摘要：智能化装卸系统涉及到机器人控制技术、多维感知融合技术、机器视觉技术等新兴技术。机器人控制技术使得装卸车系统具备自主行驶和准确控制的能力；多维感知融合技术提供了系统对周围环境多角度、全方位的感知能力；而机器视觉技术则能够准确识别成品件箱的位置和状态。本研究基于智能装卸车系统的发展现状，设计了一款适用于卷烟厂的成品件烟自动装卸车系统。该系统由件箱堆放机构、整理积放机构、移动底盘机构、控制系统等部分组成。自动装卸车系统的研发实现了成品件箱的自动装车，提高作业效率和准确性，为自动装卸车技术在烟草智能化行业的应用与推广奠定基础。
关键词：烟草智能装卸车；件烟自动装卸车；智能物流
作者：叶晨爽 袁鹏 石炬 王晓林 朱传峰
湖北中烟工业有限责任公司
前言
物料装卸是许多企业必不可少的作业环节，这一环节由于多种因素仍高度依赖人工，主要缺点有：自动化、信息化程度低；成本高，管理难度大；效率低，难以保持长时间高效作业；劳动强度大，年青人不愿从事[1]。而且伴随公司规模的发展，需要在有限的收发货空间里实现更多的装卸流量[2]。因此，迫切需要自动装车系统来代替人工作业，同时提高装车效率。
自动装卸车系统通过对环境信息进行感知、处理和控制，实现对各种货物从月台到运载工具之间快速、准确的装载与卸载作业[3]。在现代物流领域，产品的规模化生产使得物流运输变得越来越标准化，以袋装和箱装为主。据自动装车行业协会雷卫锋[4]介绍，国内已有超过40家企业相继推出智能装卸车机器人产品，其中最多的是散袋装车机器人。相对于袋式货物装车，国内外箱式货物装车产品较少，且效率较低[5]，但箱式自动装卸车系统的市场需求量却是最大[6]，目前箱式装车方式多为半自动或自动装车机器人[7]。学者们针对箱式货物装车设计开发自动装车系统[8,9,10]，并从不同角度对箱式货物智能装卸车机器人进行研究[11,12]。陆建萍[13]介绍卡车自动装卸系统，分析其市场需求情况。
这些研究多数停留在理论阶段，并未应用于实际。基于此，以实现件箱货物自动化装卸为目的，设计一种智能装车系统。通过自动化和智能化的装车过程，机器人可以快速、准确地完成订单货品的装载和配送，从而减少人工装车的错误和繁琐，降低物流成本，提升客户满意度。装车系统的应用将成为物流智能化发展的重要趋势之一。
烟草行业装卸货环节现状分析
近年来，随着机器人技术和智能控制技术的快速迭代进步，装车系统成为了现代物流仓库中非常重要的自动化设备，大大提高了物流仓库的装车效率和精度。这些机器人能够自动识别货物，快速抓取并搬运货物，然后将其放置到指定的装车区域。装车系统的应用，不仅减少了人工装车中可能出现的人为错误，而且解决了人力短缺的问题。机器人可以在任何时间、任何地点连续高效工作，大大提高物流仓库的运营效率和客户满意度。
在烟草行业，尤其是卷烟生产企业，所涉及到的标准烟叶包和成品件烟均属于规格相对统一的件箱物料。卷烟厂装卸这两类物料部分借助托盘、叉车，大多数采用人工装卸车或自动化机械辅助人工的半自动化装车作业。这种装卸货方式的缺点是需要占用一定的人工，且难以长时间维持装车作业的最高效率。货物装卸大部分是在货柜车厢内作业，操作空间狭窄，货物种类不同[14]。随着各卷烟厂生产管理的信息化、自动化程度提高，对具备智能化属性的装卸车机器人的需求逐渐迫切。智能装卸车机器人可以快速、准确地完成货物装载、搬运等工作，大大提高了物流效率，降低了物流成本。同时，装车系统还可以根据客户的需求进行定制化的功能开发，根据货物的不同形状、大小、重量进行智能化分类装车操作，避免人为错误，减轻人工劳动强度，甚至完全做到机器代替人。除此之外，还可以将货物基本参数进行智能排序和，以确保货物的安全和准确性。现有常见的智能装卸车系统如图1所示。
图1 智能装卸车系统
总之，装车系统的应用是物流仓库提高效率、降低成本、解决人力短缺和提高客户满意度的重要手段之一。随着技术的不断进步和应用场景的不断扩展，在丰富功能的加持下，使得装车系统在物流仓库中发挥着越来越重要的作用，成为未来物流行业的重要发展方向。
自动装车系统解决方案
国内绝大部分卷烟厂成品件烟的装车由人工作业和输送设备辅助完成[15]。现有常见的智能装卸车系统仅适用于通用型或散袋货物，无法适应卷烟厂月台、登车桥及输送设备环境，且针对不同烟箱品规和货车尺寸无法自动生成码放方案。为此，湖北中烟广水卷烟厂研制了一套自动化装车系统，能实现卷烟厂多品规成品件烟自动、快速、高效地装车作业，有效对接原有人工装车链板机、登车桥等输送设备，代替原有的人工装车模式，提高装卸效率，降低人工成本。这套系统中包括了移动底盘、抓取装置及机械臂、装车控制系统，能适应烟草中大多数货车的车厢。
1.设计原则
目前，多数成品件烟自动装车系统需与现有的月台、登车桥及输送设备相匹配，基于此，提出以下设计原则：
（1）系统应配备灵活可控、运行自如的工作底盘，该底盘需具备承载各类功能主机的能力，并能够灵活进入货厢内部。
（2）底盘需与后续的伸缩皮带机或其他伸缩输送部件协同工作，在控制系统的操控下，自动进入车厢内部，并根据所侦测到的车厢顶部位置自动调整姿态，确保装卸面始终与工作面保持平行。
（3）底盘及其上的抓取装置、机械臂和装车控制系统，应能实现自动逐面码垛以及自动后退的功能。
2. 工作流程设计
在现代化物流仓储与运输体系中，高效的货物装载作业对于提升整体运营效率至关重要。针对烟草行业烟箱装载的特定需求，设计了一套智能化、自动化的装车系统。该系统通过精确控制与协同作业，实现了烟箱在车厢内的快速、有序堆放。具体工作流程图如图2所示。
图2 装车工作流程图
（1）接到装货任务后，操作人员在控制端输入车辆的内宽，高度、进深、烟箱的品种（长宽高数据），并下达装货指令。
（2）接到工作指令后，装货小车即沿货厢方向前进，该小车由伺服减速机驱动，并在小车尾端装有激光测距装置，精确控制小车前进的距离。
（3）小车到达货厢最里端位置时，皮带伸缩机亦同时就位，和小车装货缓存辊道机对接，对接完毕后即开始输送烟箱。
（4）烟箱首先到小车装货纵向缓存道机，由一个移载装置不断将烟箱抛到小车装货横向缓存辊道机，在横向缓存辊道机一端对齐后，在后端由一个推送装置将该组烟箱推到前面上货辊道机。
（5）前面上货辊道机上的辊道在动力驱动下可以将烟箱往左或往右移动，推到端头。该辊道机亦装左右横移装置，可以向左或向右横移一定距离，以适应不同车宽的要求。
（6） 装货辊道机安装在一个前门框组件上，该门框组件上装有提升装置，可以将装货辊道机上的货物作上下移动，配合辊道机上自身的转动，即可将成组的烟箱送到当前需要放置的货位。
（7）本装置适应最小内高度为2200mm的车厢，最小内宽度2300mm的车厢，当需要对高度2900mm的车厢进行装货时，由1个门架组件将前门框组件整体举升，最高举升高度为700mm，这样即可对内高2900mm的货厢进行装货。
（8）当烟箱装满一面后，装货小车即行向后行驶，伸缩皮带机亦同步后退，两个设备始终保持在一个对接的状态，由于有缓存位的存在，烟箱的输送并不中止。
（9）由此循环往复，直至整个车厢被装满，装货小车最终退出车厢，任务完成并终止。
货物从不同方向装车示意图如图3，根据自动装车系统的概念构建模三维型如图4。
图3 货物装车示意图结构图
图4 自动装车系统概念模型
3. 硬件系统设计
成品件烟自动化装车系统的硬件系统主要由整理积放机构、件箱堆放机构、水平移位装置等部分组成，如图5所示。其中，整理积放机构实现将件烟由伸缩皮带机顺序输送至装车系统，并按3～4箱一组整理排列好，并能一次性将一组件烟推送至件箱堆放机构上；件箱堆放机构实现一次性将3～4箱件烟按从左至右，由低至高的顺序码放在货车厢内；水平移位装置实现烟箱在码放过程能够左右平移，码放到不同的水平位置；控制系统可根据设定的货车厢外形控制装车系统的各个机构配合联动，实现件烟自动化装车。
图5 装车系统方案
（1）整理积放机构
整理积放机构机构主要由电动输送滚筒和机架构构成，工作过程如图6。上游输送设备送来的成品件烟通过排序段滚筒完成第一次件箱的整形，然后通过后端的推送装置将整形完成的件烟一次推入到件箱对方机构上，整理段的滚筒输送每次推入的件箱的数量是可以通过积放段的滚筒输送机控制的，以满足不同尺寸烟箱和货箱的搭配。积放段由电动辊筒通过多楔带带动无动力辊筒组成，对应成品烟箱的外形尺寸，每只电动辊筒带动4～5只无动力辊筒形成一个积放工位，三个积放工位的总长度约为1800mm，所有辊筒的筒面都做包胶处理，增大摩擦力，防止输送的时候打滑。
图6 积放及排序段工作过程
排序段是为件烟装车做最后的整理和准备工作，排序段按装车机构的需求接收上游积放段输送过来的件烟，按顺序排好，件烟之间不留缝隙挤成一排，再由两只电动缸推到后方的装车机构上面。排序段由一台积放辊道机构成，共有5个工位，第一个工位是接料工位，用于接住积放段输送过来的件烟，另外四个工位用于件烟的排队整形。排序段如图 7所示。
图7 积放及排序段设计模型
（2）件箱堆放机构
件箱堆放机构由升降装置、水平移位装置、件烟推动装置组成，如图8所示。根据需要装车的件箱的基本质量，前端最大推送的烟箱数量为4件烟，单件烟箱按18kg计，烟箱总质量为72kg。
图8 堆放机构设计模型
升降装置采用链式提升机的方式，能满足高度大行程和停车的位置的精确要求。同时，升降的过程驱动方式采用链轮，导向的方式采用多级伸缩直线导轨，实现不同车高的升降范围。根据装卸车宽度、烟箱的装箱方向的宽度、最终装车的速度≥800件/小时的条件，设定最大一次装烟箱的数量定位4件；根据后端烟箱输送到固定高度（1200mm）的辊道机上以及烟箱继续向前运动的设计机构。后端固定高度的辊道机宽度必须能装5件烟。以烟箱的宽度343mm计算，得到宽度343mm×5件=1715mm，升降框架的最大处的宽度约2000mm。
（3）水平移位装置设计
水平移位装置由铝制框架和“L”形支撑构成，通过一套直线电机驱动，可实现放货滚道机的左右平移，以适应不同型号货车货箱宽度不一的装车需求。水平移位装置的设计模型如图9。自动装车系统整体的三维数模如图10。
图9 水平移位装置设计模型
图10 自动装车系统三维数模
4.软件系统设计
成品件烟自动化装车系统的软件系统包括3D视觉识别系统和上位控制软件系统，整个控制系统工作流程如图11。
图11 装车控制流程图
三维测量技术可分别基于视觉[16]和基于激光测距原理[17,18]的两类。烟厂成品件烟装车环境简单，能够达到视觉识别系统的要求，因此成品件烟装车系统中的三维测量功能由3D视觉识别系统来实现。3D视觉识别系统采用大视野3D相机实现对装车的成品件烟的三维点云精确采集，获取物料的尺寸和空间位置。3D视觉识别系统通过智能算法将采集到的点云信息清洗后，进一步取得烟箱的3D模型，计算出实际物料的三维位置姿态信息，再将相机坐标系的烟箱位置信息转换为装车系统的位置信息，最终引导执行机构完成取放烟箱作业，具体工作流程如图12。实际装卸车时的视觉识别如图13。
图12 机器视觉工作流程图
图13 装卸车时的机器视觉识别
上位控制软件系统主要用来实现对件烟烟箱的规格管理、车辆规格管理、装车规划以及装车过程的任务监控，如图14所示。
图14 装车规划和监控
图15 装车系统实际图
自动装车系统应用效果
1.实验设计
为了验证成品件烟自动装卸车系统的实际应用效果，进行了针对性的实验。现场装车使用实际图，如图16所示。
图16 现场装车实际图
实验材料：采用黄鹤楼天下名楼卷烟作为实验材料，该卷烟由湖北中烟工业有限责任公司广水卷烟厂提供。选择这款卷烟是因为它在市场上具有一定的代表性，并且其包装规格相对统一，便于实验的进行和数据的准确采集。
实验设备：使用件烟自动装卸车系统，该系统由昆明欧迈科技有限公司生产。此系统是本次实验的核心设备，它集成了多种先进技术，旨在实现件烟的自动化装卸，提高物流效率。
实验方法：设定上游设备输送件烟的速度为20件/分钟，这是模拟实际生产线上件烟的输送情况。人工装车的额定速度设定为600件/小时，这是根据以往人工装车的经验数据确定的。件烟自动装卸车系统以额定装车速度800件/小时运行，这是该系统设计的理论最大装车速度。在自动装卸车系统应用前后，连续5天统计装车500件件烟所需的工作时间。具体操作过程如下：每天安排专人记录人工装车和自动装卸车系统装车的开始时间和结束时间，精确到秒。同时，为了确保数据的准确性，对每次装车的件烟数量进行严格核对，避免出现数据误差。并根据公式（1）与公式（2）计算二者的装车速度及设备运行效率。
2.数据分析
由表1可见，应用自动装卸车系统后，件烟装车速度由564件/小时提升至770件/小时，增幅36.52%；自动装卸车系统的运行效率平均为96.26%。与传统人工装车方式相比，应用自动装卸车系统可以有效提高件烟装车速度，降低人工劳动强度。
表1 自动装卸车系统应用前后测试数据
结论
本文设计了一种成品件烟自动装卸车系统，通过伸缩皮带机将需要发货件烟输送至装车系统，利用整理积放机构按5件一组整理排列好，并一次性推入件箱堆放机构上，件箱堆放机构实现将件烟组按特定顺序码放于货车厢内，移动底盘使装车系统在车厢内前后移动。以广水卷烟厂“天下名楼”生产线为对象进行发货装车测试，结果表明：自动装卸车系统应用后运行效率较高，与人工装车相比，件烟装车速度增幅达到36.52%，有效提高了装车效率。该设备可满足多规格成品件烟的装卸作业，有效降低人工劳动强度。
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