面向酿造工艺流程的智能天车机器人系统研究

何朝宣，查振元，曾 政，隰 潇

（机械科学研究总院 机科发展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

随着我国酒类酿造行业的发展，酒类酿造行业已是国民经济重要支柱产业之一，其中全国酒企约四万家、从业人数数千万、年产值近万亿元，产生了巨大的经济与社会效益。但目前酿造行业中物料搬运仍然于传统的人工搬运或者使用人工驾驶的天车搬运，物料转运效率低，安全性能差，亟需通过自动化改造促进我国酒类酿造工艺物料搬运方式转变。白酒酿造与传统工艺密不可分，因此智能天车机器人智能酿造系统面临核心挑战在于如何保障“源于传统，优于传统”。

文章旨在秉承“源于传统，优于传统”的酿酒工艺自动化升级理念，基于传统酿造工艺、机器人本体技术和系统集成技术相融合的研究思路，突破酒类酿造全流程物料智能转运关键核心技术，提升酿造车间物料转运作业效率与高速高精度智能天车安全作业技术，切实解决了酿造车间物料转运在传统生产中存在的问题，为“中国白酒158计划”将现代科技融入中国传统白酒酿造提供了新思路。

1 酒类酿造工艺流程中物料转运难点

1.1 酿造工艺物料转运过程

图1 浓香型白酒酿造工艺流程

中国白酒历史悠久，工艺独特，如图1所示白酒粮酒工艺主要有三个阶段：润粮蒸粮、发酵、蒸馏[1]。物料转运的主要过程为：粮食经过润粮蒸粮工艺就变成发酵所需要的原料，首先需要将原料从润粮蒸粮工位搬运到窖缸中进行发酵，发酵结束后，原料变成酒曲，再将酒曲从窖缸中搬运到上甑工位进行蒸馏，蒸馏后的酒曲变成酒糟，最后将酒糟从蒸馏工位搬运到摊晾工位。

1.2 酿造工艺物料转运难点

1）涉及搬运工序多：如图1所示原料到窖缸，酒曲出窖缸、酒糟出蒸锅都需要搬运。

2）物料转运频繁：如图2所示窖缸数量多，分布密集。

3）转运定位精度要求高：如图2所示发酵窖缸材质为陶瓷材料，容易触碰损坏。

图2 窖缸的分布

2 智能天车在类酿造工艺流程中的应用优势

从酒类酿造工艺流程的实际情况来看，物料搬运并不是简单的地面运输，需要将装有原料的料箱搬运到窖缸时要方便原料倒入窖缸，将发酵后的酒曲从窖缸中抓取出来后在搬运，并且厂房地面布满了窖缸，窖缸材质为陶瓷材料易破损，物流搬运环境复杂，导致物流运输中常用的自动牵引小车（AGV）、有轨穿梭小车（RGV）、空中悬挂小车（EMC）都不适用于酒类酿造工艺物料搬运。

天车（又称桥式天车）作为一种使用方便、具备大载重量的机械搬运设备，广泛应用于工厂、库房、港口和矿山等多种生产场合，在国民经济中起着至关重要的作用，迄今为止，天车的使用已经有数百年的历史。随着科技的发展，天车系统向着大型化、智能化、快速化、准确化的方向发展，其工作的可靠性也在不断的提升[2,3]。研究发现智能天车很适合酒类酿造工艺物料搬运，它能够很好地解决酿造车间物料转运耗时、耗工、空间占用大等问题。

3 智能天车机器人系统的设计

3.1 设计难点与技术指标

由于酿造工艺过程中物料转运频繁，涉及多个工序不同工位的转运，智能天车将长时间处于快速启停的工作状态，如果不突破智能天车机器人系统的精确定位与防摇等关键核心技术，将导致智能天车在物料转运中出现剧烈的单摆运动。如果在智能天车运行过程中负载一直摆动，轻则影响其机械寿命，重则造成负载脱落或发生碰撞，造成生产事故；如果在智能天车运动结束时刻负载仍然在摆动，如果在摆动未消除前就卸下负载，那将会严重影响负载摆放的位置精度，影响物料转运效率[4]。

文章秉承“源于传统，优于传统”的酿酒工艺自动化升级理念，保证智能天车定位与防摇系统的定位精度和防摇性能，满足酿造工业的使用要求，提高酿造中物料搬运系统自动化水平，提高产品生产效率，研发的高速高精度天车系统的精确定位与防摇性能须满足以下技术指标。

1）天车三坐标位置误差≤10mm；

2）天车纵向移动速度≥8m/min；

3）天车水平移动速度≥30m/min；

4）天车水平摆动≤±2°；

5）天车起吊重量≥5t。

3.2 智能天车机器人设计方案

图3 智能天车机器人

如图3所示，智能天车主要由小车、大车运行机构、桥架、电气控制设备及专用属具组成。小车主要由起升机构、小车运行机构组成；大车运行机构主要由驱动装置、主被动车轮组及缓冲器组成；桥架主要由主梁、端梁、走台等钢结构组成；电气设备主要由配电、控制及照明系统等组成；专用属具共有3类，分别用于3 种物料的抓取。

小车采用先进的紧凑形设计方案；自重小、高度低，传动效率高，低能耗；模块化设计，免维护率高，易损件更换方便。起升机构为卷扬式结构，主副起升均为展开式布置，单电机、单卷筒、单减速器的传动方案。具振动小、噪音低、运行平稳等特点。

大小车运行机构都采用三合一驱动装置并配套变频调速系统，三合一驱动装置具有密封好，无漏油，免维护的特点。同时在大小车运行机构一侧设置水平导向轮，确保大小车运行的直线度。

桥架采用双梁双轨结构，主、端梁为箱形结构，具有足够的强度、刚度和稳定性；走台具有足够的安全通道和护拦，可以方便、安全地到达各需要维修及检查地点。

专用属具用于物料的抓取，按物料的种类，专用属具分为3种。智能天车设计有转接盘，可分别适应3种吊具的自动/手动更换。

4 智能天车机器人关键技术及功能实现

如图4所示，针对智能天车在快速启停条件下三维精确定位问题，综合利用编码器、激光、视觉、里程计等多传感器信息，在吊具端增加视觉标签和惯导模块，实现基于伺服控制和贝叶斯滤波器的多源传感器信息融合的智能天车及末端吊具复合定位方法。针对快速启停过程中智能天车防摇问题，研究融合模糊控制和粒子群算法的位移补偿闭环防摇控制系统，利用粒子群算法优化模糊控制器参数，增强控制器自适应能力，提高防摇控制精度。

图4 智能天车机器人精确定位及防摇控制技术路线

4.1 智能天车机器人三维精确定位关键技术及功能实现

为了保证智能天车的高定位精度，使智能天车近似直线运行，对大小车导向轨顶面和两个侧面进行精加工，提高轨道的直线度和平面度，同时轨道安装采用可调压板安装，导向轨经调整可以达到直线度±2mm。但其水平方向的运行是微小的蛇形运动，为解决这一问题，首先是智能大小车运行使用三合一电机减速器，采用同一批次，严格控制转速差，提高同步运行精度，最后是在智能天车的大小车导向轨道均采用水平导向轮组进行导向如图5所示，提高了智能天车在X、Y方向的机械结构定位精度。同时智能天车主梁钢结构采用静态刚性设计方法，实现主梁的垂直静挠度 f≤S/2000（S为起重机跨度），使智能天车在吊重时产生的下挠值很小，提高了智能天车在Z方向的机械结构定位精度。

图5 水平导向轮机构

智能天车机器人的精确定位系统，采用了基于伺服控制及多源传感器信息融合的智能天车复合定位方法。在各个工位处，设置位置检测、工件状态检测装置，工件位置检测采用位移传感器测量工件位移距离，将采集信息发送状态数据至分布站模块，分布站模块放置在中控室内，将实时状态信息输入至PLC，经PLC内部的逻辑信息处理，具备初始化状态检测，实时信息检测等功能，通过编程处理实现各个机构的安全运行；为了避免了机械误差及车轮打滑的情况出现，在大、小车运行机构侧加装绝对位置编码尺，编码尺通过总线接口将数据信息发送至PLC，通过内部编程运算实时采集运行机构的实时位置，并将数据实时显示在中控屏上。在大车、小车运行机构的基座侧面装条码尺，条形码传感器安装在大车、小车运行机构上，采用的的条形码定位由两部分组成：条码尺、条形码传感器，条形码传感器的分辨率可达到0.05mm，测量距离可达10000m，保证了智能天车X、Y方向运行机构定位精度小于±5mm。

智能天车在Z方向的定位是在起升机构低速轴加装绝对值编码器，通过总线通讯将起升位置信息发送至PLC，通过内部的运算实时采集起升机构的起升高度，并将数据实时显示在中控屏上。采用的起升绝对值编码器及运行编码尺的精度为±0.1mm，通过高精度的传感器保障了系统的定位精度不大于±5mm。同时在卷扬筒转轴的一端安装旋转编码器，通过旋转编码器获取电机转角信息，转换后间接获取起重机垂直方向的升降距离，选择多圈绝对值旋转编码器，通过柔性联轴器与卷扬筒转轴连接，保证了智能天车Z方向定位精度小于±5mm。

4.2 智能天车机器人吊具防摇关键技术及功能实现

为实现智能天车具备良好的防摇性能，首先是智能天车的吊具取物装置的布置方式及缠绕方式与传统设计不同。传统的方式是轴对称布置，而且下绳点到吊具的距离较近，使取物装置在智能天车起动和制动时由于惯性会存在较大幅度摆动。如图6所示，本文设计的吊具上的布置有4组动滑轮，而且取物装置的布置是空间对称。钢丝绳缠绕方式如图7所示，该设计将上部的下绳点位置尽量拉开，拉大钢丝绳间距，有力的保证了吊具的稳定性，保证智能天车起升机构工作期间，取物装置不晃动。如图8所示，采用套筒式防摇机械结构，在转接盘上还设有销轴，小车架下方设有筒套。当智能天车大车长距离运行时，起升转接盘，将销轴插入筒套，确保了大车长距离运行时，吊装物料的稳定性。

图6 动滑轮组

图7 缠绕方式

智能天车防摇摆控制采用基于粒子群的防摇闭环控制算法，在可编程控制器内部建立数学模型，通过检测起升机构的起升高度、运行机构的运行速度及摇摆相应时间，通过内部模型的运算，发送相应的启动、速度、抱闸动作及停车功能至变频器，经变频器驱动各个机构的运行，通过数学模型的建立及运算实现了起重机电气的防摇摆功能。通过PLC内部数学模型的建立，保障了各个机构在自动运行时，起升机构启动以低速运行，高速保持运行，当达到设定目标值进行先进行减速运行，后进行定位停止动作，实现了起升机构的轻起轻放；运行机构自动动作时，投入防摇摆控制系统，保障了运行机构在运行时重物不会摆动，当达到设定目标值后，先进行防摇减速运行，在进行定位停车。通过合理的硬件搭配、科学的数据模型建立、高速的PLC运算及先进的网络传输实现了防摇定位的功能。工件位置信息的检测及防摇定位功能的实现保障了智能天车能够在工位工序上自动完成工件的工艺流程。

图8 套筒式防摇结构

5 结语

本文研究了动态环境下高速高精度物料转运智能天车机器人安全作业系统，主要完成了智能天车精确定位与防摇等关键技术，攻关了基于贝叶斯滤波器的天车及末端吊具复合定位方法、基于粒子群的防摇闭环控制算法天车精确定位及防摇摆控制，实现了酿造从固态发酵制曲、窖池到拌料工位、上甑工位、摊晾工位、回窖池发酵等全过程自动化作业，解决了酿造过程物料转运环节高耗低效问题，大大降低了酿造行业对人工的依赖，促进了我国酿造行业向着自动化、智能化、无人化方向发展。