飼料工業(yè)碼垛機(jī)器人及配套生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

■王彩玲 王亭嶺 馬景義 劉國良

（1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南鄭州 450011；2.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045；3.北京賽佰特科技有限公司，北京 100070）

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。在制造業(yè)中誕生的工業(yè)機(jī)器人是繼動(dòng)力機(jī)、計(jì)算機(jī)之后而出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具。工業(yè)機(jī)器人是最先產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù)，是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能以及仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)是為了適應(yīng)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動(dòng)和提高生產(chǎn)質(zhì)量而取代人工作業(yè)[1]。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。

隨著我國裝備制造產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，勞動(dòng)力成本的日益增長將成為影響裝備制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，“人口紅利”的結(jié)束使國內(nèi)裝備制造企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)向智能化、自動(dòng)化、無人化的工廠自動(dòng)化和智能化的建設(shè)。中國正處于新的歷史發(fā)展時(shí)期，經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入關(guān)鍵的黃金發(fā)展機(jī)遇期、新型工業(yè)化進(jìn)程加快和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的升級，都給我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來新的機(jī)遇。把握經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)律，調(diào)整工業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級，加快裝備制造業(yè)向著以機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等為代表的先進(jìn)裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)變。中國的機(jī)器人市場是全球增長最快的市場，從2010年開始我國工業(yè)機(jī)器人需求量激增，較2009年增長了1.71倍。預(yù)計(jì)到2014年需求量將達(dá)到32 000臺(tái)，我國將成為全球最大的需求國[2]。

近年來，工業(yè)機(jī)器人中的碼垛機(jī)器人搬運(yùn)碼垛作業(yè)在現(xiàn)代企業(yè)的物流管理過程中占有重要的地位，以避免用人工來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。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。這種方式簡單易行，沒有初期設(shè)備投資，但是存在著很大的局限性，當(dāng)生產(chǎn)線的速度過高或產(chǎn)品重量過大時(shí)，人工碼垛就比較困難。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)。它使得很多勞動(dòng)力從繁重而又單調(diào)的體力勞動(dòng)中解放出來[3]。

1 CBT系列碼垛機(jī)器人的特性

針對農(nóng)牧行業(yè)的特點(diǎn)，北京賽佰特科技有限公司自主研發(fā)的CBT系列碼垛機(jī)器人，包括CBT-90和CBT-160兩款碼垛機(jī)器人產(chǎn)品，能自動(dòng)抓取90 kg和160 kg以下各類袋裝飼料。公司擁有國內(nèi)首家自主研發(fā)和生產(chǎn)的碼垛機(jī)器人核心控制器，國家863項(xiàng)目支持的搬運(yùn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地。CBT系列碼垛機(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)的嵌入式控制器。CBT系列碼垛機(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。碼垛機(jī)器人硬件部分主要由機(jī)器人本體、電控柜、人機(jī)交互器等組成。本體結(jié)構(gòu)由公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主完成，減速機(jī)采用進(jìn)口RV減速機(jī)；電控部分采用國際主流的伺服電機(jī)及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，很好地完成插補(bǔ)、前饋的等功能，使工業(yè)機(jī)器人性能達(dá)到國際同行標(biāo)準(zhǔn)；人機(jī)交互器采用自主研發(fā)的示教盒，操作簡單，功能齊全，已申請國家發(fā)明專利。CBT系列碼垛機(jī)器人及配套生產(chǎn)線工作現(xiàn)場如圖1所示。CBT系列碼垛機(jī)器人技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 CBT系列碼垛機(jī)器人及配套生產(chǎn)線

北京賽佰特科技有限公司在搬運(yùn)機(jī)器人控制器

表1 CBT系列型碼垛機(jī)器人技術(shù)參數(shù)

軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面與北京航空航天大學(xué)開展了全面合作，為公司機(jī)器人控制系統(tǒng)后續(xù)研發(fā)與技術(shù)升級提供了保證。公司目前正在與田納西大學(xué)在搬運(yùn)機(jī)器人精密減速機(jī)、伺服電機(jī)等方面開展合作研究，以進(jìn)一步提供搬運(yùn)機(jī)器人產(chǎn)品性能，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品市場競爭力。

2 自動(dòng)化碼垛生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)

河南華盟集團(tuán)某飼料加工分廠現(xiàn)有四條生產(chǎn)線，要求實(shí)現(xiàn)飼料加工無人化操作和智能化管理。設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化碼垛生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案鳥瞰

圖2中自動(dòng)化碼垛生產(chǎn)線從左到右依次為：自動(dòng)定量包裝秤、下料口、縫包機(jī)、直線倒袋輸送機(jī)、直角轉(zhuǎn)彎輸送機(jī)、振打整形輸送機(jī)、壓平整形輸送機(jī)、復(fù)稱測量及剔除裝置、緩沖輸送機(jī)、自動(dòng)托盤庫、待碼平臺(tái)和CBT-90碼垛機(jī)器人。

自動(dòng)定量包裝秤采用雙螺旋給料，生產(chǎn)能力300～350包/h、稱量精度為±0.1%；左邊的1號下料口對應(yīng)的袋裝飼料經(jīng)縫包機(jī)縫包后，被直線倒袋輸送機(jī)放平，經(jīng)直角轉(zhuǎn)彎機(jī)匯到2號下料口對應(yīng)的輸送線上；兩條生產(chǎn)線合并到一起后，袋裝飼料經(jīng)振打整形輸送機(jī)振平，經(jīng)壓平整形輸送機(jī)壓平，以方便碼垛機(jī)器人抓取，碼成規(guī)整的垛型；復(fù)稱測量及剔除裝置將重量不符合要求的袋裝飼料加以剔除；待碼平臺(tái)上的傳感器檢測到袋裝飼料到達(dá)指定位置后，碼垛機(jī)器人會(huì)快速抓取袋裝飼料碼垛指定托盤上。1號和2號生產(chǎn)線并成一條輸送線，3號和4號生產(chǎn)線并成一條輸送線。碼垛機(jī)器人從雙線抓取袋裝飼料并分別碼成兩垛。生產(chǎn)線合并輸送線長15 m左右，碼垛機(jī)器人活動(dòng)半徑為2.6 m，垛型采用2橫3豎，也可根據(jù)生產(chǎn)要求及托盤大小設(shè)計(jì)不同垛型。

3 飼料加工全自動(dòng)化趨勢

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，而大部分中小飼料加工企業(yè)在飼料生產(chǎn)過程中仍然采用人工套袋、人工封口、人工搬運(yùn)等形式，受到人力成本上漲的因素影響較大。目前飼料企業(yè)中的搬運(yùn)工種已很少有人愿意長期從事下去，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)器人來代替繁重的人工搬運(yùn)工作。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)輸過程中完全可以實(shí)現(xiàn)少人化甚至無人化作業(yè)。未來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[4]。

CBT系列碼垛機(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14.4～43.2萬元的人力成本。此人力成本還不包還企業(yè)承擔(dān)的福利、保險(xiǎn)、管理等成本及每年勞動(dòng)力成本10%的增長速度及意外工傷事故等付出費(fèi)用等因素。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35～50萬元左右。一套碼垛機(jī)器人及配套生產(chǎn)線按50萬計(jì)算，工作壽命12年，每年折舊費(fèi)4萬元左右，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8 000元，維修費(fèi)每年2 000元，一臺(tái)碼垛機(jī)器人年使用費(fèi)用是5萬元，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[5]。CBT系列碼垛機(jī)器人維護(hù)成本見表2。

表2 CBT系列碼垛機(jī)器人維護(hù)成本

4 結(jié)語

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)各國爭奪經(jīng)濟(jì)技術(shù)制高點(diǎn)。根據(jù)發(fā)達(dá)國家工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢，預(yù)計(jì)到2015年中國機(jī)器人市場的容量約達(dá)十幾萬臺(tái)套，這是中國發(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。隨著我國工業(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。采用碼垛機(jī)器人明顯達(dá)到減員增效，可節(jié)省一筆可觀的人力資源成本；碼垛機(jī)器人的應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)作業(yè)自動(dòng)化的程度，企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)行管理水平將提高到國際先進(jìn)水平。先進(jìn)的工藝，必將對客戶產(chǎn)生積極的影響，同時(shí)會(huì)相應(yīng)地提高企業(yè)的競爭優(yōu)勢；單臺(tái)碼垛機(jī)器人可以完成兩條至四條包裝線的碼垛任務(wù)，更換抓手可搬運(yùn)不同重量、不同產(chǎn)品的堆碼任務(wù)。企業(yè)在變換產(chǎn)品或產(chǎn)量增產(chǎn)時(shí)，無需投入資金購取新設(shè)備，單臺(tái)設(shè)備只需變換工作模式和搬運(yùn)抓手便可完成作業(yè)。CBT系列碼垛機(jī)器人及其配套生產(chǎn)線，可以實(shí)現(xiàn)飼料加工的無人化操作與智能化管理，性能穩(wěn)定可靠，價(jià)格優(yōu)勢明顯，對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益都有較大的提高。