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)。
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
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)。
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。
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。
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
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。
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。