián)機(jī)工作。4.1.2PLC選型堆垛機(jī)與揀選機(jī)械手都需要三臺伺服聯(lián)動控制，因此需要具有脈沖發(fā)射功能的PLC，初步確定為西門子1214C，但單部PLC最多只能控制一臺堆垛機(jī)或者一臺機(jī)械手，因此一條路口需要；兩臺1214C，考慮到后期拓展性，需要配置一臺1500，接收各路口相機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息交換與總體調(diào)度，初步確定為西門子1511C。4.2硬件設(shè)計(jì)4.2.1I/O分配表堆垛機(jī)作為立體倉庫出庫搬運(yùn)設(shè)備，是必不可少的基礎(chǔ)模塊，因此與滾筒線對接設(shè)備，如移栽機(jī)，統(tǒng)一由一臺1214C控制，作為揀選系統(tǒng)的基礎(chǔ)的部分。在拆零揀選作業(yè)中，需要揀選機(jī)械手與支路相機(jī)協(xié)作進(jìn)行拆箱播種，但并非必要。因此將其打包組合，由另一臺PLC進(jìn)行控制，可以根據(jù)分揀作業(yè)的需求自行添加，也可將其省略以減少建設(shè)成本。滾筒線與路口相機(jī)則交由1511C統(tǒng)一處理調(diào)度，同時也負(fù)責(zé)與上位機(jī)，與立體倉庫，與倉儲管理系統(tǒng)的信息交換，實(shí)現(xiàn)以一帶多。

表1堆垛機(jī)PLC(基礎(chǔ)模塊)I/O表表2揀選機(jī)械手PLC(擴(kuò)展模塊)I/O表4.2.2硬件接線圖4-1堆垛機(jī)PLC接線圖圖4-2揀選機(jī)械手PLC接線圖4.3軟件設(shè)計(jì)4.3.1系統(tǒng)流程揀選工作是從倉儲系統(tǒng)接收訂單時即開始的，為提高貨品出庫效率，減少搬運(yùn)在揀選作業(yè)中占用的時間，引入了波次單的概念，即每個訂單并不是獨(dú)立進(jìn)行揀選作業(yè)的，一個揀選任務(wù)通常會包含多個相似訂單。每個訂單一旦被接收，就會分配一個與之綁定的容器，本系統(tǒng)選擇的是訂單周轉(zhuǎn)箱，掃碼機(jī)或相機(jī)、作業(yè)人員通過訂單周轉(zhuǎn)箱上的識別碼即可知悉訂單狀態(tài)，不再需要紙質(zhì)單據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)波次訂單所需要的所有貨品，結(jié)合倉儲系統(tǒng)內(nèi)貨品存放位置，尋找最短路徑，并按順序向堆垛機(jī)輸出揀貨位，堆垛機(jī)根據(jù)指令前往立體倉庫進(jìn)行取貨，由揀選機(jī)械手將取出的料箱內(nèi)貨品按訂單播種到訂單周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。訂單周轉(zhuǎn)箱在播種完畢后繼續(xù)向下游流動，并在訂單完成后最終到達(dá)配送站，接受核驗(yàn)并出庫。圖4-3揀選流程圖4.3.2程序設(shè)計(jì)倉儲系統(tǒng)上位機(jī)搭載了WMS系統(tǒng)，對所有入庫貨品進(jìn)行信息管理，從貨品名稱、型號、數(shù)量，到生產(chǎn)廠家，訂單號，入庫時間，一應(yīng)俱全。在收到訂單后，能立刻輸出貨品位置與料箱信息，并提供路徑建議。圍繞此系統(tǒng)展開下位機(jī)揀選程序設(shè)計(jì)，將使揀選效率大大提高。圖4-4WMS系統(tǒng)為在保證模塊化設(shè)計(jì)高拓展性的同時，降低成本，本系統(tǒng)選擇1511C以一帶多的設(shè)計(jì)，最多可帶動75臺次級PLC，配合精益物料搭建的柔性貨架，完全滿足后期升級拓展需求，實(shí)現(xiàn)與企業(yè)共同生長。因此，系統(tǒng)內(nèi)PLC之間的信息交換成為關(guān)鍵。因?yàn)樗x的PLC皆支持以太網(wǎng)通訊，因此借助交換機(jī)，通過擬設(shè)共用DB塊進(jìn)行通訊。圖4-51511C通訊程序在系統(tǒng)接到訂單后，會對所有相似訂單進(jìn)行整合，將相似度高，即需求貨品部分重疊的訂單歸為一個波次單，訂單周轉(zhuǎn)箱與訂單綁定并進(jìn)入滾筒線，在上游生產(chǎn)線需求貨品與其他訂單一致的訂單周轉(zhuǎn)箱，將具有更高優(yōu)先級并提前釋放。此時1511C也將對波次單內(nèi)所有訂單所需貨品進(jìn)行打分比較。首要的，應(yīng)當(dāng)先針對單個貨品進(jìn)行比較，選出最符合訂單需求的料箱。一般是首選存貨量大于波次單需求的料箱，然后比較入庫日期與保質(zhì)期，就近選擇貨品剩余保質(zhì)期短的料箱就近出庫。特殊的，若兩個或以上的存量較小的料箱，可以正好滿足波次單，則應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選取以騰出貨架空間。在選出所有貨品出庫料箱后，在貨品間進(jìn)行比較，能滿足較多訂單需求的，能解放某一訂單使周轉(zhuǎn)箱流入下游的貨品將優(yōu)先出庫。同時使用遺傳算法，在歷史記錄中，訂單需求多，數(shù)量大的貨品，會提高其評分因子，經(jīng)常組合出現(xiàn)的貨品訂單，出庫順序?qū)⒏淤N近。當(dāng)新組合出現(xiàn)時，支持基因迭代更替，實(shí)現(xiàn)打分系統(tǒng)的動態(tài)更新。圖4-6料箱打分貨架上所有的料箱位置存儲在坐標(biāo)庫中，1511C對于貨品位置信息的計(jì)算，即接收WMS系統(tǒng)中貨品信息，基于坐標(biāo)庫中已存有的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)，得到取用貨品路徑。特別的，雖然堆垛機(jī)水平運(yùn)動與垂直運(yùn)動可以同時進(jìn)行，但實(shí)際運(yùn)動中為保證料箱與貨品的穩(wěn)定，垂直運(yùn)動的能耗更大，速度也更慢，因此在算法中，縱坐標(biāo)越高的貨品，其因子越低，一般為0.9n，其中n為貨品在貨架中的行數(shù)。圖4-7貨架坐標(biāo)庫在確定選用的料箱后，1511C立刻將指令發(fā)布給指定1214C，控制堆垛機(jī)前往指定地點(diǎn)取貨。料箱傳感器協(xié)同監(jiān)測軸運(yùn)動狀態(tài)，若出現(xiàn)與預(yù)期位置的偏離，如搬運(yùn)過程中料箱傳感器只有一側(cè)檢測到料箱動作，或選取料箱異常，則報送檢修信號。圖4-8電機(jī)運(yùn)動控制堆垛機(jī)將料箱運(yùn)送到工作站后，若貨品整箱出庫，則無需拆零揀選，移栽機(jī)直接抓取料箱，投放至滾筒線回流進(jìn)入下游配送端。若貨品為波次單共同需求，則移栽機(jī)將其放到拆零工作臺等待，待上一步作業(yè)完成，工業(yè)相機(jī)旋轉(zhuǎn)至對應(yīng)工作臺，當(dāng)相機(jī)旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)工作臺后，即拍攝照片進(jìn)行圖像采集已分析需要抓取的貨品位置。因?yàn)樵诓东@的過程中，工作臺與貨品始終保持靜止?fàn)顟B(tài)，因此使用傳統(tǒng)標(biāo)定法即可獲取所需貨品的具體坐標(biāo)信息。在本系統(tǒng)的托盤與料箱中，裝有輔助定位錨點(diǎn)，經(jīng)過學(xué)習(xí)后，相機(jī)能根據(jù)輔助錨點(diǎn)快速找到貨品捕捉料箱內(nèi)貨品具體位置并將坐標(biāo)傳給1511C調(diào)度對應(yīng)PLC，揀選機(jī)械手根據(jù)收到的坐標(biāo)進(jìn)行抓取，并投放至訂單周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。圖4-9貨品位置學(xué)習(xí)在單線支路滾筒線中，若上下游調(diào)度不協(xié)調(diào)，如一個訂單周轉(zhuǎn)箱在路口處多等待了3秒導(dǎo)致后方所有隊(duì)列與預(yù)期產(chǎn)生偏差，極易出現(xiàn)擁堵撞車現(xiàn)象，使揀選作業(yè)變得混亂，大大降低揀選作業(yè)效率。本系統(tǒng)提供“退格”解決方案，1511C立即暫停訂單接收，將擁堵滾筒線及其上游線路動力滾筒倒轉(zhuǎn)，將撞車訂單周轉(zhuǎn)箱釋放，待前方行車結(jié)束，再重啟訂單。即使如此，依然會造成較多的資源錯配與時間浪費(fèi)。因此單滾筒線建議分配處理整箱揀選，只出不進(jìn)。繁忙路段應(yīng)鋪設(shè)雙支路滾筒線，訂單周轉(zhuǎn)箱排隊(duì)進(jìn)入支路滾筒線內(nèi)，能最先完成此支路波次需求的優(yōu)先級高，最先進(jìn)入，揀選機(jī)械手優(yōu)先從拆零工作臺選擇此訂單周轉(zhuǎn)箱進(jìn)行揀選作業(yè)，移栽機(jī)將其搬運(yùn)至另一側(cè)回流線內(nèi)，使原本的單行線升級為一條回路，處理波次單作業(yè)時有效避免擁堵，大幅提升揀選效率。特別的，對于可能發(fā)生的故障，應(yīng)建立預(yù)案，設(shè)置對應(yīng)報警信號，不同情況引發(fā)的報警信號應(yīng)當(dāng)分別討論，例如貨品擁堵撞車，軸運(yùn)動異常，堆垛機(jī)前后有異物等，每種情況必須具有識別性，使得總控能夠在任何時期發(fā)生異常時通過查閱報警信息，立即確定故障原因，維修人員可以迅速到場進(jìn)行修理作業(yè)，保障生產(chǎn)效率。嚴(yán)重的報警應(yīng)當(dāng)立即停止揀選作業(yè)，避免安全事故。圖4-10報警為清除冗余信息，系統(tǒng)支持上電自動復(fù)位。

第五章設(shè)備調(diào)試5.1調(diào)試前準(zhǔn)備揀選系統(tǒng)在啟動前，應(yīng)仔細(xì)檢查各電磁閥與氣管狀態(tài)，線纜是否完好，接線是否正確。確認(rèn)無誤后則可啟動空氣壓縮機(jī)，為后續(xù)調(diào)試做準(zhǔn)備。系統(tǒng)通氣，此時各頂升氣缸與氣動手指都會恢復(fù)至自己的初始狀態(tài)，若氣缸沒有恢復(fù)至初始狀態(tài)，首先檢查連接氣缸的氣路有沒有受損，其次調(diào)節(jié)氣缸的氣閥等5.2通訊測試系統(tǒng)上電后，應(yīng)當(dāng)先進(jìn)入上位機(jī)的通訊測試界面，通過預(yù)留的DB4通訊數(shù)據(jù)塊，進(jìn)行通訊測試，檢查各級PLC上對應(yīng)的預(yù)留空點(diǎn)位是否成功接通。若預(yù)留點(diǎn)位沒有正常接通，首先檢查網(wǎng)線與交換機(jī)是否完好，其次通過Ping通訊檢查IP地址與網(wǎng)絡(luò)延遲。圖5-1通訊測試圖5-2相機(jī)內(nèi)部通訊參數(shù)5.3手動調(diào)試通過上位機(jī)或者觸控面板，依次測試各個氣缸、伺服電機(jī)、工業(yè)相機(jī)與傳感器能否正常動作，檢查各個氣缸、伺服驅(qū)動器上的傳感器是否正常，若存在異常，應(yīng)先解決故障再繼續(xù)運(yùn)行，若無故障則設(shè)置伺服運(yùn)行速度、沖壓氣缸沖壓時間等系統(tǒng)啟動的參數(shù)，然后按下復(fù)位按鈕，此時各伺服電機(jī)復(fù)位，尋找各自的工作原點(diǎn)。在初次使用或工作臺變更后，應(yīng)當(dāng)將對相機(jī)進(jìn)行至少20次學(xué)習(xí)調(diào)試，在確保相機(jī)對于托盤或料箱內(nèi)貨品位置的捕捉具備較高正確率后，拆零揀選工作站才具備投產(chǎn)能力。圖5-3軸測試5.4自動運(yùn)行MWS系統(tǒng)整合訂單并生成波次單后，由動力滾筒將綁定完畢的訂單周轉(zhuǎn)箱通過滾筒運(yùn)輸向下游流動，工業(yè)掃碼器識別通過的訂單周轉(zhuǎn)箱，確定其訂單需求并在對應(yīng)站點(diǎn)發(fā)出信號，頂升氣缸動作將訂單周轉(zhuǎn)箱輸送至支路滾筒線，再運(yùn)送至對應(yīng)工作站等待。與此同時，在接收到取貨優(yōu)先表后，堆垛機(jī)立即前往對應(yīng)貨架位置，待取出料箱后返回，然后回到待機(jī)點(diǎn)執(zhí)行或等待下一次取貨請求。移栽機(jī)根據(jù)波次單需求將料箱運(yùn)送至對應(yīng)拆零工作站后釋放。工業(yè)相機(jī)旋轉(zhuǎn)至對應(yīng)工作臺，捕捉料箱內(nèi)貨品具體位置并將坐標(biāo)傳給PLC，揀選機(jī)械手根據(jù)收到的坐標(biāo)進(jìn)行抓取，并投放至訂單周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。待“播種”完畢，訂單周轉(zhuǎn)箱由移栽機(jī)運(yùn)送至回流滾筒線，返回主滾筒線并繼續(xù)前往下游。滿足訂單后在末端配送站接受貨品信息核驗(yàn)并登記出庫。在運(yùn)行過程中按下觸摸屏中的急停按鈕，設(shè)備會立即停止，按下復(fù)位按鈕后設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，若在運(yùn)行過程中按下停止按鈕或者庫存不足接單失敗，系統(tǒng)會完成當(dāng)前波次單后報警停機(jī)。第六章結(jié)論本系統(tǒng)為大批量多品種高揀選立體倉庫系統(tǒng)的一部分，主要研究一種高速揀選系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代物流環(huán)境下訂單多而散的揀選作業(yè)要求。同時又需要盡可能的減少建造與設(shè)計(jì)成本，以滿足整個系統(tǒng)面向中小微企業(yè)內(nèi)車間中間倉儲庫的門檻低、周期短、投資少的基本訴求。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，在配備一條滾筒線主線，一臺1511C與組合式三自由度堆垛機(jī)組成的基礎(chǔ)系統(tǒng)后，即可完成最簡單的初期揀選作業(yè)，拆零揀選擴(kuò)展模塊能夠根據(jù)現(xiàn)場揀選需求自由擴(kuò)充。模塊化設(shè)計(jì)允許企業(yè)因地制宜，根據(jù)車間環(huán)境設(shè)計(jì)拼合輸送線，根據(jù)倉庫位置選擇相機(jī)，根據(jù)貨品種類決定是否建設(shè)支路進(jìn)行分流。提高揀選系統(tǒng)與企業(yè)本身的相性，使得可以用較低的設(shè)計(jì)與搭建成本，獲得一套高效的自動化揀選系統(tǒng)。在揀選系統(tǒng)，尤其是大批量多品種高揀選立體倉庫系統(tǒng)的揀選系統(tǒng)中，對于訂單周轉(zhuǎn)箱與用戶數(shù)據(jù)的綁定，訂單周轉(zhuǎn)箱隊(duì)列與料箱取用順序有很高的要求。本研究從電梯群控系統(tǒng)中得到靈感，為所有訂單周轉(zhuǎn)箱，貨品與料箱進(jìn)行動態(tài)打分，比較得出最優(yōu)解。同時支持遺傳算法，需求量大，訂單頻繁的貨品組合，打分因子同步提升，使得系統(tǒng)具備一定的預(yù)測性，超前性，再一次降低揀選作業(yè)所需時間，提高揀選效率。算法的引入使得簡單的設(shè)備也具備處理復(fù)雜問題的能力，在壓縮建造與設(shè)計(jì)成本的同時，效率不減，達(dá)到“麻雀雖小，五臟俱全”的境界，更好的滿足中小微企業(yè)提升自身倉儲物流水平，向智能制造進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級的需求，也打造核心賣點(diǎn)，創(chuàng)建獨(dú)特優(yōu)勢。

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