碼垛機(jī)器人技術(shù)在解決勞動(dòng)力不足、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力。國外從20世紀(jì)60年代開始研究工業(yè)機(jī)器人,碼垛機(jī)器人是伴隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的,日本、德國、美國等發(fā)達(dá)國家的研究已取得一定成果。

國外碼垛機(jī)廠家的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

最早將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運(yùn)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)。1974年,瑞典ABB公司研發(fā)了全球第一臺(tái)全電控式工業(yè)機(jī)器人IRB6,主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運(yùn)。除此之外,德國、意大利、韓國等國家工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)水平也相當(dāng)高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)以及人工智能控制等技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟,日本、德國、美國、瑞典、意大利、韓國等國家在包裝碼垛機(jī)器人的研究上做了大量工作,相應(yīng)推出了自己的碼垛機(jī)器人,如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列,德國的KUKA系列,瑞典的ABB系列等。德國、瑞典以及日本等國家的碼垛機(jī)器人一般為4～6軸機(jī)器人,主要由固定底座、連桿、連桿臂、臂部、腕部以及末端執(zhí)行器組成,見圖1。機(jī)器人主體多采用優(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,均利用CAD和FEM有限元技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),具有較高的機(jī)械性能和抗震能力。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均采用模塊式數(shù)字化AC伺服電機(jī)和RV減速器,取消了腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和平衡塊,大大優(yōu)化了整機(jī)結(jié)構(gòu);針對(duì)不同類型的產(chǎn)品和包裝件,還設(shè)計(jì)了真空吸持、夾持、叉式等多種形式的智能末端執(zhí)行器。這些先進(jìn)碼垛機(jī)器人最顯著的技術(shù)特點(diǎn)就是采用了基于PC的開放式控制系統(tǒng),令機(jī)器人能夠高速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。如瑞典ABB公司為IRB系列碼垛機(jī)器人研發(fā)了主動(dòng)安全軟件和被動(dòng)安全軟件,可對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和載荷情況進(jìn)行監(jiān)控;電子穩(wěn)定路徑功能可確保機(jī)器人在考慮加速度、阻力、重力、慣性等條件的同時(shí),遵循預(yù)定運(yùn)行路徑;主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)可以確保機(jī)器人維持運(yùn)行路徑的同時(shí)對(duì)制動(dòng)予以控制,被動(dòng)安全功能可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人進(jìn)行負(fù)載識(shí)別。日本FANUCM410i系列碼垛機(jī)器人軟件體系也非常強(qiáng)大,PalletTool/Palle2tPROTM用于碼垛設(shè)置、仿真和操作;SupportsColli2sionGuardTM用于減少機(jī)器人、夾持器、箱/袋以及外圍設(shè)備的碰撞損壞;基于網(wǎng)絡(luò)的軟件工具用于遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)、診斷和生產(chǎn)監(jiān)控;還專門配備了機(jī)器視覺引導(dǎo)系統(tǒng),用于引導(dǎo)機(jī)器人完成拆垛和檢查工作。

應(yīng)用現(xiàn)狀

國外先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和高度發(fā)達(dá)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)使得碼垛機(jī)器人在各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。奧地利、瑞士、挪威等國家的釀酒廠、咖啡企業(yè)以及食品生產(chǎn)廠家,為減輕工人的負(fù)擔(dān),提高生產(chǎn)能力,降低產(chǎn)品破損率,利用2～3臺(tái)KUKA碼垛機(jī)器人,借助特殊的智能末端執(zhí)行器,精準(zhǔn)地抓取(或吸取)紙盒、香蕉紙箱、啤酒塑料箱或托盤,完成搬運(yùn)和碼垛(或拆垛)。基于PC的控制平臺(tái)確保機(jī)器人能同時(shí)處理4條生產(chǎn)線和多種類型產(chǎn)品,整個(gè)過程中對(duì)象不會(huì)承受過大的夾持力或吸力,而且緊湊的設(shè)計(jì)使機(jī)器人的占地面積和工作空間達(dá)到了理想的水平。

美國潤滑油制造商JTM公司選擇MotomanModelUP165型機(jī)器人用于箱裝和桶裝潤滑油的碼垛,該機(jī)器人為6軸機(jī)器人,采用AC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。專門設(shè)計(jì)的真空吸附式末端執(zhí)行器由23個(gè)直徑為75mm的真空吸頭組成,每個(gè)真空吸頭的控制閥由PLC實(shí)現(xiàn)控制,可一次吸取2個(gè)箱子或3個(gè)桶。采用碼垛機(jī)器人后,每年可完成200000桶和150000箱潤滑油的碼垛作業(yè),是人工工作量的近2倍。

EricHemmingson指出ABBFlexPalletizerIRB640型碼垛機(jī)器人極大迎合了食品和飲料行業(yè)的需求,可用于紙盒、箱、袋類產(chǎn)品的包裝、碼垛、拆垛,其最大的特點(diǎn)之一就是弧形的上部手臂。腕關(guān)節(jié)的后仰不需要轉(zhuǎn)動(dòng)上部手臂,而由和上部手臂平行的連桿驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。真空夾持器的動(dòng)作由電磁控制器和真空泵實(shí)現(xiàn)。該碼垛機(jī)器人的“大腦”是ABBS4C控制系統(tǒng),系統(tǒng)的核心是基于微處理器的控制器,利用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)通訊。該控制系統(tǒng)配備一個(gè)存有不同狀況信號(hào)的雙通道安全系統(tǒng),確保機(jī)器人安全運(yùn)行。

Hershey公司利用3臺(tái)Motoman碼垛機(jī)器人將3條生產(chǎn)線上不同類型的糖果紙箱集中碼放在一個(gè)貨盤上,然后送到發(fā)貨中心。不同類型紙箱的碼垛模式已經(jīng)編好程序輸入機(jī)器人,每一層的碼放模式由紙箱尺寸決定,如果紙箱尺寸發(fā)生變化,預(yù)存的碼垛程序需由技術(shù)人員從內(nèi)存中調(diào)出,從而實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。每臺(tái)機(jī)器人安裝了柔性真空吸附系統(tǒng),可自動(dòng)控制需要觸發(fā)的吸附手個(gè)數(shù),以滿足所需要拾取紙箱的個(gè)數(shù)。

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