碼垛機(jī)器人在飼料工業(yè)的研究及應(yīng)用

■王亭嶺 王彩玲 馬景義 劉國(guó)良 牛 軍

（1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011；2.鄭州牧業(yè)工程高等專科學(xué)校，河南鄭州 450001；3.北京賽佰特科技有限公司，北京 100000；4.遼寧省農(nóng)牧業(yè)機(jī)械研究所有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110036）

中國(guó)作為世界工廠，以加工附加值低的勞動(dòng)密集型產(chǎn)品為主，在技術(shù)密集型制造業(yè)領(lǐng)域則明顯落后。隨著我國(guó)人口紅利的減少，勞動(dòng)力成本的暴漲加速了工業(yè)機(jī)器人的需求。國(guó)家政策的逐步調(diào)整，促使我國(guó)由“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”不斷轉(zhuǎn)變。工業(yè)蓬勃發(fā)展及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的更高要求，促使機(jī)器人加工成為一種最具潛力的加工方法。危險(xiǎn)環(huán)境及惡劣加工條件下，機(jī)器人將作為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，碼垛機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)、適用范圍、設(shè)備占地空間、靈活性、成本以及維護(hù)等方面的突出優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用漸為廣泛。目前，碼垛機(jī)器人搬運(yùn)碼垛作業(yè)在現(xiàn)代企業(yè)的物流管理過(guò)程中占有重要的地位，以避免用人工來(lái)完成這些工作而存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、安全性差等諸多弊端，因此采用自動(dòng)化的操作手段已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。早在80年代中、后期，日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已在推廣搬運(yùn)、碼垛的自動(dòng)化、機(jī)器人化方面取得了顯著進(jìn)展，最近幾年我國(guó)的機(jī)器人搬運(yùn)技術(shù)也得以較快地發(fā)展，應(yīng)用日益廣泛[1]。

碼垛機(jī)器人具備碼垛和搬運(yùn)兩種功能。碼垛的過(guò)程就是把一定大小的規(guī)整產(chǎn)品按照一定排列樣式碼放在托板上[2]。傳統(tǒng)碼垛是以人工方式完成的，利用人力把托盤先放置在地面上，再逐次地把產(chǎn)品按照一定順序放置在托盤上。這種方式簡(jiǎn)單易行，沒(méi)有初期設(shè)備投資，同時(shí)有一定靈活性。但是這種方法存在著很大的局限性，如當(dāng)生產(chǎn)線的速度過(guò)高或產(chǎn)品重量過(guò)大時(shí)，人工碼垛就比較困難了。另外，很多產(chǎn)品有嚴(yán)格的衛(wèi)生要求，需要盡量避免和人體接觸。同時(shí)，一些工作條件惡劣、危險(xiǎn)性大的產(chǎn)品也不適合采用人工方式碼垛。由于人工碼出的垛重復(fù)性差、碼垛質(zhì)量低、在運(yùn)輸過(guò)程中容易出現(xiàn)倒垛現(xiàn)象，從而增加了產(chǎn)品的破損。在各行各業(yè)隨著生產(chǎn)線的普及，碼垛與產(chǎn)品搬運(yùn)顯得尤為重要。碼垛機(jī)器人的特點(diǎn)是在不需人工參與的情況下，按照預(yù)定的排列樣式自動(dòng)地進(jìn)行碼垛和搬運(yùn)。它使得很多的勞動(dòng)力從繁重而又單調(diào)的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)。碼垛機(jī)器人是按照人們編排的程序進(jìn)行工作的，因此在碼垛速度提高的同時(shí)，碼垛的精度和重復(fù)性也得到了大大的提高。這樣的垛既便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸，同時(shí)又增加產(chǎn)品的美感。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，碼垛機(jī)器人的性能有了很大提高，其適用范圍也越來(lái)越廣。

1 碼垛機(jī)器人的發(fā)展

縱觀世界各國(guó)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的過(guò)程，可歸納為三種不同的發(fā)展模式，即日本模式、歐洲模式和美國(guó)模式。日本模式的特點(diǎn)是：各司其職，分層面完成交鑰匙工程，即機(jī)器人制造廠商以開(kāi)發(fā)新型機(jī)器人和批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為主要目標(biāo)，并由其子公司或社會(huì)上的工程公司來(lái)設(shè)計(jì)制造各行業(yè)所需要的機(jī)器人成套系統(tǒng)，并完成交鑰匙工程；歐洲模式的特點(diǎn)是：一攬子交鑰匙工程。即機(jī)器人的生產(chǎn)和用戶所需要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造，全部由機(jī)器人制造廠商自己完成；美國(guó)模式的特點(diǎn)是：采購(gòu)與成套設(shè)計(jì)相結(jié)合。美國(guó)國(guó)內(nèi)基本上不生產(chǎn)普通的工業(yè)機(jī)器人，企業(yè)需要時(shí)機(jī)器人通常由工程公司進(jìn)口，再自行設(shè)計(jì)、制造配套的外圍設(shè)備，完成交鑰匙工程。

目前國(guó)際上有代表性的產(chǎn)品化碼垛機(jī)器人有日本的FUJI ACE（不二）公司的垂直關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人、德國(guó)KUKA公司的垂直關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人、德國(guó)BERGER LAHR公司的直角坐標(biāo)型碼垛機(jī)器人，日本安川公司的水平關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人及瑞典ABB公司的機(jī)器人等。其中日本的占有率最高，絕大數(shù)碼垛作業(yè)由碼垛機(jī)器人完成。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于70年代初期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開(kāi)發(fā)期和90年代的適用化期。我國(guó)于1972年開(kāi)始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。進(jìn)入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究得到了政府的重視與支持，“七五”期間，國(guó)家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）開(kāi)始實(shí)施，經(jīng)過(guò)幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。我國(guó)在80年代引進(jìn)的大型石化裝置，首次應(yīng)用了機(jī)器人碼垛。隨后在90年代初，我國(guó)開(kāi)始了碼垛機(jī)器人的研發(fā)，并在“863計(jì)劃”的支持下進(jìn)一步加強(qiáng)了全自動(dòng)包裝機(jī)器人碼垛生產(chǎn)線的開(kāi)發(fā)，使科研成果更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[3]。

2 碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，碼垛機(jī)器人包括如下三種形式：笛卡耳式、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)式和龍門起重架式。笛卡耳式碼垛機(jī)器人主要由四部分組成：立柱、X向臂、Y向臂和抓手，以四個(gè)自由度（包括三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）完成對(duì)物料的碼垛[4]。這種形式的碼垛機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)體剛性較強(qiáng)，可搬重量較大，適用于較重物料的碼垛。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)式機(jī)器人碼垛機(jī)繞機(jī)身旋轉(zhuǎn)，包括四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。這種形式的碼垛機(jī)是通過(guò)示教的方式實(shí)現(xiàn)編程的，即操作員手持示教盒，控制機(jī)器人按規(guī)定的動(dòng)作而運(yùn)動(dòng)，于是運(yùn)動(dòng)過(guò)程便存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，以后自動(dòng)運(yùn)行時(shí)可以再現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程。這種機(jī)器人機(jī)身小而動(dòng)作范圍大，可同時(shí)進(jìn)行一個(gè)或幾個(gè)托盤的同時(shí)碼垛，能夠靈活機(jī)動(dòng)地對(duì)應(yīng)進(jìn)行多種產(chǎn)品生產(chǎn)線的工作[5]。將機(jī)器人手臂裝在龍門起重架上稱為龍門架式碼垛機(jī)器人，這種碼垛機(jī)器人具有較大的工作范圍，能夠抓取較重的物料。

針對(duì)飼料行業(yè)的特點(diǎn)，北京賽佰特科技有限公司自主研發(fā)的CBT-90型碼垛機(jī)器人，能自動(dòng)抓取90 kg以下各類袋裝飼料。北京賽佰特科技有限公司位于北京中關(guān)村科技園核心區(qū)域，是由國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器人領(lǐng)域知名專家學(xué)者發(fā)起成立的高科技企業(yè)。公司在物聯(lián)網(wǎng)與智能機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域擁有多項(xiàng)核心專利技術(shù)，形成了工業(yè)機(jī)器人和智能服務(wù)機(jī)器人等多種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品及應(yīng)用解決方案。CBT-90型碼垛機(jī)器人的特點(diǎn)：

①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、易于維護(hù)：使用圓柱坐標(biāo)型設(shè)計(jì)，大量使用標(biāo)準(zhǔn)部件，保養(yǎng)維修簡(jiǎn)單；

②適用性強(qiáng)、靈活多變：多關(guān)節(jié)的直線式運(yùn)動(dòng)軌跡更合適于碼垛作業(yè)，傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)軌跡清晰明了；多種抓手和碼垛方式可供選擇，適用于不同的產(chǎn)品特性；

③降低能耗、可靠性強(qiáng)：通常機(jī)械式碼垛機(jī)的功率在26 kw左右，而CBT-90的功率為3.5 kw左右；大部分零部件均集中在本體底座上，手臂結(jié)構(gòu)輕盈結(jié)實(shí)，在高速運(yùn)行情況下能耗更低，可靠性更強(qiáng)；

④示教簡(jiǎn)化、簡(jiǎn)單易學(xué)：對(duì)操作界面進(jìn)行了簡(jiǎn)單化編譯，只需對(duì)抓取位置及堆放位置做示教后，其他軌跡均由機(jī)器人自動(dòng)計(jì)算，便可完成碼垛作業(yè)，消除了人們對(duì)機(jī)器人的高級(jí)、難解的印象；

⑤量身定制、服務(wù)周到：可根據(jù)客戶現(xiàn)場(chǎng)位置、包裝物特性、碼垛能力等實(shí)際因素，因地制宜，量身定制，設(shè)計(jì)最科學(xué)合理的碼垛方案；集雄厚的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力于一身，為客戶提供及時(shí)、周全的服務(wù)。

CBT-90型碼垛機(jī)器人采用獨(dú)特的四連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有剛度大、速度高、工作空間大等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人控制核心采用自主研發(fā)的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡。CBT-90型碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)主要由三大部分組成：腰部、并聯(lián)部分和腕部。腰部是整個(gè)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，驅(qū)動(dòng)其余部分繞腰部旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)；并聯(lián)部分為碼垛機(jī)器人的手臂，固定在腰部上，在該部分內(nèi)小臂通過(guò)前大臂、后大臂與導(dǎo)軌滑塊鉸接在一起，通過(guò)滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)小臂位姿的調(diào)整；腕部安裝在小臂上。碼垛機(jī)器人由4個(gè)關(guān)節(jié)組成，能實(shí)現(xiàn)以下4種運(yùn)動(dòng)：腰座旋轉(zhuǎn)，水平前后運(yùn)動(dòng)，垂直上下運(yùn)動(dòng)和腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。4種運(yùn)動(dòng)全部由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以滿足驅(qū)動(dòng)大慣性力矩負(fù)載和快速運(yùn)動(dòng)精確定位的要求。腰座電機(jī)、腕部電機(jī)通過(guò)諧波減速器驅(qū)動(dòng)腰座、機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，水平關(guān)節(jié)電機(jī)、垂直關(guān)節(jié)電機(jī)通過(guò)同步帶輪減速后帶動(dòng)水平關(guān)節(jié)絲杠、垂直關(guān)節(jié)絲杠旋轉(zhuǎn)，而絲杠通過(guò)其上的滑塊驅(qū)動(dòng)前大臂、后大臂沿各自導(dǎo)軌作水平前后運(yùn)動(dòng)、垂直上下運(yùn)動(dòng)。CBT-90型碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖2為CBT-90型碼垛機(jī)器人在河南華盟集團(tuán)駐馬店飼料分廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 CBT-90型碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)

圖2 CBT-90型碼垛機(jī)器人工作現(xiàn)場(chǎng)

3 碼垛機(jī)器人在飼料工業(yè)的應(yīng)用前景

目前，全國(guó)飼料加工企業(yè)的總數(shù)超過(guò)上萬(wàn)家，采用碼垛機(jī)器人的企業(yè)所占比例不足1%。大部分飼料加工企業(yè)在飼料生產(chǎn)過(guò)程中都采用人工套袋、人工封口、人工搬運(yùn)等形式。就目前飼料行業(yè)的技術(shù)裝備發(fā)展水平而言，許多飼料企業(yè)在產(chǎn)品包裝及運(yùn)輸過(guò)程中完全可以實(shí)現(xiàn)少人化甚至無(wú)人化作業(yè)。

當(dāng)今飼料加工企業(yè)正朝著大型化、集團(tuán)化方向發(fā)展，很多中小企業(yè)將被兼并或淘汰。大型飼料企業(yè)自動(dòng)化程度很高，受到人力成本上漲的因素影響較小，生產(chǎn)成本有著明顯的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)成本的高低決定著企業(yè)的命運(yùn)。目前飼料企業(yè)中的搬運(yùn)工種已很少有人愿意長(zhǎng)期從事下去，僅靠提高搬運(yùn)工種的工資并不是有效的解決辦法。很多大型企業(yè)已逐步嘗試?yán)么a垛機(jī)器人來(lái)代替繁重的人工搬運(yùn)工作。未來(lái)3～5年內(nèi)，碼垛機(jī)器人將會(huì)在大型飼料加工企業(yè)得到廣泛使用。對(duì)于眾多中小型飼料加工企業(yè)來(lái)說(shuō)，由于生產(chǎn)成本較高，企業(yè)利潤(rùn)率相對(duì)較低，在自動(dòng)化設(shè)備投入上壓力較大。并且很多中小企業(yè)在固定資產(chǎn)投入與成本上無(wú)法做出有效分析，無(wú)法得出合理的投入產(chǎn)出成本分析數(shù)據(jù)[6]。

通過(guò)如下簡(jiǎn)單的成本核算，能夠得出每月生產(chǎn)1 000 t的企業(yè)已可以使用碼垛機(jī)器人來(lái)降低成本為企業(yè)贏得效益。以某中型飼料廠為例，通常情況下，1條飼料成品包裝線1班（8 h）碼垛工人需2名，人工碼垛能力為400包/h（40～50 kg/包），如使用碼垛機(jī)器人，1條包裝線至少可節(jié)約碼垛工人2名。而碼垛機(jī)器人的碼垛能力在800～1 000包/h。

以每名碼垛工人工資0.3萬(wàn)元/月計(jì)算，人工碼垛的用工成本如表1所示。

表1 單/雙線人工碼垛用工成本

此人工成本還不包括企業(yè)承擔(dān)的福利、保險(xiǎn)、管理等成本，也不包含每年勞動(dòng)力成本10%的增長(zhǎng)速度及意外工傷事故等付出費(fèi)用等因素。CBT-90碼垛機(jī)器人可執(zhí)行24 h不間斷雙線碼垛任務(wù)，即每年至少可為企業(yè)節(jié)省14.4～43.2萬(wàn)元的人力成本。根據(jù)飼料生產(chǎn)線的不同碼垛機(jī)器人及其附屬設(shè)備的價(jià)格在35～50萬(wàn)元人民幣左右。一臺(tái)碼垛機(jī)器人按40萬(wàn)計(jì)算，工作壽命15年，每年折舊費(fèi)3萬(wàn)元左右，碼垛機(jī)器人耗電3.5 kw/h，每天工作8 h計(jì)算，電費(fèi)每年約7 000元，維修費(fèi)每年3 000元，一臺(tái)碼垛機(jī)器人年使用費(fèi)用是4萬(wàn)元，僅相當(dāng)于1個(gè)碼垛工人的工資，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，將成為21世紀(jì)各國(guó)爭(zhēng)奪經(jīng)濟(jì)技術(shù)制高點(diǎn)。根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)發(fā)展與升級(jí)的歷程和工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2015年中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)的容量約達(dá)十幾萬(wàn)臺(tái)套，這是中國(guó)發(fā)展機(jī)器人及其自動(dòng)成套裝備產(chǎn)業(yè)的良好機(jī)遇。從國(guó)外碼垛機(jī)器人的研究現(xiàn)狀來(lái)看，目前的研究正處在實(shí)用推廣階段，我國(guó)在這方面的研究正處在自主研發(fā)的起步階段。

隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展及勞動(dòng)成本的提高，自動(dòng)化設(shè)備在飼料工業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。使用自動(dòng)化設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)多批次、連續(xù)生產(chǎn)，既減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又保證了產(chǎn)品的質(zhì)量[7]。針對(duì)飼料行業(yè)的特點(diǎn)，北京賽佰特科技有限公司自主研發(fā)的CBT-90型碼垛機(jī)器人價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，性能穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)在河南華盟集團(tuán)投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行效果良好，極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益都有較大的提升。