熱文回顧 | 桶裝物料自動化立體倉庫的應用及發展探析

頭部廣 告

摘要：近些年隨著制造業智能化的發展，桶裝物料的自動化存儲需求變得越來越迫切，但是在實際操作過程中往往會遇到一些困難。因為桶裝物料有自身的特點，如單托盤重量較重，碼垛方式單一，無法實現錯層碼垛、容易倒垛、輸送錯位、桶把手方向不一致、桶面反光等，使得桶裝物料自動化立體倉庫建設進展緩慢。隨著家裝以及石化行業的發展，如何解決桶裝物料自動化立體倉庫建設難題，一直是行業發展的痛點。本文以實際項目為例，探討能夠攻克以上問題的桶裝物料自動化立體倉庫解決方案。

關鍵詞：立體倉庫；桶裝物料；智能制造

作者：白華清

無錫中鼎集成技術有限公司

一

引言

隨著我國經濟水平和科技水平的高速發展，人民的居住環境和出行方式都有了很大提高，對石化及家裝行業提出更高要求，桶裝的包裝形式因其具有強度好、耐沖擊、耐腐蝕、無毒無味、運輸方便等特點，在石化及家裝涂料行業運用比較廣泛。

通過調研多家桶裝物料的成品廠家發現，目前主要的儲存方式有兩種：一種是直接桶裝物料的地堆存儲，這種存儲方式一般為防止傾倒，多采用大面積的存儲方式，無法滿足貨物先進先出的原則，容易造成庫存積壓、發貨不及時，且具有一定的消防風險；另一種是托盤地堆，這種存儲方式一般堆垛2層或者3層，雖然能夠用叉車作業提高效率，但是需要的叉車工也較多，造成人力浪費，托盤堆疊容易對產品造成傷害，且庫存管理也比較困難。

以上兩種存儲方式對土地及倉庫的空間利用率太低，造成了一定的浪費。為實現經濟效益最大化，部分桶裝物料成品倉也在探索自動化立體倉庫存儲方案。桶裝物料的包裝標準一般有2L、5L、10L、15L、17L、18L、19L、20L、25L、30L等，5L以下的包裝桶可以采用紙箱打包方式，但對于可以獨立碼垛的包裝桶，在進行立體倉庫建設過程中遇到了一些問題。例如，桶裝物料無法像紙箱或者袋裝物料一樣錯層碼垛，只能采用單一堆疊的方式，這種方式在輸送或者搬運過程中容易倒垛；桶裝物料為了方便人工搬運，一般會配備手提把手，把手的方向不一致會影響碼垛和拆垛精度，如何保證碼垛和拆垛時桶把手的來料方向一致；桶裝物料在輸送過程中容易與托盤發成錯位，導致拆垛時的垛型與碼垛時的垛型偏差較大，機械手無法定位；按單揀選之前需要通過視覺拍照為機械手提供揀選依據，桶裝物料上表面比較光滑，拍照時容易出現反光問題等。上述問題都是制約桶裝物料自動化立體倉庫建設的共性問題。針對以上問題，本文以實際項目為例，探討制約桶裝物料自動化立體倉庫發展的共性問題及解決方案。

二

項目背景

本立體倉庫項目主要存儲產品為桶裝涂料，包含乳膠漆和質感漆。該類桶裝涂料具有5L、17L、18L、19L、20L等規格，桶高分為298mm、308mm、330mm、345mm、378mm等規格，桶低直徑275mm，桶頂直徑299mm。桶身主要材質為覆膜鐵、彩印鐵，單個桶產品由灌身、花籃底、花籃蓋、支耳、鐵絲、白管、泡沫膠條等組成（見圖1）。該立體倉庫項目的占地面積為4500㎡，高度為18.5m。如圖2所示，立體倉庫的貨架系統由常規堆垛機庫貨架和穿梭板庫貨架組成，合計約8100個貨位，每個貨位承載2t。常規堆垛機貨架由一個雙深巷道和5個單深巷道組成，穿梭板庫通過兩臺單伸堆垛機擺渡。立庫采用兩端出入庫的方式，右側輸送系統與車間對接成品入庫用，左側輸送系統分為兩層，一層為發貨層，與月臺對接進行成品發貨；二層為揀選層，根據訂單進行發貨前的揀選作業。

圖1 包裝桶參數

圖2 立體倉庫效果圖

三

桶裝物料立體倉庫的工藝流程

1.成品入庫

立體倉庫右側為成品入庫系統，有南北兩個入庫口與車間對接，分別對應質感車間和乳膠漆車間，質感車間包含5條生產線，對應3套機械手碼垛工位，2個人工上下料口工位，乳膠漆車間包含6條生產線，對應3套機械手碼垛工位，2個人工上下料口工位（如圖3）。立庫區域搭設鋼平臺，鋼平臺標高4.5m，庫前輸送系統安裝在鋼平臺上，立庫與車間中間通過連廊連接對接，連廊與庫內鋼平臺等高（4.5m），連廊與立庫內部通過防火卷簾門隔斷，輸送做翻轉避讓，防火卷簾門采用常開模式，連廊下方凈空和寬度設計應滿足消防通道要求，連廊與質感車間和乳膠漆車間通過提升機對接（如圖4），設備與質感車間、乳膠漆車間通過防火卷簾門隔斷，輸送避讓，防火卷簾門常開模式，連廊護欄設計高度大于最高垛型，可有效避免倒垛情況下油漆桶跌落連廊，且連廊表面可采用密封措施，密封措施能保證灑落的油漆不滲漏到物流通道。

圖3 成品入庫布局圖

（①-質感車間，②-乳膠漆車間，③-入庫端輸送系統）

圖4 連廊對接提升機

圖5 車間空母托盤輸送

（1）空母托盤供給流程

如圖6，當堆垛機接到空托盤垛出庫指令后，堆垛機將空托盤垛放到庫前輸送線上，空托盤垛在庫前環線上逆時針輸送到連廊對接口，進入連廊后通過路徑1從提升機降落至與生產車間對接高度。系統設計有備用路線2，在連廊上可以換到從下一個提升機下降到車間對接高度，增加此路徑方案上可以實現兩臺提升機“一備一用”的效果，避免極端情況影響生產。從連廊輸送來的空托盤有兩條路徑，一條路徑是通過路徑3到人工上下料口（如圖5），為人工提供空托盤垛，人工叉取后可以作為人工碼垛母托盤使用，同時路徑3的輸送機支持正反轉，入空托盤垛、入成品、出庫分時段進行。另一條路徑則流向拆盤機，此路徑為主要路徑，拆盤機前端設置合理空托盤垛緩存位，拆盤機拆出的單個母托盤流向車間的各機械手碼垛工位，供機械手碼垛用。

圖6 空母托盤供給流程

（2）成品入庫流程

如圖7，以質感車間為例，分兩條成品入庫路徑，即機械手碼垛成品入庫與人工組盤成品入庫，機械手碼垛后的托盤，在完成信息組盤之后通過車間輸送系統輸送到連廊提升機位置（如圖8），經過外形檢測合格后，常規路徑為通過連廊路徑1進入立體倉庫庫前輸送系統，輸送系統根據上位指令將成品送到指定的巷道口，堆垛機根據上位系統分配的庫位進行指定存儲完成成品入庫流程。提升機仍然采用“一備一用”策略，如路徑1的提升機故障時，可采用路徑2的提升機完成成品入庫。機械手碼垛的成品在入連廊提升機之前有外形檢測，檢測合格正常執行入庫指令，檢測不合格通過路徑3排出到異常處理口，由人工處理。路徑4人工上料口的人工組盤成品，經外形檢測合格后，入庫路徑同機械手碼垛的入庫流程，不合格則系統報警由人工處理。

圖7 成品入庫流程

圖8 成品入庫

2.成品分揀

立體倉庫左側二層的主要功能是根據訂單分揀，系統組成主要有直線穿梭車、輸送系統、機械手拆碼垛系統、助力臂系統等組成（如圖9）。成品分揀的流程如圖10所示，包括空母托盤供給路線、成品供給路線、機械手揀選功能、人工揀選功能、異常處理口、快速發貨口等。

圖9 成品分揀效果圖

（1）空母托盤供給路徑

路徑一：從庫內出來的整垛母托盤通過直線RGV擺渡到路徑3的拆盤機位置，機械手效率較高，拆盤機前端應設置緩存位，拆盤機拆出的單個母托盤可以向上、向下輸送，供兩臺機械手碼垛用。

路徑二：從庫內出來的整垛母托盤通過直線RGV擺渡到路徑8所示拆盤機位置，拆出的母托盤再通過直線RGV供給到路徑5對接口進行緩存。

（2）成品供給路徑

路徑一：從庫內出來的待揀選成品托盤通過直線RGV擺渡到路徑2對接口，供下方機械臂拆垛用，路徑2上依次為緩存位、3D視覺拍照位置、拆垛位置、尾盤回流位置等。

路徑二：從庫內出來的待揀選成品托盤通過直線RGV擺渡到路徑4對接口，路徑4可以將成品托盤根據上位系統的調度需求分別向上或向下輸送，向上輸送給人工拆垛提供成品托盤，向下輸送給機械手拆垛提供成品托盤，機械手拆盤的路徑上同樣包含緩存位、3D視覺拍照位置、拆垛位置、尾盤回流位置等。

（3）機械手揀選功能

兩套機械手對來料的成品托盤根據訂單進行揀選，揀選成品到目標母托盤上。機械手揀選分為正向揀選和反向揀選，成品托盤在到達拆垛位之前，3D視覺系統會將成品托盤的拍照信息上傳到上位系統，即每次揀選機械手揀選的桶數量不會超過托盤上桶數量的1/2，即當訂單中需要揀選的訂單桶數量超過整托輸送的1/2時，系統自動識別此訂單采用反揀選功能，將目標托盤上訂單數量多余的桶揀選掉，尾盤根據訂單整托發貨，此功能在實際使用中也大大提高了揀選效率。

（4）人工揀選功能

人工揀選站采用旋轉助力臂并配置定制的可折疊夾具，該夾具不僅可以抓取油漆桶，還可以抓取空托盤，即人工先將空托盤從路徑6口搬運到路徑5口，然后人工操作助力臂進行拆垛，用助力臂進行揀選大大減輕了人工操作的勞動強度，還可以對一些非標的包裝訂單進行人工處理，增加了處理訂單的靈活性。

（5）異常處理口

機械手碼垛、人工揀選以及需要回庫的目標托盤在入庫前進行外形檢測，如有異常情況可以由直線RGV擺渡到異常口7處理，避免特殊情況發生。

（6）快速發貨口

二層揀選主要的作用是根據訂單提前備料，揀選的尾盤和訂單托盤通常入庫緩存，等待系統指令后發貨；若有加急訂單，在揀選結束后可以通過直線RGV直接擺渡到1號提升機口，通過提升機下降到一層發貨，實現揀選快速發貨流程，使整體操作更具靈活性。

圖10 成品分揀流程

3.成品發貨

如圖11，成品發貨區主要由庫前輸送系統組成，庫前輸送系統由輸送機組成一個順時針大環線，發貨工位前合理設置發貨緩存工位，立體倉庫調度系統與月臺車輛管理系統配合使用，合理設置發貨節拍，避免堵線。同時一層庫前輸送系統連接南北兩側的生產車間，生產車間設置人工上下料口，可以實現非立體倉庫內部的物料發貨，滿足工廠多樣性的發貨需求。

圖11 成品發貨

四

項目難點及解決方案

根據前述桶裝物料從成品車間到入庫以及發貨的流程可知，此過程中包含桶裝物料的碼垛、輸送、拆垛、揀選等多個工藝，且這些工藝均為桶裝物料立體倉庫中典型的工藝流程，各工藝在實際操作過程中都遇到過一些困難，典型問題及解決方案闡述如下。

1.生產線來料信息跟蹤

問題：以前的自動化生產線沒有考慮到立體倉庫的需求，灌裝結束后均是人工處理，對每個桶信息流的管理要求不高，但是入立體倉庫碼垛時一定要保證來料信息與碼垛信息的準確性，否則后續會導致庫位信息紊亂，無法實現精準拆垛。

解決方案：在碼垛之前增加稱重與全景掃描一體工位，對單個來料桶的重量和條碼信息進行掃描，并將桶的信息與來料順序上報給上位系統，不合格桶在下一個工位剔除。

2.桶把手方向

問題：因為前端生產線對桶把手沒有特殊的方向需求，導致流到碼垛工位時桶把手的方向不確定，機械手在碼垛時很容易出現因把手問題導致桶與桶之間間距不標準，進一步導致與抓取夾具干涉，或者碼垛時因定位偏差問題倒垛的情況。

解決方案：在剔除工位之后增加一個轉桶工位（如圖12），將來料桶的把手轉到同一個方向，避免碼垛的時候因為把手問題導致夾具干涉或無法碼垛的問題。

圖12 轉桶工位位置

3.托盤在輸送過程中移位

問題：對于桶裝液體物料單品一般比較重（通常為2t以上），市場上能滿足2t承載要去的塑料托盤比較少，因此立體倉庫一般會采用鋼托盤；而桶裝物料在發貨時一般托盤不隨車走，人工裝車時桶會在托盤上斜著滾動，對托盤造成傷害。但是對于桶裝物料尤其是新制的鐵桶來說，下表面非常光滑，即使托盤做花紋板防滑處理或常規噴塑，在輸送過程中仍會發生位移，嚴重情況會沖出托盤發生倒垛。

解決方案：采用增加變頻器的方案，對托盤做到緩啟緩停，避免在啟動或者停止的位置發生位移；同時采用增加桶底部與托盤之間摩擦力的方法，如改變托盤表面的處理方式等能有效減少位移的發生。

4.拆垛位的精準定位

問題：由于托盤在輸送過程中的移位問題，導致托盤在到達拆垛位時與入庫位時的姿態會有變化，因桶裝物料的原因，不可以做吸盤式夾具（容易吸掉桶蓋，或者導致桶蓋變形），只能定制機械夾具。當來料位移較大導致排抓中心不在夾具兼容范圍時，如果直接拆碼垛容易倒垛（如圖13）。

解決方案：第一種解決方案是在拆垛與碼垛中間增加二次定位裝置，減少累積誤差；第二種解決方案是在控制上解決，當視覺系統拍照反饋上位后經過比對發現與初始垛型偏差較大，超出夾具兼容范圍，此時夾具由排抓變成單爪雙抓或者三抓，減少中心線不在同一直線的影響，此方案現場實施效果明顯。

圖13 機械手分選

5.桶面反光

問題：桶裝物料分塑料桶和鐵桶，如果桶蓋有反光涂料會導致拍照效果不佳。如圖14為無遮光工況下鏡面桶的拍照云圖，可見效果不明顯，大部分桶的位置無法區分。如圖15為無遮光工況下漆面桶的拍照云圖，效果比無遮光狀態下的鏡面桶好，但是仍有部分桶邊界模糊。如圖16為有遮光工況下的鏡面桶拍照云圖，與圖14比較提升效果明顯，存在少數輪廓不清晰的情況。如圖17為有遮光工況下漆面桶拍照云圖，從拍照效果來看此云圖最清晰，推薦有遮光漆面方案。

解決方案：在產品調研時要將產品種類調研完整，如果需要遮光的，要采取遮光方案，或配置燈箱。燈箱建議采用可以無極調速的LED燈帶，方便現場根據實際使用情況調整。

圖14 鏡面桶視覺拍照示意圖（無遮光）

圖15 漆面桶視覺拍照示意圖（無遮光）

圖16 鏡面桶視覺拍照示意圖（有遮光）

圖17 漆面桶視覺拍照示意圖（有遮光）

五

結束語

本文以實際項目為例，對桶裝物料在立體倉庫建設過程中的倒垛、輸送錯位、桶把手方向不一致、桶面反光等問題進行了闡述，并提出解決方案，旨在為后續桶裝物料自動化立體倉庫建設提供參考。隨著我國智能制造的發展，立體倉庫逐漸成為倉儲行業的新趨勢，立體倉庫內集成的設備會越來越多，工藝也會變得越來越復雜，如何做好桶裝物料自動化立體倉庫這個細分市場，保證設備運行的穩定性，實現項目價值最大化，有待進一步探討。

———— 物流技術與應用 ————

編輯、排版：王茜

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