桶装物料自动化立体仓库的应用及发展探析

随着我国经济水平和科技水平的高速发展，人民的居住环境和出行方式都有了很大提高，对石化及家装行业提出更高要求，桶装的包装形式因其具有强度好、耐冲击、耐腐蚀、无毒无味、运输方便等特点，在石化及家装涂料行业运用比较广泛。

通过调研多家桶装物料的成品厂家发现，目前主要的储存方式有两种：一种是直接桶装物料的地堆存储，这种存储方式一般为防止倾倒，多采用大面积的存储方式，无法满足货物先进先出的原则，容易造成库存积压、发货不及时，且具有一定的消防风险；另一种是托盘地堆，这种存储方式一般堆垛2层或者3层，虽然能够用叉车作业提高效率，但是需要的叉车工也较多，造成人力浪费，托盘堆叠容易对产品造成伤害，且库存管理也比较困难。

以上两种存储方式对土地及仓库的空间利用率太低，造成了一定的浪费。为实现经济效益最大化，部分桶装物料成品仓也在探索自动化立体仓库存储方案。桶装物料的包装标准一般有2L、5L、10L、15L、17L、18L、19L、20L、25L、30L等，5L以下的包装桶可以采用纸箱打包方式，但对于可以独立码垛的包装桶，在进行立体仓库建设过程中遇到了一些问题。例如，桶装物料无法像纸箱或者袋装物料一样错层码垛，只能采用单一堆叠的方式，这种方式在输送或者搬运过程中容易倒垛；桶装物料为了方便人工搬运，一般会配备手提把手，把手的方向不一致会影响码垛和拆垛精度，如何保证码垛和拆垛时桶把手的来料方向一致；桶装物料在输送过程中容易与托盘发成错位，导致拆垛时的垛型与码垛时的垛型偏差较大，机械手无法定位；按单拣选之前需要通过视觉拍照为机械手提供拣选依据，桶装物料上表面比较光滑，拍照时容易出现反光问题等。上述问题都是制约桶装物料自动化立体仓库建设的共性问题。针对以上问题，本文以实际项目为例，探讨制约桶装物料自动化立体仓库发展的共性问题及解决方案。

本立体仓库项目主要存储产品为桶装涂料，包含乳胶漆和质感漆。该类桶装涂料具有5L、17L、18L、19L、20L等规格，桶高分为298mm、308mm、330mm、345mm、378mm等规格，桶低直径275mm，桶顶直径299mm。桶身主要材质为覆膜铁、彩印铁，单个桶产品由灌身、花篮底、花篮盖、支耳、铁丝、白管、泡沫胶条等组成（见图1）。该立体仓库项目的占地面积为4500㎡，高度为18.5m。如图2所示，立体仓库的货架系统由常规堆垛机库货架和穿梭板库货架组成，合计约8100个货位，每个货位承载2t。常规堆垛机货架由一个双深巷道和5个单深巷道组成，穿梭板库通过两台单伸堆垛机摆渡。立库采用两端出入库的方式，右侧输送系统与车间对接成品入库用，左侧输送系统分为两层，一层为发货层，与月台对接进行成品发货；二层为拣选层，根据订单进行发货前的拣选作业。

图1 包装桶参数

图2 立体仓库效果图

1.成品入库

立体仓库右侧为成品入库系统，有南北两个入库口与车间对接，分别对应质感车间和乳胶漆车间，质感车间包含5条生产线，对应3套机械手码垛工位，2个人工上下料口工位，乳胶漆车间包含6条生产线，对应3套机械手码垛工位，2个人工上下料口工位（如图3）。立库区域搭设钢平台，钢平台标高4.5m，库前输送系统安装在钢平台上，立库与车间中间通过连廊连接对接，连廊与库内钢平台等高（4.5m），连廊与立库内部通过防火卷帘门隔断，输送做翻转避让，防火卷帘门采用常开模式，连廊下方净空和宽度设计应满足消防通道要求，连廊与质感车间和乳胶漆车间通过提升机对接（如图4），设备与质感车间、乳胶漆车间通过防火卷帘门隔断，输送避让，防火卷帘门常开模式，连廊护栏设计高度大于最高垛型，可有效避免倒垛情况下油漆桶跌落连廊，且连廊表面可采用密封措施，密封措施能保证洒落的油漆不渗漏到物流通道。

图3 成品入库布局图

（①-质感车间，②-乳胶漆车间，③-入库端输送系统）

图4 连廊对接提升机

图5 车间空母托盘输送

（1）空母托盘供给流程

如图6，当堆垛机接到空托盘垛出库指令后，堆垛机将空托盘垛放到库前输送线上，空托盘垛在库前环线上逆时针输送到连廊对接口，进入连廊后通过路径1从提升机降落至与生产车间对接高度。系统设计有备用路线2，在连廊上可以换到从下一个提升机下降到车间对接高度，增加此路径方案上可以实现两台提升机“一备一用”的效果，避免极端情况影响生产。从连廊输送来的空托盘有两条路径，一条路径是通过路径3到人工上下料口（如图5），为人工提供空托盘垛，人工叉取后可以作为人工码垛母托盘使用，同时路径3的输送机支持正反转，入空托盘垛、入成品、出库分时段进行。另一条路径则流向拆盘机，此路径为主要路径，拆盘机前端设置合理空托盘垛缓存位，拆盘机拆出的单个母托盘流向车间的各机械手码垛工位，供机械手码垛用。

图6 空母托盘供给流程

（2）成品入库流程

如图7，以质感车间为例，分两条成品入库路径，即机械手码垛成品入库与人工组盘成品入库，机械手码垛后的托盘，在完成信息组盘之后通过车间输送系统输送到连廊提升机位置（如图8），经过外形检测合格后，常规路径为通过连廊路径1进入立体仓库库前输送系统，输送系统根据上位指令将成品送到指定的巷道口，堆垛机根据上位系统分配的库位进行指定存储完成成品入库流程。提升机仍然采用“一备一用”策略，如路径1的提升机故障时，可采用路径2的提升机完成成品入库。机械手码垛的成品在入连廊提升机之前有外形检测，检测合格正常执行入库指令，检测不合格通过路径3排出到异常处理口，由人工处理。路径4人工上料口的人工组盘成品，经外形检测合格后，入库路径同机械手码垛的入库流程，不合格则系统报警由人工处理。

图7 成品入库流程

图8 成品入库

2.成品分拣

立体仓库左侧二层的主要功能是根据订单分拣，系统组成主要有直线穿梭车、输送系统、机械手拆码垛系统、助力臂系统等组成（如图9）。成品分拣的流程如图10所示，包括空母托盘供给路线、成品供给路线、机械手拣选功能、人工拣选功能、异常处理口、快速发货口等。

图9 成品分拣效果图

（1）空母托盘供给路径

路径一：从库内出来的整垛母托盘通过直线RGV摆渡到路径3的拆盘机位置，机械手效率较高，拆盘机前端应设置缓存位，拆盘机拆出的单个母托盘可以向上、向下输送，供两台机械手码垛用。

路径二：从库内出来的整垛母托盘通过直线RGV摆渡到路径8所示拆盘机位置，拆出的母托盘再通过直线RGV供给到路径5对接口进行缓存。

（2）成品供给路径

路径一：从库内出来的待拣选成品托盘通过直线RGV摆渡到路径2对接口，供下方机械臂拆垛用，路径2上依次为缓存位、3D视觉拍照位置、拆垛位置、尾盘回流位置等。

路径二：从库内出来的待拣选成品托盘通过直线RGV摆渡到路径4对接口，路径4可以将成品托盘根据上位系统的调度需求分别向上或向下输送，向上输送给人工拆垛提供成品托盘，向下输送给机械手拆垛提供成品托盘，机械手拆盘的路径上同样包含缓存位、3D视觉拍照位置、拆垛位置、尾盘回流位置等。

（3）机械手拣选功能

两套机械手对来料的成品托盘根据订单进行拣选，拣选成品到目标母托盘上。机械手拣选分为正向拣选和反向拣选，成品托盘在到达拆垛位之前，3D视觉系统会将成品托盘的拍照信息上传到上位系统，即每次拣选机械手拣选的桶数量不会超过托盘上桶数量的1/2，即当订单中需要拣选的订单桶数量超过整托输送的1/2时，系统自动识别此订单采用反拣选功能，将目标托盘上订单数量多余的桶拣选掉，尾盘根据订单整托发货，此功能在实际使用中也大大提高了拣选效率。

（4）人工拣选功能

人工拣选站采用旋转助力臂并配置定制的可折叠夹具，该夹具不仅可以抓取油漆桶，还可以抓取空托盘，即人工先将空托盘从路径6口搬运到路径5口，然后人工操作助力臂进行拆垛，用助力臂进行拣选大大减轻了人工操作的劳动强度，还可以对一些非标的包装订单进行人工处理，增加了处理订单的灵活性。

（5）异常处理口

机械手码垛、人工拣选以及需要回库的目标托盘在入库前进行外形检测，如有异常情况可以由直线RGV摆渡到异常口7处理，避免特殊情况发生。

（6）快速发货口

二层拣选主要的作用是根据订单提前备料，拣选的尾盘和订单托盘通常入库缓存，等待系统指令后发货；若有加急订单，在拣选结束后可以通过直线RGV直接摆渡到1号提升机口，通过提升机下降到一层发货，实现拣选快速发货流程，使整体操作更具灵活性。

图10 成品分拣流程

3.成品发货

如图11，成品发货区主要由库前输送系统组成，库前输送系统由输送机组成一个顺时针大环线，发货工位前合理设置发货缓存工位，立体仓库调度系统与月台车辆管理系统配合使用，合理设置发货节拍，避免堵线。同时一层库前输送系统连接南北两侧的生产车间，生产车间设置人工上下料口，可以实现非立体仓库内部的物料发货，满足工厂多样性的发货需求。

图11 成品发货

根据前述桶装物料从成品车间到入库以及发货的流程可知，此过程中包含桶装物料的码垛、输送、拆垛、拣选等多个工艺，且这些工艺均为桶装物料立体仓库中典型的工艺流程，各工艺在实际操作过程中都遇到过一些困难，典型问题及解决方案阐述如下。

1.生产线来料信息跟踪

问题：以前的自动化生产线没有考虑到立体仓库的需求，灌装结束后均是人工处理，对每个桶信息流的管理要求不高，但是入立体仓库码垛时一定要保证来料信息与码垛信息的准确性，否则后续会导致库位信息紊乱，无法实现精准拆垛。

解决方案：在码垛之前增加称重与全景扫描一体工位，对单个来料桶的重量和条码信息进行扫描，并将桶的信息与来料顺序上报给上位系统，不合格桶在下一个工位剔除。

2.桶把手方向

问题：因为前端生产线对桶把手没有特殊的方向需求，导致流到码垛工位时桶把手的方向不确定，机械手在码垛时很容易出现因把手问题导致桶与桶之间间距不标准，进一步导致与抓取夹具干涉，或者码垛时因定位偏差问题倒垛的情况。

解决方案：在剔除工位之后增加一个转桶工位（如图12），将来料桶的把手转到同一个方向，避免码垛的时候因为把手问题导致夹具干涉或无法码垛的问题。

图12 转桶工位位置

3.托盘在输送过程中移位

问题：对于桶装液体物料单品一般比较重（通常为2t以上），市场上能满足2t承载要去的塑料托盘比较少，因此立体仓库一般会采用钢托盘；而桶装物料在发货时一般托盘不随车走，人工装车时桶会在托盘上斜着滚动，对托盘造成伤害。但是对于桶装物料尤其是新制的铁桶来说，下表面非常光滑，即使托盘做花纹板防滑处理或常规喷塑，在输送过程中仍会发生位移，严重情况会冲出托盘发生倒垛。

解决方案：采用增加变频器的方案，对托盘做到缓启缓停，避免在启动或者停止的位置发生位移；同时采用增加桶底部与托盘之间摩擦力的方法，如改变托盘表面的处理方式等能有效减少位移的发生。

4.拆垛位的精准定位

问题：由于托盘在输送过程中的移位问题，导致托盘在到达拆垛位时与入库位时的姿态会有变化，因桶装物料的原因，不可以做吸盘式夹具（容易吸掉桶盖，或者导致桶盖变形），只能定制机械夹具。当来料位移较大导致排抓中心不在夹具兼容范围时，如果直接拆码垛容易倒垛（如图13）。

解决方案：第一种解决方案是在拆垛与码垛中间增加二次定位装置，减少累积误差；第二种解决方案是在控制上解决，当视觉系统拍照反馈上位后经过比对发现与初始垛型偏差较大，超出夹具兼容范围，此时夹具由排抓变成单爪双抓或者三抓，减少中心线不在同一直线的影响，此方案现场实施效果明显。

图13 机械手分选

5.桶面反光

问题：桶装物料分塑料桶和铁桶，如果桶盖有反光涂料会导致拍照效果不佳。如图14为无遮光工况下镜面桶的拍照云图，可见效果不明显，大部分桶的位置无法区分。如图15为无遮光工况下漆面桶的拍照云图，效果比无遮光状态下的镜面桶好，但是仍有部分桶边界模糊。如图16为有遮光工况下的镜面桶拍照云图，与图14比较提升效果明显，存在少数轮廓不清晰的情况。如图17为有遮光工况下漆面桶拍照云图，从拍照效果来看此云图最清晰，推荐有遮光漆面方案。

解决方案：在产品调研时要将产品种类调研完整，如果需要遮光的，要采取遮光方案，或配置灯箱。灯箱建议采用可以无极调速的LED灯带，方便现场根据实际使用情况调整。