煙草生產物流中機器人作業的應用

張鶴松

摘要：在煙草工業自動化物流系統中，成品件煙堆拆垛、卷煙輔料堆碼搭配、煙包剪帶拆膜去蓋、煙絲箱堆疊等物料處理環節應用機器人技術，降低了人工勞動強度，提高了作業效率。

關鍵詞：煙草工業、自動化物流、機器人技術

煙草工業對生產物流自動化技術的應用一直處于國內領先地位，目前，多數卷煙廠都已實施了生產物流自動化，從煙葉醇化到成品發貨，從制絲分組加工到儲葉儲絲模塊化精益生產，自動化物流系統工藝融入到卷煙生產裝備工藝中，實現了工廠生產自動化(FA)。例如，紅河煙廠自1998年開始陸續實施了煙葉配方、輔料、成品、備件等自動化物流系統，其設備性能、電氣控制、計算機信息管理等方面都接近國際先進水平，并且在自動化物流作業環節中，成功采用工業機器人對卷煙成品進行堆碼、拆垛作業，對木夾板煙包進行剪鋼帶、拆薄膜、去夾板作業，對輔料搭配在國內外率先開發使用帶視覺識別的移動式機器人系統，能對多品種、多規格的卷煙輔料根據生產需要按不同的配方進行任意搭配，實現卷煙輔料的自動堆碼搭配與供給。在這些物流環節采田機器人作業模式，大打降低了人工勞動強度，提高了作業效率，改善了作業環境。

工業機器人概述

工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備，目前，機器人技術及其產品已成為柔性制造系統(FMS)、自動化工廠(FA)、計算機集成制造系統(ClMS)的自動化工具。工業機器人的廣泛應用，不僅可提高產能、保證質量，而且對保障人身安全、改善勞動環境、減輕勞動強度、節約原材料消耗，以及降低生產成本有著十分重要的意義。

工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數工業機器人有3－6個運動自由度，其中腕部通常有1－3個運動自由度；驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作；控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，并進行控制。

工業機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉、俯仰和伸縮；關節型的臂部有多個轉動關節。

按執行機構運動的控制機能，工業機器人又可分點位型和連續軌跡型。點位型只控制執行機構由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業；連續軌跡型可控制執行機構按給定軌跡運動，適用于連續焊接和涂裝等作業。

具有觸覺、力覺或簡單視覺的工業機器人能在較為復雜的環境下工作。如具有識別功能或更進一步增加自適應、自學習功能，即成為智能型工業機器人，它能按照人工給的“宏指令”自選或自編程序去適應環境，并自動完成更為復雜的工作。

機器人在成品件煙碼拆垛作業中的應用

在卷煙廠生產物流系統中，成品自動化物流系統是基于對成品收集、分類、儲存、分發、銷貨環節進行一體化自動控制和實現調度管控信息智能化的系統，能夠不同程度地實現產品的自動分類、自動碼垛、自動出入存、自動移盤庫、響應訂單組配貨、自動發貨裝車和相對應的產品信息的精確統計追蹤。入庫的基本流程為：卷接包生產線一裝封箱線一分揀及機器人件煙碼垛系統一立體倉庫；出庫的基本流程為：立體倉庫一機器人件煙折垛系統一分揀組配發貨。

成品件煙的堆碼垛型一般為24、28、30件/托盤，如圖1所示。

1堆垛應用

機器人的標準堆垛工位一般由2－3個輸入線和2－3個堆垛工位組成。作業時，件煙豎立姿態輸入，對于非頂層件煙，機器人手腕以頂吸(或底托叉)方式一次吸3件或者吸2件，按“3縱2橫+2橫3縱”方式組成首層，第二層反之，直至頂層；在頂層機器人單件作業，手腕旋轉90。以平放躺方式放置頂層件煙。圖2為機器人件煙堆碼三維示意圖。

2拆垛應用

機器人的標準拆垛工位由2個拆垛工位和1個輸出線(包括翻轉機構)組成。對于平躺姿態的件煙，在拆垛時，機器人平行吸取件煙，直接放置到輸出線上輸出。對于豎直姿態的件煙。拆垛時，機器人平行吸取件煙，放置到輸出線上的翻轉機構上，由翻轉機構依次將件煙翻倒輸出。圖3為機器人件煙拆碼三維示意圖。

機器人在卷煙輔料搭配作業中的應用

在卷煙輔料自動化物流系統中，需要將不同品種規格的輔料堆碼到托盤上完成物料組盤，然后存入立庫系統，再根據卷接機組的需要配送到機組站臺。在輔料組盤過程中，由于輔料品種的多樣性，一般均采用人工作業，但人工勞動強度大，現場管理凌亂，因此紅河、合肥煙廠等采用了ABB機器人完成輔料自動堆碼搭配作業。

由于輔料品種規格形狀各異，要實現自動堆碼作業有較大難度，為此采用一套帶有視覺識別系統的移動式機器人進行輔料搭配堆碼作業。

視覺識別移動式機器人系統是集機器人手臂圖像識別系統、手臂吸夾具系統、手臂找定位傳感控制系統、機器人數控穿梭行走系統以及計算決策上位機為一體的開放柔性自動化系統。系統視覺識別部分對靜態(隨機出現的物品被輸送到指定的站臺位置)或動態(隨機出現的物品在輸送鏈上移動不停留)的不同物品以及靜態或動態的同一物品不同的放置面、放置方向可實現視覺識別定位。已被識別和定位的物品，由機器人根據已獲得的物品類型、位置信息選擇夾具抓取物品，再根據物品需放置的站臺位置行走至該站臺，完成對物品的拆垛、搬運或碼垛等任務，最終實現物品的自動搭配裝盤。

計算決策上位機傳輸輔料信息給機器人，并發出工作指令，機器人根據輔料配方指令，通過數控有軌車移動到各個物料站臺，利用光學視覺系統識別各種輔料的形狀和位置，然后機器人自動調換相應夾具，對輔料進行自動揀取、堆碼、搭配。圖4為帶有軌道的移動式機器人。

機器人在煙包拆帶開箱作業中的應用

煙葉原料的外包裝主要有紙箱和木夾板兩種形式，并附有包裝尼龍帶、鋼帶、薄膜等。在制絲線煙包作業環節中，對于紙箱煙包，一般采用人工剪包裝帶、拿出箱內墊紙，再由煙包開包機倒出煙包實現煙包開包；對于木夾板煙包，一般采用人工剪鋼帶、撕掉塑料薄膜，再通過旋轉開包輸送機配合取木夾板。采用機器人自動拆帶開箱，一般配置專用夾具、輔具實現全自動的煙包開包，對于紙箱煙可實現自動剪包裝帶、取墊紙，完成紙箱與煙包的分離；對于木夾板煙包，可實現自動剪鋼帶、拆薄膜、去夾板，完成夾板與煙包的分離。在機器人自動開包系統中，配置相關輔助裝置，可實現紙箱、木夾板自動折疊、鋼帶自動剪斷等作業，整個流程的自動化、智能化程度很高，充分體現了工業機器人對復雜軌跡運動的動態特性。圖5為機器人自動開包系統配置方案。

機器人在煙絲箱碼拆作業中的應用

近年來，隨著煙草加工向精益化、精細化、個性化方向發展，傳統的煙絲柜儲方式逐漸轉變為箱儲模式，便于半成品煙絲小批量精確攙兌，并實現成品煙絲對制絲線小單元送絲。為了提高存儲和輸送效率，需要將煙絲箱進行堆疊和拆垛，除了專用堆碼機外，可采用機器人進行堆拆作業。

基本流程為：煙絲箱輸送到站臺工位，機器人抓取后旋轉搬運到堆碼站臺，堆疊在另一個煙絲箱上方，拆垛時動作順序相仿。同時，機器人以單箱方式抓取箱體，可完成翻箱倒料作業，并在光學視覺系統和清掃裝置的配合下，完成箱體內側殘留煙絲的清掃工作。由于箱體長寬高尺寸均大于1米，抓取重量超過150千克，開發了較大寬度尺寸的機器人夾具，并選用手腕持重和臂展半徑較大的機器人本體型號。圖6為機器人抓取煙絲箱的三維示意圖。

工業機器人作為一種通用型的智能設備，其本體功能基本能滿足煙草工業自動化物流物料處理的抓取及堆拆碼要求，難點在于夾具、輔具的適應性和穩定性。通用型機器人在智能性方面能滿足一些特殊的物料處理作業，但在大流量物流系統中動作節拍的效率遜于專機設備。隨著煙草工業生產自動化水平的不斷提高，工業機器人在卷煙自動化物流系統中的應用將會越來越深入和廣泛，對于在物流系統工藝流程設計中如何有效集成和應用，以及機器人主機性能、夾具輔具功能等方面的完善提高將會有更多的研究和應用。