122cc太阳集成科技创新项目

项目名称：基于机械臂的仓库拣选系统方案设计

项目类别： 企业真题

指导老师： 王猛 许晓龙

团队成员： 陶李黎 卢思雨 袁佳漪

1. 项目概述

1.1项目基本信息

1. 项目地点：华中-武汉黄陂-自建园区

2. 所属行业：小家电

3. 仓库基本信息：①仓库合计面积：96720平方；②仓库使用部分：84840平方（5个库房）；③分拨中心：11880平方

4. 机械臂位置信息：1库3分区：2台机械臂；3库3分区：2台机械臂（含观看台）

1.2项目背景介绍

本次项目在武汉黄陂自建园区的小家电仓，搬运的主要是中件品，商品较重且体积较大，人工搬运困难，劳动强度大，称重困难；堆垛方式采用的是空心垛，存储利用率低，小家电都是原箱出库，60%以上是秒杀订单，人工效率普遍偏低，并且存在错发风险，人在长时间从事单一工作时，容易出现疏忽，导致发货错误或者拣选出错。

现有模式如下：

1.3核心设备介绍

工业机器人简介：

1、工业机器人（机械臂）在汽车生产制造行业的应用超过40年，国内仓储流通物流暂无应用；

2、机械臂主要应用行业在：汽车工厂，生产制造环节；

3、机械臂适用商品重量3-1500kg（不同机型）；

4、机械臂作业半径：350-3700mm（不同机型）；

1.4传统模式的作业流程

传统模式的作业流程图如下：

1.5项目开展的目的及意义

对仓库进行进一步的智能化设计，提高仓内运输分拣的效率，降低人工劳动强度，用智能化机械设备实现“货到人”拣选，降低拣选错误率，使整个仓库可以高效运转，在双十一购物节等需要高效分拣运输时也可以高效完成任务，不会因为货物重、搬运难度大而导致搬运效率低，让机械设备从事货物的贴单、拆垛、搬运和分拣等重复性动作，提高工作正确率和效率，让人们可以从事决策等高度智能化的行为，实现机械设备和人自身的价值。

2. 仓库内部设计

2.1仓库布局现状

华中——武汉黄陂——自建园区仓库总面积为84,840平方，分为5个库房。这次我们主要对1号仓库进行改造，1号仓库布局如下图所示。1号仓库包括货物堆垛区、货物储存区和货物拣选区。

2. 货态尺寸

在进行货架设计的前提是装箱形式的确定。它不仅影响仓库的投资，而且对于仓库物流系统设备、设施的配置以及有关因素都有极为重要的影响。因此确定货物装箱的尺寸形状和重量，必须先对入库前的货物经行测量和数据分析,然后决定货架的设计。这里为了节约成本最好采用原装的货箱，避免拆散后再包装，产生增加工作量和工作时间的后果。但是对于特殊情况，可对少数的货物进行特别的装箱。由于北领黄陂仓是小家电仓，我们搜集整理得到以下货态尺寸，如表2.2-1所示。

表2.2-1 部分常见小家电的或态尺寸

2.3货格及货架尺寸

2.3.1货格尺寸

货格是货架内存储货物的单位空间，货位是货格内存放一个单元货物的位置。每个货格内可有一个货位或多个货位。

货物单元尺寸确定好以后，就可确定货格尺寸。在立库设计中，货格尺寸是一项极其重要的内容，因为它直接关系到仓库面积和空间利用率，也关系到仓库能否顺利地存取货物。对于给定尺寸的货物单元，货格尺寸主要取决于货物单元四周需留的间隙的大小和货架构件的有关尺寸。四周间隙留得太大或太小，都不合理。若间隙太大的话，会造成空间浪费，使得空间利用率下降，进而影响仓库的库容量。若间隙太小的话，未留出足够的空隙容纳由于货架的制造安装误差、堆

机运行轨道误差、堆

机的制造误差及重复定位误差、货箱在巷道口的位置误差、认址片的误差等等所引起的尺寸偏移，而影响堆堤机的存取作业的顺利完成。在立体仓库设计中，恰当地确定货格尺寸是一项很重要的设计内容，它直接关系到仓库面积和空间的利用率，也关系到作业设备能否顺利完成存取作业。

在立体仓库设计中，恰当地确定货格尺寸是-项很重要的设计内容，它直接关系到仓库面积和空间的利用率，也关系到作业设备能否顺利完成存取作业。下面就横梁式货架与牛腿式货架为例介绍单元货格尺寸的确定。

横梁式货架的每个货格一般可存放一个或二个货物，其货格载货示意图见图2-1所示。对于牛腿式货架，每个货格只能放一个单元货物，其货格载货示意图见图2 -2所示。各间隙的名称和符号见表2- 1所示。

当单元货物的尺寸确定后，货格尺寸的大小主要取决于各个间隙尺寸的大小。下面介绍各间隙尺寸的选取原则。

1、侧面间隙

侧向间隙a3与a5的确定，主要应该考虑以下各项误差:

(1)来自堆垛机的误差有:堆垛机的停车误差和重复定位误差、堆垛机立柱的垂直度误差、堆垛机运行地轨的不平度误差(这两项误差均造成堆垛机立柱顶部产生横向偏移，位于货架顶层的货物相对于底层的货物，其横向偏移量最大)。

(2)来自货架的误差有:货架立柱的垂直度误差(使柱顶产生横向偏移)、货架在偏载作用下的变形误差。

(3)来自货箱的误差有:货箱的尺寸误差(按规定，货物单元的外形尺寸偏差不得大于5rmm)、货箱最初停在巷道口时的位置偏差。除以上各项误差外，还要留一定的安全裕度。

侧向间隙a3的取值--般在50~100mm范围内选用。对于高度在5m以下的低层.货架、低速堆垛机的仓库，a3不大 于50mm;对于高度在5~12m之间的中高层货架、中高速型的堆垛机的仓库，a3不大于75mm;对于高度在12m以上的高层货架、高速型的堆垛机的仓库，a3不大于100mm。 对于横梁式货架，一般as>a3;对牛腿式货架，要求a4≥a3°

2、垂直间隙(h2、h4）

影响h2和h4大小的各种误差包括:

堆垛机起升机构的停准误差;在确定h2时，首先，要考虑货叉的微升降行程，第二，要考虑以下几项误差累积:货叉升降时的定位误差、货物高度误差、认址误差、货架托梁(或横梁)的高度误差等。第三，要考虑货叉在伸出以后的下垂.量，该值由货叉各节之间的间隙和货台的倾斜量组成，还要考虑在货箱压力作用下，货叉的弹性下挠。最后，要加上一个安全裕度。

货格高度的确定,主要取决于单元货物上部垂直间隙场和下部垂直间隙场的尺寸。在确定垂直间隙时，上部垂直间隙h2应保证货叉叉取货物过程中微起升时不与_上部构件发生干涉。- -般h2≥(货叉上浮动行程+各种误差)。下部垂直间隙h4应保证堆垛机货叉自由进出货架货位存取货物，一般h4≥(货叉厚度+货叉下浮动行程+各种误差)。

3、宽度方向间隙(b3、 b4)

前面间隙b3的选择应根据实际情况确定，对牛腿式货架，应使其尽量小; 对横梁式货架，则应使货物不致因各种误差而掉下横梁。后面间隙b4 的大小应以货叉作业时不与后面拉杆发生干涉为前提。

根据图2-1和图2-2所示，单元货格尺寸长度、宽度与高度分别由ao, bo, h3表示。

2.3.2货架尺寸

由图所示：寸:毫米，n列、m层货架的主要尺寸

1、宽度B=2e + b2+b1+b3， 其中e为支柱宽度。

2、货架横向长度为:列数nx货格长度A,其中货格长度A=al+a2+a3+2e。

3、货架顶层的高度HI,取决于堆垛机是否为载人搭乘型。非搭乘型的HI为1.2米，搭乘型的HI为2.2米;货架第一层距离地面的高度H2一般为0.5米、由堆垛机和轨道的高度决定。本课题取HI为200mm，H2为500mm。

4、货架的总高度H为:当层数为偶数时;H=HI+H2+O.5mh3+( 0. 5m-1)h5，其中h3为无水平拉杆的货格高度,b5为有水平拉杆的货格高度，m为货架的层数。当层数为奇数时: H== Hl+H2+0.5m(h3+h5)

货架总共4层、3列，采用尺寸450x400x450;托盘尺寸450x300mm;每一货格左右留50mm间隙。采用数据如下：

F: е= 50mm. al=300mm. a2=a3=7 5mm. Hl=200mm. H2= 500mm h1 =300mm.

h2=50

h4=100. bI=300 s

b2=100 s

b3= 50

综上货架参数如下:

总高H= Hl+H2+ 4x(hl+h2+h4)+ 4xe=200+ 500+ 4x450+4x50=2700mm

Ề5B=2xe+bI+b2+b3=100+400= 500mm

KL=(al+a2 + a3)x3 + 4xe=450x3+4x50=1550mm

2.4存在的问题

自1980年我国第一座自行研制的自动化立体仓库投入使用以来，自动化立体仓库在我国得到了迅速的发展，随着现代物流的快速发展,物流自动化和信息化程度不断提高，以及现代信息技术、物联网等技术的不断进步，自动化立体库实现了井喷式的发展，成为现代物流系统的重要组成部分。自动化仓库内使用的货架通常为横梁式货架或牛腿式货架，一般为全组装式结构，少部分为焊接式结构，也有少部分为库架合一式结构。此类货架系统所使用的载体般为托盘或货箱，托盘通常为钢托盘和塑料托盘等，托盘的承载能力要强，刚性要好;如果托盘承载较小或货格较小，或货物本身具有很好的强度和刚性，则可取消横梁，直接用托盘、塑料箱或货物等直接置于牛腿支撑之上。立体仓库货架的制造精度和安装精度要求均比较高，远远高于一般场合用货架，货架主要构件一定要在高精度连冲连轧生产线上制造而成，对设备、制造工艺要求较高,故不是一般的货架制造厂的能力所能到达的，仓库整体系统的协调、兼容性，自动化立体仓库的上、下游，以及各子系统各部分的和谐很重要，对于仓库的信息化，具有低的程度,这样不高的物流管理水平，客户无得不到优质、灵活的物流服务，而无法统-信息流和物流，造成错误成本，提高总体仓储成本。仓库使用了高科技产品，各种齐全的设施，但子系统的协调、兼容性不好，降低了整体运营的能力。自动化仓库在作业使用过程中如何对于设备取长补短也是比较关键的问题。对于每个企业单位或者组织，都会可能面对一样的问题，即组织单位的每一一个单位或者组织，都有一个好的或是坏的，而最差劲的那一部分，常常衡量整个组织单位的整体水平。对于设备能力的衡量，熟悉各设备的工作原理的程度不到位，无法做到取长补短。各种设备维护与安全问题保管要求高，任何设备、任何机器都需要维护和保养。自动化立体仓库也不例外，由于自动化程度高，工程量大，建筑难度高，设计要求高等等，直接影响了在使用过程中维护和保养的成本增加。对于设备的维护，往往体现了机器设备的成本，现在大多数自动化立体仓库设计建造厂商，由于缺乏相关的经验和责任意识，多数企业都不能得到定时、有效的维护和保养。导致设备作业效率低下，寿命减少。由于企业缺少对于设计的考虑和认识，往往忽略了自动化立体仓库整体运转，自动化立体仓库输送机系统，在作业时缓冲了大量的托盘，稍有不慎后果不堪设想，另外，立体货架的牢固性是非常重要的;一旦不牢固， 容易掉落砸伤人员,其次要注意仓库的通风:不注意通风，往往内部浓度过高，造成爆炸事故，还有就不同物质的物理、化学、毒理性分类存放，一且混合存放容易被污染，使人员中毒危及生命，所以要时刻保持安全意识。对于安全防护，特别是火灾的防范难以到位。一旦发生，也不可挽回。自动化立体仓库输送机系统，在作业时缓冲了大量的托盘，稍有不慎后果不堪设想，所以要时刻保持安全意识。

3. 优化方案设计

3.1机械设备的选用

3.1.1智慧装卸搬运设备的选用

1. 自动堆垛机

1. 金硕站架式自动堆垛机

适用范围：适用九脚/川字等单面托盘，有支撑腿，不适用于双面托盘，最小通道宽度为2445mm，转弯半径1535mm，适用于狭小空间。

尺寸详情：

具体参数：

2. 优程自动堆垛机

适用范围：

3. 京东智能叉车

实现价值：提高效率，降低劳动强度，柔性可扩展。

2. 自动导引车

1. 京东室内AGV

京东室内机器人通用平台是可拓展的通用性服务机器人开发平台，配备自主定位、避障、导航系统，可满足室内不同场景应用开发需求。

系统功能：

京东飞马AGV

搬运机械臂

搬运码垛机器人伯朗特100KG搬运码垛六轴工业机器人机械手臂。

产品参数：

产品特点：

主要技术参数：

3.1.2自动分拣输送装备的选用

1. 皮带输送机

2. 推块式分拣设备

目前物流系统中较常用的设备之一就是推块式分拣机，处理物件规格范围大（最长可达1200mm）、分拣效率高是该设备的特点，一般为5000~10000件/小时，适合被分拣物件规格尺寸变化较大、包装相对规范的物件。该设备一般为直线型布置，分拣格口可单侧或双侧设置。路辉自动分拣设备：

3.2仓库作业管理

3.2.1出库管理

出库管理

1. 出库前准备

准备好装卸搬运设备并转到备货区备运，如叉车、AGV小车等。将要出库的货物借助装卸搬运设备机械臂预先搬运到备货区，以便能及时装运。

（2）出库单据流转

回发数量、规格型号、储存货位、存货数量等，将所有单证储存到订单处理子系统。出库凭证包括收货单位名称、发货方式（自提、送货上门）、货物的名称、规格、数量、单价、总价、调拨单编号、有关部门和人员签章、付款方式及银行帐号、提货单。

（3）出库作业的原则和要求

①三不：未接出货通知单不登账，未经仓库管理员审核

备货，未经仓库主管复核不出库。

②三核：在发货时，要核实出货通知单、核对账卡、核对实物。

③五检查：对单据和实物要进行品名检查、规格检查、包装检查、件数检查、重量检查。
（4）出库作业流程如图3.2-1所示。

图3.2-1 出库作业流程

3.2.2补货流程

1. 仓管员填写手工补货单，由仓库主管签字后，传至业务部补货组。

2. 补货组结合电脑缺货、仓库手工补货单，根据采购原则生成2.5.2补货流程一式两联的电脑补货单，经业务员和采购经理签字后生效。

3. 补货组通传单给供应商并跟踪确认送货情况。

4. 补货组传电脑订货单一联给仓库验收部，补货组自留一联。

5. 仓库申请的补货在五天内未到货的，补货组需向仓库说明情况。

3.2.3货位管理

仓库的作业区(入库区和出库区)与货架区的衔接是物流系统的设计问题。通过量性分析我们采用叉车和堆垛机的出入库台方式，采用这种方式时，叉车从捡货区装好货物后，按照既定的线路，将货物运到巷道内指点的地点，然后由捡货人员进行操作堆垛机进行堆垛。在货架下层先堆垛出库频繁的货物品种，较高的货格在堆垛机的辅助下用来堆垛半永久或长期储存的品种。对自动化立体仓库的货位进行管理，是要合理地分配和使用货位。即考虑如何提高货位的利用率，又要保证出库效率。货位分配包含有两层意义，一是为出/入库的货物分配最佳货位(因为可能同时存在多个空闲的货位)即入库货位分配;二是要选择待出库物品的货位(因为同种物品可能同时存放在多个货位里)。货位分配考虑的原则是很多的。专门用于仓储的立体仓库，其货位分配原则是:

1. 货架受力情况良好。上轻下重一重的物品存在下面的货位，较轻的物品存放在高处的货位。使货架受力稳定。分散存放，物料分散存放在仓库的不同位置。避免因集中存放造成货格受力不均匀。

2. 加快周转，先入先出一同种物料出库时，先入库者，先提取出库。以加快货物周转。避免因物料长期积压产生变形、变质及其他损坏造成的损失。

3. 提高可靠性，分巷道存放一仓库有多个巷道时，同种物品分散在不同的巷道进行存放。以防止因某巷道堵塞影响某种物料的出库，造成生产中断。

3.3优化后的作业流程

项目流程如上图所示，我们优化之后的方案流程如下:

在1-4仓库都增加一台机械臂帮助拣选，在仓库内使用电子订单处理系统，使用RFID技术对各个货位的货物进行统计归类等处理。以1号库为例，仓库订单系统接收到订单为1号仓，发送信号给AGV，AGV自动导引规划路线并选用最优路线取货，将货物放在机械臂处进行拆垛，再运送到自动分拣设备进行分拣称重，随后AGV运送货物至传送带将货物输送到5号库，5号库的AGV小车运送货物至出库地点。

在各个仓库使用自动堆垛机上料，使用皮带传送机传送货物至自动拆垛站使用机械臂进行拆垛，将拆垛后的货物进行质检称重分拣到分拨中心的不同道口，途中使用传送带和AGV进行运送。

3.4优化后的作业效率

方案优化之后双十二的效率可以达到表3.3-1的水平：

表3.3-1

由上表格可知，在订单饱和的情况下，机械臂整体操作效率有了很高的提升，这很大程度上提高了效率，使在双十二期间的订单能够按时的高效率完成。

4. 成本预算

4.1设备成本预算

在

对原仓库进行改造，设备及建设成本约为180-200万。

图4.1-2总成本预算

总成本预算:

（一）直接成本
　　　（二）工资及福利费用
　　　（三）折旧及摊销
　　　（四）工资及福利费用
　　　（五）修理费
　　　（六）财务费用
　　　（七）其他费用
　　　（八）财务费用
　　　（九）总成本费用

5.设备方案评估

对设备方案的评估分两部分进行，即经济评估和定性评估

1）经济评估

设备方案经济评估的第一个步骤是确定和评估在其使用寿命里每个方案的相应的成本。相应的成本通常分成两类：投资成本和年运行成本。

投资成本在购买设备时产生，在一个时间段或周期性出现。最普遍的投资成本是设备的采购价格，还有安装费用，所需的动力设施费用，维护费用，运费等，典型的投资成本可以折旧。

年运行成本是保持设备运作不断出现的费用。典型的年运行成本包含作业人员的工资，设备维护费用，税收和拥有设备而产生的保险费用等。年运行成本通常不能折旧。

一旦确定相应的成本，必须评估设备使用寿命上的预期值。设备的预期寿命周期投资成本可用涉及采购价格，安装成本，运费，建筑成本等等的供货商报价来估计。设备的预期寿命周期年运行成本可用供货商方案，过去第一手的经验，同类型的设备的其它使用者的经验来评估。

一旦方案的相应寿命周期成本已确认和估计，必须完成对每个方案的现值的详细分析。如果分析是表现在对公司实际的经济影响，折旧，投资税收抵免，及企业所得税是所有经济分析的重要方面必须包括在经济分析里。

另外，每个独立年份的成本的现值必须同时具有寿命周期投资和年运营成本的总的现值。如果设备的选择基于现值的分析，具有设备寿命周期最低的现值成本的方案应作为最好的方式选择。

2）定性评估

设备方案定性评估的第一个步骤是确定需考虑的明确的定性因素，经常考虑的一些定性因素包括：

适合并满足仓库作业的设备的能力、多样性和适合生产力需求波动的能力、灵活性（安装方式易于改变或重新步置）、设备在灵活性方面受到的限制及布局，建筑，或这两者均易于扩充、空间的利用、安全性和设备的管理和保养、工作条件是否能使得操作人员高效、是否易于监管和控制、操作人员是否能很熟练的掌握并操作设备、潜在故障的发生次数和严重性、易于维护且修理迅速、必须储备的备件数量、修理的零部件的可得性、产品的质量及对物料损害的风险、与生产力需求同步的能力。

人事问题：闲置的工作人员的培训安置能力、是否和调度配合得当，书面工作是否需要。

自然条件的作用：土地，天气等等。

在高峰期需要同步可能出现的延迟，所需要的支持服务。进入作业所需的时间，也就是完成安装，培训和调试的时间可用资本或投资货币。

当确定了定性因素后，每个因素还必须根据重要性进行分级，每个因素的等级由赋予的权重表示，各因素的权重则可通过询问全体仓库管理职员中的不同成员来获得。

在给这些因素赋予权重后，必须依据每个因素评估每个设备方案的等级，这些等级习惯上采用1

5分的等级划分，通过赋值给因素的权重乘以给那些因素评定的等级，具有最高分的设备方案则作为最好的方案被选用。

由于直觉、判断及每个人的观点在一个定性的方案里起着部分作用，两个相对独立的决策者在比较相同的设备方案时可能得出不同的因素权重、因素等级和最终的决定。　　

此优化方案投入使用所需前期投资很大，但是可以很大程度上降低人力劳动强度，减少人力劳动成本，提高运输和拣选效率高，拣选正确率可以上升到99%以上。