自动货柜中电子盘料自动存取的技术分析

自动货柜中电子盘料自动存取的技术分析

姓名：李杰

单位：列维自动化系统（上海）有限公司

摘要：电子盘料是SMT表面组装技术生产线过程中必不可少的生产资料，数量巨大、种类较多。传统生产模式是电子盘料存储在仓库中，生产需要时由工作人员到仓库中拿取送到生产线上。现代化高效生产要求电子盘料离生产线越近越好，这样可以缩短拿取过程，提高效率。自动货柜以其占地面积小、存储量大的优势，被越来越多的厂家选为电子盘料的线边仓。自动货柜可以把整个托盘自动送至存取口，但是每个托盘上可以存放成百上千的电子盘料，这样对存取与分拣就造成了一定的困难。我们通过机器人、视觉，外加软件管理系统相相结合，实现了直接存取所需要的电子盘料，并通过AGV直接送至所需生产线，实现了自动、精准、高效，整个环节的无人化运转。

关键词：电子盘料、SMT、线边仓、自动货柜、机器人、视觉、AGV

引言：随着SMT表面组装技术在电子制造领域的广泛应用，电子盘料作为重要的生产资料变得数量庞大且种类繁多。而为了提高生产效率，现代化工厂希望将电子盘料靠近生产线，以缩短取料时间。自动货柜作为解决方案因其占地面积小、存储量大而备受青睐。本论文研究了自动货柜与机器人、视觉技术、软件管理系统的结合，实现电子盘料的直接存取和分拣，并通过AGV送至生产线，实现无人化运转。这种自动化生产模式提高了生产效率和精度，降低了成本。本文将对该模式进行深入研究和分析，探讨其在电子制造领域的应用和发展前景，为行业提供有益的参考和借鉴。

一、电子盘料的存取问题

1.1电子盘料是SMT行业必不可少的生产资料，数量非常巨大，料盘的种类也比较多，目前市场上主流为两种料盘：7寸盘（直径180mm），13寸盘（直径330mm）。传统的存取方式是把电子盘料放在周转箱中，周转箱放在货架上，因为需要人工拿取，所以货架不能做的太高，一般不超过2米，保证人手可以够到。这样就导致了所需的面积较大，需要专门的仓库和人员去管理。

1.2一般的存取流程是：生产部门通过系统将生产所需的电子盘料订单发到仓库，仓库人员根据订单去一一拿取电子盘料，然后送至生产线，或者生产线来人拿取。这样会耗费大量的时间和人力。为了缩短存取时间、提高效率，把仓库搬到生产线上，线边仓就应运而生。自动货柜因为占地面积小（占地面积一般在3X3米），存储量大（一般7寸盘可以放3万个/台，13寸盘可以放3000个/台）成了线边仓首选之一。

1.3自动货柜是以托盘为单位的一种存取设备，根据接收到的命令，将指定的托盘自动送至存取口。一般设备占地面积10个平方左右（设备宽度大约3.5米，设备深度3米），高度可以根据现场实际高度定制。一般托盘的可以使用的净尺寸为：宽度为3000mm，深度为800mm。以7寸盘（直径180 mm、厚度1 0mm ）为例：每个托盘可以存放4行300列，共计1200个/托盘。因为电子盘料外型基本一样，存储的又比较紧密，在存取的过程中会出现以下几个问题：查找存取时间长；容易取错料；存取数量不准确；还需要人工操作。

二、问题造成的影响和解决问题方案

2.1问题造成的影响

SMT的生产线运行速度非常快，对效率和准确率要求非常高。查找存取时间长、存取数量不准确，会导致产线停线；如果提供错误的电子盘料，将导致产品的返工或报废，以及原材料的浪费。这几种情况都会给企业在经济上和声誉上带来重大损失；还需要人工操作，出了会导致以上问题之外，无法达到减员增效、无法实现全流程的自动化，处于半自动阶段。在实际应用过程中，为了避免这些问题，通过软件先确认大致位置，待人工取出后，再通过扫描枪进行扫描二次确认，这样虽然可以降低出错率，但又增加了检测的时间， 没能从根本上解决问题。

2.2解决问题的方案

针对自动货柜作为线边仓存储电子盘料的几个问题，我们提供了一个自动化系统的解决方案：用AGV背驼机器人（也叫复合机器人），AGV接受到存取电子盘料的命令，会自动向相应的自动货柜前进，同时自动货柜也接收到相同的命令，并开始把电子盘料所在的托盘的自动运行至存取口。复合机器人到了相应位置后，机器人会用安装在前臂抓取电子盘料夹具抓取电子盘料，然后放置在AGV上面的周转箱，并送至生产线。具体是研发基于视觉感知的物流智能AGV移动平台，包括多源传感数据数据融合的AGV自身导航跟踪、防碰撞检测和位置丢失自恢复，基于视觉二次定位和机械手视觉伺服控制的机器人拿捏货物系统。研发调度决策服务器进行AGV路径规划和AGV移动平台通讯决策。

三、针对于解决问题的方案

3.1开发工作：

3.1.1AGV部分：

具备自动导航、自动避障功能的AGV和具备路径规划功能的AGV控制台。工作原理：AGV负载机器人，将其运送至指定自动货柜开口处，机器人从自动货柜开口处存取物料，然后送至指定位置。（所述AGV小车包括AGV主体、行进系统、环境感知系统、控制调度系统；所述机器人为动作执行连接体，外加视觉系统。）

3.1.2设计和实现AGV路径规划算法，根据AGV的自身定位数据和目标位置，根据路径规划算法生成最优路径，将指令发送给AGV，控制AGV迅速精确的到达指定位置。

3.1.3AGV重复定位精度、二维码识别精度、机械手定位精度、AGV路径规划软件、调度决策功能、通讯功能、AGV功能。

3.1.4设计一种采用二维码地标的多AGV 系统方案，然后对多 AGV 系统的上位机功能进行分析， 最后构建满足需求的AGV 硬件平台。针对多AGV运行中路径复杂、AGV数据多等特点，设计了AGV路径规划算法。针对多AGV系统需求，设计了上位机系统，集成在仓储管理系统中。在多AGV路径规划方法研究中，综合考虑最短路径和碰撞次数最少两个目标的情况下，采用模糊控制生成目标函数，采用群智能算法规划最佳路径，提出完整的多AGV系统路径规划的解决方案。

(1)机械系统:车体耐碰撞性、抗干扰性和结构的稳定性可满足多AGV系统要求的承载能力，采用两轮差速驱动。

(2)运动系统：采用60W伺服电机作为AGV的驱动电机，采用24v锂电池作为电源

(3)车载控制系统：用于保证机械设备在运行过程中维持正常状态，并能够根据AGV位姿偏差信息控制其平稳快速行驶。

(4)WIFI通信系统：提供无线和有线的连网通信方式

(5)避障系统：避障传感器由红外对管和碰撞传感器组成。

(6)二维码识别系统：由摄像头、图像处理器和通信模块集成，安装在AGV底部

3.1.5AGV接收到任务后先到达二维码上方，二维码识别相机将识别到的二维码编码信息发送给上位机系统调度模块处理

3.1.6调度模块首先确定此时AGV的位置，查询出负责执行该任务AGV的ID编码，并通过此时地图管理系统的数据对AGV执行该任务的路径进行规划

3.1.7通信模块将规划路径信息发送至该AGV。AGV则按照规划好的路线行驶，在行驶过程中AGV再次识别到二维码后，将重新规划一次路径

3.1.8规划路径信息根据构建的电子地图模型信息转换成AGV可以识别的指令信息

上位机控制系统是整个AGV系统的大脑，主要功能模块:地图管理、调度、导航定位、AGV控制、AGV通讯

3.2、机械人部分：基于视觉二次定位和机械手视觉伺服控制的机器人拿捏货物系统

工作原理：AGV负载机器人将其运送至指定自动货柜开口处，机器人在自动货柜开口处识别电子盘料，并通过前臂夹具存取物料，放置AGV上的周转箱 然后送至指定位置。

设计取货机器人目标识别与定位系统框架，通过分析工业机器人运动学原理将视觉系统与工业机器人系统结合起来；通过标定双目相机的方式来获得所用相机的内外参数，目标定位打好基础。

对采集的图像进行分析，提取复杂背景中的候选目标。先通过对整体图像进行处理，获取具有目标特征的区域，对小块区域进行分析提取出目标。采用边缘特征检测的方法，获取工件位置区域，对区域进行分析，最终识别出工件。

图像立体匹配与物体定位。识别出的工件经过三维重建，就可以确定其位置与姿态，再结合双目立体视觉摄像机模型即可获取工件夹取点的位置坐标，最后控制机器人移动实现对工件的抓取。

包括五个模块：

图像采集模块、摄像机标定模块、目标匹配识别模块、目标定位模块、机器臂抓取模块

3.3、管理平台部分：具备AGV和机器人联动功能的自动货仓管理平台

工作原理：管理系统接收上位系统（SAP 、ERP、MESS或其他）发来的命令，同时下给AGV、自动货柜、机器人等，完成后并回传给上位系统。

仓储物料管理模块安装在PC端，完成物料存储位置配置，物料入库/出库操作，机器人控制模块和夹具控制模块。

机器人控制模块是把编制好用户任务程序放到机器人控制台内，实时接收上机位指令，AGV小车先移到指定货架位置，机器手臂再根据双目视觉系统进行位置微调，移动到工件位置进行抓取操作。

AGV控制模块是AGV控制系统，安装在AGV主机中，根据上位机发的指令驱动AGV移动。

软件管理平台具体包括以下内容：

•货架位置配置：用户可移动仓储里货架的位置，保存位置图，导出货架位置数据。

•货架物料配置：用户可配置货架中每次的物料存储信息。

•入库操作：把物料的位置信息发给机器人控制模块，驱动机器手臂运行，控制夹具操作，更新物料库存信息

•出库操作：把物料的位置信息发给机器人控制模块，驱动机器手臂运行，控制夹具操作，更新物料库存信息

•机器人控制：与内嵌于AGV和机器人的下位机程序通信，完成机器手臂的控制

•夹具控制：与I/O模块通信，完成夹具的控制

•用户管理：对用户进行增/删/改操作

•通信配置：对下位机通信参数进行配置

•操作查询：对用户的入/出库操作进行查询

•用户任务管理：内嵌于机器人控制台，根据上位机指令完成相应的操作和数据反馈

•下位机管理：内嵌于AGV控制台，根据上位机指令完成相应的操作和数据反馈

•智能机器人控制台采用C/S的网络通信模型。上位机为client端，下位机机器人为Server端。

•控制台通过物料存储位置发指令给AGV小车和机器手臂，AGV小车移动到货架位置，由机器手臂负责到物料存储点取/放物料，控制台与机器手臂通过机器语言通信。控制台制定用户任务，通过以太网通信完成各种应用指令的执行。

•机器手臂到达指令物料位置后，由控制台发指令给I/O模块，由I/O模块控制夹具，控制物料的夹/放，控制台与I/O模块之间通过Modbus TCP协议进行通信。

实现主机与AGV，机器人的通信，以实现存/取货物自动化操作。

•主机控制AGV小车的操作：通信方式采用socket套接字，基于TCP/IP，通信协议采用AGV私有控制协议。

•主机控制机器手臂的操作：通信方式采用socket套接字，基于TCP/IP。创建机器人语言执行的程序，传送至机器人控制台，在固定端口监听运行，根据上位机的指令做出信息反馈和指令执行。

•主机控制夹具工作：机器手臂到达货架指定位置时，主机控制夹具夹紧或松开，实现物料的夹取工作。夹具通过I/O模块控制，主机基于modbus TCP协议，发送指令控制I/O控制器动作。             

通信协议：

•上位机与AGV通信协议：基于TCP的私有协议

•上位机与机器人通信协议：基于TCP的私有协议

•上位机与夹具通信协议：MODBUS协议

结论：

通过在与众多现有的客户交流中，大部分感觉这个技术很实用，可以解决他们的痛点，减少使用空间、加大存储量、降低出错率、提高准确度、减员增效，并已经在部分客户中实施，取得了预期的效果。

参考文献

[1].张建中, 郭宇, 王志宏, "自动存取系统在电子盘料仓库中的应用研究," 机电工程技术, vol. 45, no. 7, pp. 129-132, 2016.

[2].李明, 刘庆华, "基于RFID的自动存取系统设计与实现," 电子技术应用, vol. 42, no. 5, pp. 58-61, 2016.

[3].高智勇, 杨磊, "自动货柜中电子盘料自动存取技术研究," 仓储与物流科技, vol. 14, no. 1, pp. 65-67, 2018.

[4].刘光荣, 王伟, "基于PLC的自动货柜电子盘料自动存取系统设计," 电子产品世界, vol. 36, no. 6, pp. 74-76, 2018.