提高機器人碼垛安全性

文/ 申曉瑞 黃春華 王威揚

煉化行業(yè)后道包裝線的機器人碼垛安全解決方案——近年來，隨著機器人的不斷普及，在煉化行業(yè)后道包裝線上，出現(xiàn)了越來越多的機器人碼垛車間，加速了化工產(chǎn)品倉儲物流的效率，節(jié)省了巨大的人工開支。然而，凡事都有其兩面性，在機器人帶來作業(yè)便捷的同時，其傷人事故也層出不窮。如何使得機器人在保證效率的同時提高安全性？本文將就這一課題展開研究，并針對機器人碼垛車間的應用提出安全解決方案，以供行業(yè)相關人員進行參考和借鑒。

煉化行業(yè)的后道包裝線

煉化行業(yè)的產(chǎn)品形態(tài)一般可分為：顆粒狀、粉劑狀以及液體狀以及片狀等等；對這些產(chǎn)品進行包裝的方式一般分為：袋裝包裝線、盒裝包裝線、灌裝包裝線、桶裝包裝線以及瓶裝包裝線等。其中，以袋裝包裝線和盒裝包裝線最為常見。

袋裝包裝生產(chǎn)線一般是將粉、粒狀原料生產(chǎn)過程中的稱重、供袋、取袋、裝袋、夾口、折邊、封袋、批號打印、倒袋整形、金屬檢測、重量復檢、剔除、輸送、機器人碼垛、空托盤配送、實托盤輸送、實托盤頂捆、托盤纏繞以及實托盤輸出等作業(yè)全部實現(xiàn)包裝自動化。大袋自動包裝生產(chǎn)線工程也可以形象的形容為從供袋到裝車工程。

圖1 煉化企業(yè)機器人碼垛包裝線

盒裝包裝生產(chǎn)線則是根據(jù)煉化企業(yè)下游端的要求，將多袋產(chǎn)品整合為一個紙箱，從而便于保存、運輸和銷售。其一般由紙箱開箱機、裝箱機、封箱機、捆扎機、碼垛機器人、托盤庫及輸送機、頂捆箭式全自動捆扎機以及在線式自動式纏繞膜機組成。其中還包括有：物料除塵系統(tǒng)、重量選別或金屬探測系統(tǒng)、不合格產(chǎn)品剔除系統(tǒng)（不合格的中包（重量）自動剔除到指定位置）、自動投放干燥劑設備以及角邊封箱機等系統(tǒng)。

此外，隨著智能物流和立體倉庫的加速導入，無人叉車以及AGV 也被越來越多地使用，并結合IT 層的管理和操控，數(shù)字化、智能化以及無人化的包裝產(chǎn)線整合倉儲物流將會是煉化企業(yè)后道產(chǎn)線的未來發(fā)展趨勢，如圖1 所示。

碼垛機器人的應用情況

碼垛機器人是集機械本體、計算機控制、傳感技術以及人工智能等多學科為一體的一種智能化技術裝備, 它能集成在生產(chǎn)線上的任意段,實現(xiàn)產(chǎn)品的快速獲取、搬運、裝箱、堆垛以及拆垛等作業(yè)。碼垛機器人在解決勞動力不足、提高勞動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動強度以及改善生產(chǎn)環(huán)境等方面實現(xiàn)了巨大的技術突破，如圖2 所示。

圖2 碼垛機器人的工作場景

圖3 碼垛機器人安全系統(tǒng)

國外從20 世紀60 年代開始研究工業(yè)機器人，隨著機器人技術發(fā)展的步伐不斷加快，很多發(fā)達國家開始在包裝碼垛機器人方面進行了大量的研究。最早將工業(yè)機器人技術用于物體碼放和搬運的是日本和瑞典。20 世紀70 年代末，日本第一次將機器人技術用于碼垛作業(yè)。1974 年，瑞典ABB 公司研發(fā)了全球第一臺全電控式工業(yè)機器人IRB6，主要應用于工件的取放和物料的搬運。

隨技術的不斷發(fā)展，原有的碼垛機器人在結構上不斷地被改造，并且其控制系統(tǒng)性能也得到了升級，融入了高新技術。越來越多的行業(yè)逐步導入了碼垛機器人的應用，以一個典型的煉化企業(yè)為例，美國潤滑油制造商JTM公司采用了Motoman 的Model UP165 型機器人用于箱裝和桶裝潤滑油的碼垛，該機器人為6 軸機器人，采用AC 伺服電機驅(qū)動。

我國在20 世紀80 年代以后，在經(jīng)過國家“七五”“八五”以及“九五”機器人技術攻關和“863”計劃的重點支持以及改革開放后的市場刺激下, 國內(nèi)碼垛機器人技術得到迅速發(fā)展。在20 世紀90年代末, 我國建立了7 個科研基地與9 個機器人產(chǎn)業(yè)化基地, 其中包括沈陽新松、哈工大的博實自動化等?，F(xiàn)今，國內(nèi)碼垛機器人應用逐漸普及到許多行業(yè)的后道包裝線，一般應用于生產(chǎn)量和勞動強度比較大、工傷事故率比較高的企業(yè)，比如，化 工、 煙 草、食品以及物流等等。

圖4 安全繼電器模塊及安全系統(tǒng)邏輯組態(tài)

機器人碼垛的安全解決方案

隨著碼垛機器人普及，其也帶來了許多問題，最典型的為：如何兼顧效率和安全。導致該問題的原因有主要有兩點：

第一，碼垛機器人有著笨重而復雜的機械結構，它的靈活性能和工作空間也相繼降低了很多，對環(huán)境和生產(chǎn)對象的迅速變化的適應水平不夠。在考慮碼垛機器人對人的安全時，如果人在生產(chǎn)過程中與機器人互動時都要停機，則會影響到產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

第二，碼垛機器人的智能化程度很有限，可靠性和穩(wěn)定性還有待提高。在工業(yè)4.0 趨勢下的工業(yè)生產(chǎn)，需要碼垛機器人本身實現(xiàn)智能的安全控制功能，比如，警示與減速，同時還要監(jiān)控操作員與機器人之間的安全距離，當操作人員進入到危險區(qū)域時，實現(xiàn)機器人的確實停止。

對于傳統(tǒng)的機器人碼垛工作站，為了保障安全性，其安全控制系統(tǒng)一般由：急停按鈕、安全門鎖、安全光幕和雙手按鈕來組成，各種安全設備連接到相應的安全繼電器模塊，由其來切斷機器人的動力源，實現(xiàn)安全信號觸發(fā)時機器人的動作停止，如圖3 所示。

這樣構成的安全系統(tǒng)雖然保障了安全性，但就實際生產(chǎn)現(xiàn)場而言，安全信號不停地誤觸發(fā)使得機器人不斷的停止和再啟動，而且考慮到機器人啟動前一般還需要安全專員進行現(xiàn)場安全信號的隱患排查，極大地降低了碼垛工作站現(xiàn)場的生產(chǎn)效率。

為了保證機器人碼垛工作站安全工作的同時，減少安全信號的誤觸發(fā)提高現(xiàn)場的工作效率，可以加入多層安全傳感器，并結合安全控制器，來實現(xiàn)報警、減速以及停止的多段式安全控制。

以采用上海辰竹CZSR Smart可組態(tài)型安全控制模塊，并結合分層的安全光電傳感器的安全系統(tǒng)為例，當觸發(fā)工作站內(nèi)第一級光電時，機器人以60%的速度運行并發(fā)出聲光報警；當觸發(fā)工作站內(nèi)第二級光電時，機器人以20%的速度運行；當觸發(fā)工作站內(nèi)第三級光電時，機器人運行信號被切實切斷，從而使機器人處于停止狀態(tài)。通過正常運行、減速加聲光報警以及停機的3 段式控制，避免機器人的誤停機，提高碼垛工作站的運行效率，如圖4 所示。

此外，該系統(tǒng)還兼顧工作站在清掃維護時的門鎖與安全地毯的信號監(jiān)控，其也被接入到安全控制模塊中，并進行了邏輯組態(tài)，使得整個系統(tǒng)的安全性能達到PLe Cat.4 等級，形成完整的新型機器人碼垛車間的安全整體方案。

小結

隨著煉化行業(yè)中后道包裝線中碼垛機器人技術的普遍應用，使得一個個的機器人工作站變成了新的生產(chǎn)管理對象，通過上述的安全整體方案，在顧全安全性的前提下，提高了生產(chǎn)效率，可作為案例來參考借鑒。