煙草生產(chǎn)物流中機器人作業(yè)的應(yīng)用

張鶴松

摘要：在煙草工業(yè)自動化物流系統(tǒng)中，成品件煙堆拆垛、卷煙輔料堆碼搭配、煙包剪帶拆膜去蓋、煙絲箱堆疊等物料處理環(huán)節(jié)應(yīng)用機器人技術(shù)，降低了人工勞動強度，提高了作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：煙草工業(yè)、自動化物流、機器人技術(shù)

煙草工業(yè)對生產(chǎn)物流自動化技術(shù)的應(yīng)用一直處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，目前，多數(shù)卷煙廠都已實施了生產(chǎn)物流自動化，從煙葉醇化到成品發(fā)貨，從制絲分組加工到儲葉儲絲模塊化精益生產(chǎn)，自動化物流系統(tǒng)工藝融入到卷煙生產(chǎn)裝備工藝中，實現(xiàn)了工廠生產(chǎn)自動化(FA)。例如，紅河煙廠自1998年開始陸續(xù)實施了煙葉配方、輔料、成品、備件等自動化物流系統(tǒng)，其設(shè)備性能、電氣控制、計算機信息管理等方面都接近國際先進水平，并且在自動化物流作業(yè)環(huán)節(jié)中，成功采用工業(yè)機器人對卷煙成品進行堆碼、拆垛作業(yè)，對木夾板煙包進行剪鋼帶、拆薄膜、去夾板作業(yè)，對輔料搭配在國內(nèi)外率先開發(fā)使用帶視覺識別的移動式機器人系統(tǒng)，能對多品種、多規(guī)格的卷煙輔料根據(jù)生產(chǎn)需要按不同的配方進行任意搭配，實現(xiàn)卷煙輔料的自動堆碼搭配與供給。在這些物流環(huán)節(jié)采田機器人作業(yè)模式，大打降低了人工勞動強度，提高了作業(yè)效率，改善了作業(yè)環(huán)境。

工業(yè)機器人概述

工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備，目前，機器人技術(shù)及其產(chǎn)品已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動化工廠(FA)、計算機集成制造系統(tǒng)(ClMS)的自動化工具。工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用，不僅可提高產(chǎn)能、保證質(zhì)量，而且對保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強度、節(jié)約原材料消耗，以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。

工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有3－6個運動自由度，其中腕部通常有1－3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。

工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個直角坐標(biāo)移動；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。

按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，工業(yè)機器人又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準(zhǔn)確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。

具有觸覺、力覺或簡單視覺的工業(yè)機器人能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作。如具有識別功能或更進一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機器人，它能按照人工給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動完成更為復(fù)雜的工作。

機器人在成品件煙碼拆垛作業(yè)中的應(yīng)用

在卷煙廠生產(chǎn)物流系統(tǒng)中，成品自動化物流系統(tǒng)是基于對成品收集、分類、儲存、分發(fā)、銷貨環(huán)節(jié)進行一體化自動控制和實現(xiàn)調(diào)度管控信息智能化的系統(tǒng)，能夠不同程度地實現(xiàn)產(chǎn)品的自動分類、自動碼垛、自動出入存、自動移盤庫、響應(yīng)訂單組配貨、自動發(fā)貨裝車和相對應(yīng)的產(chǎn)品信息的精確統(tǒng)計追蹤。入庫的基本流程為：卷接包生產(chǎn)線一裝封箱線一分揀及機器人件煙碼垛系統(tǒng)一立體倉庫；出庫的基本流程為：立體倉庫一機器人件煙折垛系統(tǒng)一分揀組配發(fā)貨。

成品件煙的堆碼垛型一般為24、28、30件/托盤，如圖1所示。

1堆垛應(yīng)用

機器人的標(biāo)準(zhǔn)堆垛工位一般由2－3個輸入線和2－3個堆垛工位組成。作業(yè)時，件煙豎立姿態(tài)輸入，對于非頂層件煙，機器人手腕以頂吸(或底托叉)方式一次吸3件或者吸2件，按“3縱2橫+2橫3縱”方式組成首層，第二層反之，直至頂層；在頂層機器人單件作業(yè)，手腕旋轉(zhuǎn)90。以平放躺方式放置頂層件煙。圖2為機器人件煙堆碼三維示意圖。

2拆垛應(yīng)用

機器人的標(biāo)準(zhǔn)拆垛工位由2個拆垛工位和1個輸出線(包括翻轉(zhuǎn)機構(gòu))組成。對于平躺姿態(tài)的件煙，在拆垛時，機器人平行吸取件煙，直接放置到輸出線上輸出。對于豎直姿態(tài)的件煙。拆垛時，機器人平行吸取件煙，放置到輸出線上的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上，由翻轉(zhuǎn)機構(gòu)依次將件煙翻倒輸出。圖3為機器人件煙拆碼三維示意圖。

機器人在卷煙輔料搭配作業(yè)中的應(yīng)用

在卷煙輔料自動化物流系統(tǒng)中，需要將不同品種規(guī)格的輔料堆碼到托盤上完成物料組盤，然后存入立庫系統(tǒng)，再根據(jù)卷接機組的需要配送到機組站臺。在輔料組盤過程中，由于輔料品種的多樣性，一般均采用人工作業(yè)，但人工勞動強度大，現(xiàn)場管理凌亂，因此紅河、合肥煙廠等采用了ABB機器人完成輔料自動堆碼搭配作業(yè)。

由于輔料品種規(guī)格形狀各異，要實現(xiàn)自動堆碼作業(yè)有較大難度，為此采用一套帶有視覺識別系統(tǒng)的移動式機器人進行輔料搭配堆碼作業(yè)。

視覺識別移動式機器人系統(tǒng)是集機器人手臂圖像識別系統(tǒng)、手臂吸夾具系統(tǒng)、手臂找定位傳感控制系統(tǒng)、機器人數(shù)控穿梭行走系統(tǒng)以及計算決策上位機為一體的開放柔性自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)視覺識別部分對靜態(tài)(隨機出現(xiàn)的物品被輸送到指定的站臺位置)或動態(tài)(隨機出現(xiàn)的物品在輸送鏈上移動不停留)的不同物品以及靜態(tài)或動態(tài)的同一物品不同的放置面、放置方向可實現(xiàn)視覺識別定位。已被識別和定位的物品，由機器人根據(jù)已獲得的物品類型、位置信息選擇夾具抓取物品，再根據(jù)物品需放置的站臺位置行走至該站臺，完成對物品的拆垛、搬運或碼垛等任務(wù)，最終實現(xiàn)物品的自動搭配裝盤。

計算決策上位機傳輸輔料信息給機器人，并發(fā)出工作指令，機器人根據(jù)輔料配方指令，通過數(shù)控有軌車移動到各個物料站臺，利用光學(xué)視覺系統(tǒng)識別各種輔料的形狀和位置，然后機器人自動調(diào)換相應(yīng)夾具，對輔料進行自動揀取、堆碼、搭配。圖4為帶有軌道的移動式機器人。

機器人在煙包拆帶開箱作業(yè)中的應(yīng)用

煙葉原料的外包裝主要有紙箱和木夾板兩種形式，并附有包裝尼龍帶、鋼帶、薄膜等。在制絲線煙包作業(yè)環(huán)節(jié)中，對于紙箱煙包，一般采用人工剪包裝帶、拿出箱內(nèi)墊紙，再由煙包開包機倒出煙包實現(xiàn)煙包開包；對于木夾板煙包，一般采用人工剪鋼帶、撕掉塑料薄膜，再通過旋轉(zhuǎn)開包輸送機配合取木夾板。采用機器人自動拆帶開箱，一般配置專用夾具、輔具實現(xiàn)全自動的煙包開包，對于紙箱煙可實現(xiàn)自動剪包裝帶、取墊紙，完成紙箱與煙包的分離；對于木夾板煙包，可實現(xiàn)自動剪鋼帶、拆薄膜、去夾板，完成夾板與煙包的分離。在機器人自動開包系統(tǒng)中，配置相關(guān)輔助裝置，可實現(xiàn)紙箱、木夾板自動折疊、鋼帶自動剪斷等作業(yè)，整個流程的自動化、智能化程度很高，充分體現(xiàn)了工業(yè)機器人對復(fù)雜軌跡運動的動態(tài)特性。圖5為機器人自動開包系統(tǒng)配置方案。

機器人在煙絲箱碼拆作業(yè)中的應(yīng)用

近年來，隨著煙草加工向精益化、精細化、個性化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的煙絲柜儲方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄鋬δＪ?，便于半成品煙絲小批量精確攙兌，并實現(xiàn)成品煙絲對制絲線小單元送絲。為了提高存儲和輸送效率，需要將煙絲箱進行堆疊和拆垛，除了專用堆碼機外，可采用機器人進行堆拆作業(yè)。

基本流程為：煙絲箱輸送到站臺工位，機器人抓取后旋轉(zhuǎn)搬運到堆碼站臺，堆疊在另一個煙絲箱上方，拆垛時動作順序相仿。同時，機器人以單箱方式抓取箱體，可完成翻箱倒料作業(yè)，并在光學(xué)視覺系統(tǒng)和清掃裝置的配合下，完成箱體內(nèi)側(cè)殘留煙絲的清掃工作。由于箱體長寬高尺寸均大于1米，抓取重量超過150千克，開發(fā)了較大寬度尺寸的機器人夾具，并選用手腕持重和臂展半徑較大的機器人本體型號。圖6為機器人抓取煙絲箱的三維示意圖。

工業(yè)機器人作為一種通用型的智能設(shè)備，其本體功能基本能滿足煙草工業(yè)自動化物流物料處理的抓取及堆拆碼要求，難點在于夾具、輔具的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。通用型機器人在智能性方面能滿足一些特殊的物料處理作業(yè)，但在大流量物流系統(tǒng)中動作節(jié)拍的效率遜于專機設(shè)備。隨著煙草工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的不斷提高，工業(yè)機器人在卷煙自動化物流系統(tǒng)中的應(yīng)用將會越來越深入和廣泛，對于在物流系統(tǒng)工藝流程設(shè)計中如何有效集成和應(yīng)用，以及機器人主機性能、夾具輔具功能等方面的完善提高將會有更多的研究和應(yīng)用。