工業(yè)機器人在紙卷包裝系統(tǒng)貼標裝置中的應用

上海衡拓實業(yè)發(fā)展有限公司 李暉

一、概況

根據國家發(fā)展規(guī)劃，造紙行業(yè)正在逐步淘汰落后產能，隨著能耗大、污染嚴重的造紙企業(yè)被關停，市場空間得到進一步釋放。近幾年國內規(guī)模較大的造紙廠新上項目以大產量為主，箱板紙、瓦楞紙新上項目年產量超30萬噸，高檔文化紙、白卡紙年產量超50 萬噸。部分機臺產量達到了80 ～100 卷/小時，多機臺的生產線成為主流配置。隨著產量的提高，對紙卷輸送包裝系統(tǒng)節(jié)拍有了更高的要求。

其中，標簽作為紙卷生產、銷售、二次加工流轉過程中必要的信息載體，貼標裝置在紙卷輸送包裝系統(tǒng)中不可或缺。傳統(tǒng)的人工貼標、滾筒式貼標機由于效率低下正在逐漸被淘汰，市場對自動化程度較高的貼標裝置的需求較大。而傳統(tǒng)的自動貼標裝置，適用的貼標范圍較小，不能滿足造紙行業(yè)多種規(guī)格紙卷的貼標要求。工業(yè)機器人由于其可靠性、穩(wěn)定性好，作為先進制造業(yè)發(fā)展的方向，在越來越多的行業(yè)中成為不可替代的重要裝備。結合紙卷輸送包裝系統(tǒng)的特性，將工業(yè)機器人應用于貼標裝置，將大大提高物流系統(tǒng)的能力。通過對工業(yè)機器人的應用及工藝流程的優(yōu)化，可將貼標節(jié)拍控制在30S 內，滿足高速自動化生產的需要。

常規(guī)的貼標系統(tǒng)的標簽紙可分為兩類：背面預施水溶膠的標簽紙和不干膠標簽紙。其中，不干膠標簽紙對打印機的要求較高，且出現(xiàn)故障時處理時間過長，不適合造紙行業(yè)連續(xù)生產工況。背面預施水溶膠的標簽紙由于各項經濟指標較好，且不易造成設備故障，可靠性較好，在行業(yè)中被廣泛應用。本文中應用的貼標裝置使用背面預施水溶膠的標簽紙。

二、貼標系統(tǒng)

1、系統(tǒng)組成及工藝流程

貼標系統(tǒng)由機器人主體（含控制器）、夾具、氣動系統(tǒng)、打印及噴水系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)組成。

紙卷包裝完成后通過輸送系統(tǒng)到達指定標簽粘貼工位，根據信息系統(tǒng)提示，打印系統(tǒng)提前打印標簽，打印完成后通知機器人取走標簽。機器人抓取標簽并完成噴水后，按照事先示教的位置運行到貼放位置附近，通過與控制系統(tǒng)的信息交互，獲取紙卷的幅寬、直徑等信息，確定標簽粘貼的準確位置。夾具釋放標簽，放置在紙卷上，機器人根據紙卷參數，以合適的力度及角度，將標簽撫平、壓緊在紙卷上。貼標完成后，機器人將完成信號發(fā)送給控制系統(tǒng)，輸送機將紙卷輸送到下一個工位，同時將下一個待貼標紙卷送到標簽粘貼工位。

2、機器人主體

機器人采用6 自由度多關節(jié)型通用機器人。根據粘貼標簽數量及紙卷直徑范圍，選擇不同規(guī)格的機器人型號。常規(guī)系統(tǒng)應用機器人以ABB IRB4600 型機器人為基礎，其主要規(guī)格參數如表1 所示。實踐證明，該型機器人可以完成紙卷直徑范圍為φ600 ～2000mm 的紙卷筒身貼標，并在輸送系統(tǒng)的配合下完成紙卷端面貼標。

表1 ABB IRB4600 機器人規(guī)格及性能特點

ABB IRB4600 機器人規(guī)格及性能特點示教器是進行機器人手動操作、程序編寫、參數配置及監(jiān)控的手持裝置，也是最常見的機器人控制裝置，如圖1 所示。ABB IRB4600型機器人具備工具坐標系多點標定功能，實際應用中，一般先通過工具中心點（TCP）位置多點標定進行大范圍運動點標定，再進行工具坐標系（TCF）姿態(tài)多點標定進行精細調整。在位置標定完成后，人工輸入相關運行參數，如運動的速度數據、TCP 速率、總運行時間等，組合運用線性運動指令、關節(jié)運用指令及圓弧運動指令完成機器人動作。

圖1 機器人控制柜及示教器

3、夾具設計

根據實際貼標需求進行夾具結構設計，本裝置設計為一次可進行兩張標簽紙粘貼。夾具結構設計圖見圖2。該夾具適用于A3 標簽紙，也可經過簡單調整后用于A4/A5 標簽紙。

圖2 多用型夾具設計圖

夾具采用法蘭與機器人本體連接。罩殼設計為三角形截面，兩個貼標面的角度范圍為30°～45°，適用于同時粘貼2 張標簽紙。貼標機構主體采用橡膠吸盤安裝在聚氨酯材質吸標板上，配真空泵或真空發(fā)生器實現(xiàn)真空功能，相關檢測傳感器集成在夾具上。標簽打印完成后，夾具在機器人作用下運行至拾取位，真空打開，吸標板吸附標簽。夾具運行至貼標位置后，真空釋放，標簽放置到指定位置后進行粘貼動作。

吸標板是由聚氨酯材料制成，橡膠吸盤粘接覆蓋在貼標板基板上，在吸標板面上與吸盤相對應的位置均勻開設有多個小孔。聚氨酯材質軟硬適中，通過調整機器人粘貼的角度及力度，能較好的避免標簽起褶、翹角、氣泡等問題，標簽粘貼定位精準，外觀平整。

氣動系統(tǒng)所產生的真空由吸盤均勻分布到吸標板面上，吸標面外面的大氣壓大于所形成的真空腔內部的氣壓，進而外部氣體通過吸標面上的小孔進入真空腔內，在吸標面的外部產生對標簽的吸附力。根據標簽大小設計不同尺寸的夾具，吸標板略小于標簽尺寸，常用的A5/A4 標簽紙面大小配6個吸盤，A3 標簽配12 個吸盤。

機器人夾具上安裝有傳感器，以確認夾具是否正確吸附標簽。

4、氣動系統(tǒng)設計

氣動系統(tǒng)在本設備中占比不多，卻起著十分重要的作用。夾具吸附標簽就是靠氣動系統(tǒng)產生的負壓，將標簽吸附在吸標板上。

當前在自動化裝置中普遍使用的真空發(fā)生裝置主要有真空泵和真空發(fā)生器。

機械式的真空泵結構比較復雜，通常是采用活塞或葉輪部件進行抽氣、排氣，通過不斷地抽氣、排氣在吸氣口處產生較高的真空度。機械式真空泵一般應用于多處作業(yè)需要持續(xù)真空作業(yè)的自動化系統(tǒng)中。真空發(fā)生器是利用壓縮空氣的流動而形成一定真空度的氣動元件，與真空泵相比，它的結構簡單、體積小、質量輕、價格低、安裝方便，與配套件復合化容易，真空的產生和解除快，宜從事流量不大的間歇工作，適合分散使用。

在實際應用中，根據生產節(jié)拍及吸附標簽尺寸的差別，一般采用真空泵為吸標板提供負壓吸力。在部分生產節(jié)拍較慢，標簽尺寸較小的情況下，也可選用真空發(fā)生器為吸標板提供負吸壓力。

5、打印系統(tǒng)及噴水系統(tǒng)

造紙行業(yè)使用的標簽背面預施水溶膠，配套相應的噴水系統(tǒng)，如圖3、圖4所示，在機器人拾取標簽后進行水霧噴灑，然后進行粘貼動作。打印系統(tǒng)與生產信息管理系統(tǒng)通訊，若存在多紙種混合生產，打印系統(tǒng)可按照標簽樣式選配多紙盒打印機，系統(tǒng)可根據紙卷信息自動選擇相應標簽紙并完成打印。打印機出紙平臺裝有傳感器，以確認標簽是否打印完成及被取走。

圖3 標簽存放盤

圖4 噴水系統(tǒng)

6、控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)主機采用西門子S7-1500 系列可編程控制器（PLC），負責物流系統(tǒng)上所有設備的控制，在傳感器的配合下實現(xiàn)自動輸送包裝功能。控制系統(tǒng)采用西門子Portal 軟件，包含實現(xiàn)過程可視化控制及監(jiān)控控制和數據采集功能，實時監(jiān)控設備運行狀態(tài)。標簽打印機通過以太網和網絡數據庫相連，當紙卷到達相應的工作位置時，數據庫將相關標簽打印信息所需要的數據發(fā)送給打印機，由打印機完成紙卷的標簽打印。

機器人控制器采用PROFINET 模塊與PLC 進行通信，保證機器人與控制系統(tǒng)信息交互流暢。為方便控制，采用觸摸屏作為人機交互頁面，相關控制信息及運行狀態(tài)顯示在觸摸屏上，參數設置、故障診斷及消除等功能也通過觸摸屏設置。

三、實際應用

隨著工業(yè)自動化水平的提高，工業(yè)機器人在生產設備中的應用越來越廣泛，如圖5 所示。機器人貼標裝置滿足了紙卷輸送包裝系統(tǒng)中對標簽粘貼高效、可靠的要求，設備運行滿足工廠生產節(jié)拍要求，有效提高了生產效率，同時又提升了產品質量，提高企業(yè)的產品競爭力。該裝置具有良好的市場前景。

圖5 工業(yè)機器人在貼標系統(tǒng)中使用