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1、 书帖自动仓储运输设备的研究 龙俊，何邦贵，王超，李秋丽，张朝亮（1.昆明理工大学 机电工程学院，昆明 650000；2.云南新华印刷五厂有限责任公司，昆明 650100；3.云南印刷技术研究有限公司，昆明 650231）书刊是文化传承和获取知识的重要载体。随着自媒体和电子读物的不断发展，纸质图书的市场已经越来越少，然而中小学教科书仍以纸质图书为主，中小学教材的生产主要有制版、印刷、装订三大环节。随着科技的发展，虽然印刷工艺与技术不断地创新与进步，一部分的企业已经完成了生产设备与工艺流程的改造，但由于工艺流程之间的机械联系不连续、没有工艺控制等问题，导致生产还有大量的人力重复性劳动，生产效率低
2、1。文中对现有书刊生产中书帖的仓储方式进行分析，应用自动化技术改造传统企业的生产体系，构建书刊企业现代化发展的目标，为国内书刊企业的生产自动化改造提供参考。1 书刊生产中的书帖仓储现状和存在的问题1.1 工艺流程书刊成品都要经过印前制版、印刷和印后加工三大工序。云南国方印刷有限公司的书刊生产工艺流程如图1 所示2。图1 书刊生产工艺流程Fig.1 Production process of books and periodicals图2 书帖储存区Fig.2 Book storage area1.2 现有书帖的仓储方式及存在的问题1.2.1 现有的仓储方式目前使用的仓储方式是木制的托盘，以托盘
3、为中介物用于书帖的储存，人工使用叉车将其运到空闲处放置并贴上标签以便识别。具体使用过程为：印帖经过折页机折页的书帖自动累积成100 帖一摞的书帖后，工人便会将这一摞书帖以纵横交错的方式堆码在托盘上，待书帖堆码到1.5 m 左右工人便在书帖上放置一张产品标识单以便识别书帖类别、名称；然后由工人将托盘运至空地进行储存。当需要配帖时，工人去储存区寻找所需配帖的书帖，然后将其运输到配帖机前。1.2.2 存在的问题通过对国方印刷厂进行调研发现，以现有的书帖仓储方式进行储存会出现人工搬运、占地面积使用率不高、储存区拥挤、空间利用率低、不方便自动化及信息化管理生产等问题。人工搬运：运输工人将堆码好的书帖用叉
4、车运转至可存放半成品的空地（半成品区域）上储存，待装订时又将书帖搬运至配页机旁进行配帖。存储区拥挤：堆码好的书帖由工人用叉车运输到书帖储存区（空闲区域）摆放，没有规律没有顺序的摆放，书帖也没有固定的储存区域，完全靠工人的眼力看到哪里有空位就放在哪里。自动化和信息化程度低：靠产品标识单来识和寻找书帖，这种方式不但耗时耗力且效果不佳。在配帖时需要花费大量的时间寻找所需的书帖，如果产品标识单丢失就需要工人去一个一个查看书帖内容来判断是否为所需书帖，需要花费更多的时间去寻找。2 国内外研究现状近年来，随着自动化、智能化的发展，促进了我国印刷企业向自动化生产转变的过渡。一部分企业虽然完成了生产设备与工艺
5、流程的改造3-4。但由于工艺流程之间的机械联系不连续、没有工艺控制等问题，导致生产还有大量的人力重复性劳动、生产效率低5。我国的大部分书刊印刷企业的生产设备、工艺流程与其他国家的先进企业的相比还是较落后6-8。阅读书帖仓储相关的文献发现，只有杨琛等9-10设计了一套关于书帖仓储的方案。该方案利用闲置的空间，以集收帖、仓储和运输为一体的连接方案，并且使得现有印刷加工环节与印后装订环节有效地串联起来。但综合考虑国方印刷厂现有的场地设施、经济情况发现，杨琛的方案并不适用于国方这样的中小型印刷厂。因此，设计一套适用于中小型企业的自动仓储设备是现代书刊印刷企业所迫切需要的。3 自动仓储设备的研究3.1
6、方案研究1）方案1：滚筒导向轮式1。此方案由滚筒传输带、检测器、导向轮、配页机组成，如图3 所示。导向轮：可以改变物体运动方向的轮子（图3 中的导向轮设置为可以竖直转动和水平转动）。工作原理：书帖按量放在托板上从滚筒进入，经过检测器识别，控制系统找出空位并规划路线，通过导向轮运输到指定位置存放；需要配页时，在控制系统中输入所需书帖的信息，控制系统反应并规划路线，通过导向轮将书帖运输到指定配页机前的滚筒传输带上。图3 滚筒导向轮式1 示意图Fig.3 Schematic diagram of roller guide wheel type 12）方案2：滚筒导向轮式2。此方案由滚筒传输带、检测器
7、、导向轮、配页机等组成，如图4 所示。导向轮：可以改变物体运动方向的轮子（图4 中的导向轮设置为可以竖直转动和水平转动）。工作原理：书帖从折页机出来按量放在托板上，从滚筒传输带进入，经过检测器的识别，控制系统找出空闲位置并规划路线，通过导向轮运输到指定位置存放；当需要配页时，在控制系统中输入所需书帖的信息，控制系统反应并规划路线，通过导向轮将书帖运输到指定配页机前的滚筒上。图4 滚筒导向轮式2 示意图Fig.4 Schematic diagram of roller guide wheel type 23）方案3：自动托盘。基于云南国方印刷厂现有的仓储设备，以创新设计理论和自动化的思想结合自动
8、导引车，设计出一款可以自动运输的设备。方案对现有的托盘进行改造，在托盘底部加上AGV 的舵轮，再加上导航系统和自动规划路径，让这个自动托盘拥有自动运输、精准运输、自动规划路径的能力。该方案的构成包括：托盘机构、储存单元、导航及路径规划系统。经过对比3 个方案的优缺点、成本、效率以及考虑现有的场地问题，最终选用方案3 作为设计方案。3.2 托盘机构设计为了使托盘能够快速转弯、精准运输，舵轮的数目设置为4 个。总装配体由4 个舵轮、托板、安装板组成，如图5 所示。其中舵轮组合体包括主动电机、编码器、转向盘、支撑板、连接柱、大齿轮、轴承座、小齿轮、传感器、转向电机、轴承座、轮子等，各个部件准确地相互
9、配合，按照一定顺序最终装配成一个完整的舵轮组合体，如图6 所示。图5 自动托盘整体结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the overall structure of the automatic pallet图6 国方3 楼车间分布示意图Fig.6 Schematic diagram of the distribution of workshops on the 3rd floor of the Chinese side3.3 书帖的储存单元为了解决书帖存储拥挤问题，将国方印刷厂的空闲地带划分几个书帖储存点，用于书帖的储存。所划分的书帖储存位置如图7 中书帖储存点所
10、示。图7 书帖储存点2 的栅格图Fig.7 Grid diagram of book post storage point 2为了存取方便，储存位设置为行网格结构或者列网格结构。行网格结构包括行存储格单元、行走通道。一个行存储格单元表示一行依次布置的多个连续存储格，最多2 个行存储格单元连续布置，分离的行存储格单元之间为行走通道，如图6 中书帖储存点所示；列网格结构同理。基于该网格方式，在提高存储格数量的同时，可以高效解决已存放书帖运输装置的移动问题。工作过程：使用多个自动托盘，对每个自动托盘进行编号，不同编号的自动托盘用于放置对应页码的书帖；其中，自动托盘的编号及对应的页码信息存储在调度中心
11、。自动托盘的工作过程可以分为2 个部分。1）收帖+自动托盘。印帖在经过折页机后，会自动累积成100 帖一摞的书帖，然后由操作工人以层层叠加、紧密排列的方式堆码成一个长方体在自动托盘上；由自动托盘运输到书帖储存点进行储存，同时将自动托盘的编号及对应的页码信息通过通信模块发送调度中心存储。2）自动托盘+加帖。当需要配帖时，人工在调度中心输入所需要配帖的页码，调度中心驱动储存点中存储该页码的自动托盘，自动托盘就自动导航到配页机前配页时书帖储存区对应工位的位置（配页时书帖储存区依据页码顺序从左往右排列，以适配现场配帖作业），等待工人配帖，同时将自动托盘的编号及对应的页码信息通过通信模块发送至调度中心存
12、储。3.4 导航方式及路径规划1）方案1：AGV 系统导航。在自动托盘上安装AGV 的导航系统11，从而实现自动托盘的精准运输功能。路径规划是在给定环境中寻找起点和目标点之间最短可行路径的过程。首先需要将AGV 运行的仓储环境抽象成电子地图在计算机中进行表达，然后在此基础上利用路径规划算法搜索路径。运行时需要给定起点和终点，GAV 根据起点和终点的位置进行路径规划，选出最优路径后按照路径运输到储存区进行储存。2）方案2：自动路径+室内WiFi 定位。可以将书帖储存点看成一个停车场，书帖储存点中的小格子就是停车位，每个自动托盘看成一辆车；在每个自动托盘上安装一个导航系统，通过WiFi 定位12可
13、以找到空闲的格子，自动托盘就可以通过导航过去进行储存。3）方案3：计算机辅助+自动导航+路径规划。在自动托盘上安装一个导航系统，在车间设置一台计算机作为辅助工具。自动托盘工作时，首先由计算机找到最近的储存位；然后规划路径并选择最优的路径，将信号传给自动托盘的导航系统；最后自动托盘就导航至储位进行储存。3.5 路径仿真分析利用Matlab 软件模拟云南国方印刷厂内的储存环境建立一个环境模型。在此环境下，进行路径的仿真实验，从而验证本文方案的有效性。3.5.1 地图建模基于栅格法，以书帖储存点2 为例建立栅格地图如图7 所示。其中栅格地图包括：折页机、储存位、配帖机等硬件设备的简化示意模型，整个地
14、图由1311 的栅格组成。图7 中空白栅格表示可移动通道，第4、5、7、8、10 行代表储存位置，第10 列1、2行的黑色栅格表示折页机，第12 行代表准备配帖时书帖的位置，第13 行表示配帖机。3.5.2 路径仿真基于建立的栅格地图，用A*算法13-14对路径进行规划15-16。其中小圆圈表示初始节点，方块分别表示目标节点，连接两点间的路线为规划的路径。由于书帖从折页机运到储存位的初始位置是不变的，所以设置初始点的位置。目标位置的是由调度中心根据储存位空缺决定的。路径规划结果如图8 所示。图8 书帖储存时的路径规划Fig.8 Path diagram for post storage3.5.
15、3 配帖时的路径规划从仓储位到配页机的路径规划与书帖储存时的路径规划所用的栅格地图是一致的，除了起始位置和目标位置发生变化，其他的设置都不变。当需要配帖时，调度中心输入所需要配帖的页码，调度中心驱动存储该页码的自动托盘，自动托盘就自动导航到配页时的相应位置。仿真结果如图9 所示。图9 配帖时的路径规划Fig.9 Path diagram for posting针对书帖储存时和书帖配帖时的2 个运输过程分别做了4 次仿真。从仿真结果可以看出，自动托盘可以精准地到达指定位置，并且它的运输轨迹路程为最短。4 结语本文首先分析了书刊的生产工艺流程和现有的书帖仓储方式；然后指出其存在的主要问题，提出创新方案；最后对方案的机构进行设计，对储存单位进行划分，对导航及路径规划系统进行阐述，并对储存书帖时与配帖时的路径进行仿真。结果表明了本文的方案设计合理。同时该方案的设计实现了两大环节的自动化连接，减少人工操作，减轻工人的体力劳动，提高了书刊印后加工的自动化水平，进而提高企业的生产效益，具有一定的实际应用价值和经济效益。书帖自动运输设备的设计为印后加工环节的机械化、数字化和自动化的连线生产奠定了基础。 -全文完-
