碼垛機(jī)械手在潤(rùn)滑油行業(yè)的應(yīng)用

張慎靖 付曉先

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司

機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按設(shè)定的程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)器手。工業(yè)機(jī)械手可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在自動(dòng)性、智能性和適應(yīng)性。近幾年來,隨著中國(guó)潤(rùn)滑油行業(yè)的不斷發(fā)展以及生產(chǎn)技術(shù)裝備的不斷革新，碼垛機(jī)械手在20 L桶和小包裝紙箱的碼垛工序中得到了廣泛應(yīng)用，逐步替代了傳統(tǒng)機(jī)械碼垛方式。碼垛機(jī)械手較原來的框架式碼垛機(jī)，在效率、空間利用、靈活多變性以及經(jīng)濟(jì)性方面都有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

碼垛機(jī)械手與傳統(tǒng)框架式碼垛機(jī)比較

傳統(tǒng)框架式碼垛機(jī)（圖1）雖然也有過輝煌的時(shí)期，但相較碼垛機(jī)械手（圖2）來說，占用空間大、通用性差、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、碼垛擺放形式固化、能耗高、維修量大。在當(dāng)前潤(rùn)滑油生產(chǎn)追求多批次、小批量、訂單化的大形勢(shì)下，傳統(tǒng)框架式碼垛機(jī)越來越不能適應(yīng)潤(rùn)滑油包裝的實(shí)際需求，逐漸被淘汰和替換。

最早將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運(yùn)的國(guó)家是日本和瑞典。20世紀(jì)70年代末，日本第一次將機(jī)器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)[1]。碼垛機(jī)械手具有作業(yè)高效、碼垛穩(wěn)定等特點(diǎn)，已在各個(gè)行業(yè)的包裝流水線中發(fā)揮了強(qiáng)大作用。其主要優(yōu)點(diǎn)有：

◇占地面積小，動(dòng)作范圍大，可減少場(chǎng)地源浪費(fèi)；

◇生產(chǎn)效率高，可以解放繁重體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“少人”或“無人”操作；

◇市場(chǎng)柔性高，適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)不同物料碼垛；

◇能耗低，可降低運(yùn)行成本；

◇定位準(zhǔn)確，穩(wěn)定性高。

鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，碼垛機(jī)械手在汽車、物流、家電、醫(yī)藥、食品飲料、液體灌裝等各類生產(chǎn)線中間環(huán)節(jié)得到了廣泛應(yīng)用。特別是近幾年來，潤(rùn)滑油生產(chǎn)的自動(dòng)化要求越來越高，碼垛機(jī)械手迅速進(jìn)入潤(rùn)滑油行業(yè)，并呈現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，逐漸受到各潤(rùn)滑油生產(chǎn)企業(yè)的追捧。

圖1 框架式碼垛機(jī)示意

圖2 碼垛機(jī)械手示意

碼垛機(jī)械手的組成

通常碼垛機(jī)械手主要由機(jī)械手本體、機(jī)械手爪、基座、控制系統(tǒng)、示教器等部件組成，再加上托盤的分拆、定位及輸送機(jī)構(gòu)，從而組成一個(gè)完整的碼垛系統(tǒng)。碼垛機(jī)械手的組成見圖3。

機(jī)械手本體

機(jī)械手本體通常指機(jī)械手臂、手腕和基座，它是機(jī)械手的主要部分，多采用優(yōu)質(zhì)輕巧的鑄鋁材料制造和連桿式關(guān)節(jié)型的機(jī)構(gòu)形式，具有較高的機(jī)械性能和抗震能力[2]。目前，應(yīng)用于潤(rùn)滑油行業(yè)的機(jī)械手多采用關(guān)節(jié)式機(jī)械手，關(guān)節(jié)式碼垛機(jī)械手常見本體多為4軸，亦有5、6軸碼垛機(jī)械手，美國(guó)潤(rùn)滑油制造商JTM公司就采用Motoman Model UP165型6軸機(jī)器人用于箱裝和桶裝潤(rùn)滑油的碼垛[3]。主流碼垛機(jī)械手本體見圖4。

機(jī)械手爪(末端執(zhí)行器)

機(jī)械手爪也稱作末端執(zhí)行器，作為碼垛機(jī)械手的重要組成部分之一，其對(duì)碼垛機(jī)械手的整體工作性能具有非常重要的意義。根據(jù)不同的產(chǎn)品，可設(shè)計(jì)不同類型的機(jī)械手爪，使得碼垛機(jī)械手可高效的完成碼垛工作。

常見碼垛機(jī)器手的機(jī)械手爪包括吸附式、夾板式、抓取式、組合式，見圖5。在潤(rùn)滑油碼垛行業(yè)主要采用抓取式和夾板式，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)20 L桶和紙箱的抓取。

抓取式手爪是一種可靈活適應(yīng)于不同口徑不同高度的潤(rùn)滑油中桶碼垛的抓取工具，與轉(zhuǎn)桶機(jī)構(gòu)配合可以實(shí)現(xiàn)桶標(biāo)的一致性碼放。

夾板式手爪是紙箱碼垛過程中最常用的一類手爪，常見類型有單板式 、雙板式和多板式，主要用于潤(rùn)滑油小包裝線整箱碼垛。夾板式手爪加持力度可以通過減壓閥調(diào)整，兩側(cè)板光滑不會(huì)損傷碼垛產(chǎn)品外觀質(zhì)量，為防止紙箱滑落，側(cè)板一般都會(huì)有可旋轉(zhuǎn)爪鉤。

碼垛機(jī)械手的運(yùn)行

碼垛機(jī)械手運(yùn)行步驟

碼垛機(jī)械手在自動(dòng)模式啟動(dòng)后，需要和輸送系統(tǒng)自動(dòng)交換信號(hào)來完成系統(tǒng)的整體運(yùn)作。一般來說，機(jī)械手完成零點(diǎn)定位后，要實(shí)現(xiàn)從紙箱抓取到碼放完成需要以下幾個(gè)步驟：

◇確定機(jī)械手待抓位置；

◇手爪下降到抓箱高度；

◇實(shí)現(xiàn)夾板平移待抓；

◇實(shí)現(xiàn)夾板的夾持動(dòng)作；

◇手爪升高到超越障礙高度；

◇實(shí)現(xiàn)過程移動(dòng)；

◇到待落位置；

◇完成紙箱擺放；

◇實(shí)現(xiàn)高度提升；

◇實(shí)現(xiàn)返回零點(diǎn)。

碼垛機(jī)械手運(yùn)行控制程序

圖3 碼垛機(jī)械手組成示意

圖4 主流碼垛機(jī)械手本體

一般來說，碼垛機(jī)械手可以滿足1～2條灌裝線的碼垛。一對(duì)一的碼垛程序相對(duì)簡(jiǎn)單，而一對(duì)二的碼垛程序則較為復(fù)雜。要實(shí)現(xiàn)一臺(tái)碼垛機(jī)械手對(duì)兩條灌裝線的同時(shí)碼垛，就需要一個(gè)基本的程序架構(gòu)：即一個(gè)主程序和兩個(gè)子程序。主程序用于定義A、B兩條灌裝線的不同碼放排數(shù)，實(shí)現(xiàn)和外圍配套系統(tǒng)的條件交換，針對(duì)不同的條件調(diào)用子程序。子程序分別實(shí)現(xiàn)A、B灌裝線的碼放過程，主要實(shí)現(xiàn)不同箱型的尺寸定義、碼放形式的定義，實(shí)現(xiàn)碼放分解過程、判斷是否滿垛，以及滿垛后通過主程序?qū)崿F(xiàn)排垛過程等。碼垛機(jī)械手程序邏輯流程見圖6。

需要說明的是，現(xiàn)在的工業(yè)碼垛機(jī)械手基本都具有了智能識(shí)別能力，不同型號(hào)的碼垛機(jī)械手嚴(yán)格限制了抓取重量，并可以通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)準(zhǔn)確計(jì)算出抓取物的重量，對(duì)不同重量的抓取物匹配精確的扭矩軌跡，當(dāng)碼放過程中出現(xiàn)碰撞或其他異常時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)報(bào)警。通常在碼垛機(jī)械手的工作區(qū)域一般要求配置防護(hù)網(wǎng)或有光柵保護(hù)，防止操作人員誤入引起人員傷害。

碼垛機(jī)械手選型的一般原則

在潤(rùn)滑油行業(yè)，碼垛機(jī)械手主要用于實(shí)現(xiàn)20 L桶的碼桶作業(yè)和1 L～6 L桶的碼箱作業(yè)，選型主要考慮碼垛機(jī)械手的承載能力和到達(dá)距離。承載能力包含手爪的重量和抓取物的重量，到達(dá)距離是指機(jī)械手臂所能到達(dá)的范圍。以潤(rùn)滑油行業(yè)最常使用的ABB碼垛機(jī)械手IRB460和IRB660為例：IRB460承載能力110 kg，到達(dá)距離2.4 m；IRB660承載能力有180 kg和250 kg 2種規(guī)格，到達(dá)距離3.15 m，以上2種碼垛機(jī)械手非常適合應(yīng)用于袋、盒、紙箱、瓶等包裝形式的物料碼垛。若受任務(wù)限制，如想實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)械手對(duì)兩條或多條生產(chǎn)線的碼垛，需要首先考慮碼垛機(jī)械手的到達(dá)距離。

碼垛機(jī)械手技術(shù)新發(fā)展

機(jī)械手本體技術(shù)

近幾年瑞典 ABB 公司推出了全球最快碼垛機(jī)器手IRB-460 ，操作節(jié)拍可到達(dá)2 190次/h，運(yùn)行速度比常規(guī)碼垛機(jī)器手提升 15% ，作業(yè)覆蓋半徑達(dá)到 2.4 m，占地面積比一般碼垛機(jī)器人節(jié)省 20% 。德國(guó)KUKA 公司碼垛機(jī)器手KR 180-2 PA Arctic ，可在 -30 ℃下以 180 kg 全負(fù)荷進(jìn)行工作，且無防護(hù)罩和額外加熱裝置，創(chuàng)造了碼垛機(jī)械手在寒冷條件下的極限。

圖5 常見碼垛機(jī)械手的機(jī)械手爪

圖6 碼垛機(jī)械手程序邏輯流程

控制系統(tǒng)技術(shù)

ABB 公司新出品的 IRC5 控制器，不僅繼承了前幾代控制器在運(yùn)動(dòng)控制、柔性、通用性、安全性、可靠性的優(yōu)勢(shì)，且在模塊化、用戶界面、多機(jī)器人控制等方面取得了全新性突破。 KUKA 公司新出品的KRC4 控制器具有高效、安全、靈活和智能化等優(yōu)點(diǎn)，將安全控制、機(jī)器人控制、運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制及工藝控制集中在一個(gè)開放高效數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架中，具有高性能、可升級(jí)和靈活性等特點(diǎn)。

以上設(shè)備均在國(guó)內(nèi)潤(rùn)滑油灌裝線碼垛環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了典型應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)

隨著機(jī)械手技術(shù)的不斷進(jìn)步和國(guó)內(nèi)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的普遍需求，機(jī)械手的生產(chǎn)成本必然出現(xiàn)規(guī)?；南陆担鴩?guó)內(nèi)人力成本的不斷高漲更會(huì)推動(dòng)機(jī)械手在潤(rùn)滑油生產(chǎn)環(huán)節(jié)的普及，未來除了碼垛工序外，在自動(dòng)上桶、自動(dòng)上蓋、自動(dòng)分揀、自動(dòng)裝箱等工序都可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)人和傳統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的替代，很值得大力研究和推廣。