一種新型機(jī)器人雙用夾具在煙箱碼垛過程中的應(yīng)用分析

伍建忠

（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣東廣州 510310）

一種新型機(jī)器人雙用夾具在煙箱碼垛過程中的應(yīng)用分析

伍建忠

（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣東廣州 510310）

對(duì)煙草行業(yè)的機(jī)器人煙箱碼垛方式進(jìn)行了分析研究，指出單用夾具在機(jī)器人碼垛過程中存在的問題和缺點(diǎn)，提出一種新型雙用夾具的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)這種新夾具的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，其優(yōu)點(diǎn)明顯，值得應(yīng)用推廣。

煙箱；碼垛；機(jī)器人；夾具

0 前言

近年來，物流高架庫逐漸普及應(yīng)用，國內(nèi)大型卷煙生產(chǎn)企業(yè)的成品庫普通采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行托盤碼垛的方式進(jìn)行入庫，碼垛方式一般是采用單夾具吸盤對(duì)煙箱進(jìn)行碼垛，按一定的碼垛形式，以24件或28件煙箱為一整托盤，然后通過堆垛機(jī)進(jìn)入高架庫區(qū)進(jìn)行存放。配合機(jī)器人碼垛，一般需要通過機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行托盤組的拆垛和木托盤的輸送定位，因此，這種傳統(tǒng)的托盤碼垛方式占用了較多的場(chǎng)地來擺放輸送設(shè)備，而且由于輸送機(jī)構(gòu)距離較長(zhǎng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較多而增加了故障停機(jī)因素。

由于工業(yè)機(jī)器人是標(biāo)準(zhǔn)化的先進(jìn)設(shè)備，具有高靈活性、高精確度和高可靠性等特點(diǎn)[1]，其應(yīng)用范圍也越來越廣，其它行業(yè)早已有利用機(jī)器人進(jìn)行托盤抓取定位的應(yīng)用案例，因此，能否可以將機(jī)器人的碼垛方式由單用夾具改為雙用夾具的方式，利用碼垛機(jī)器人夾取木托盤代替機(jī)械輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行木托盤的拆分和輸送定位，變單用機(jī)器人為兩用機(jī)器人，提高機(jī)器人的利用率，減少場(chǎng)地的占用，減少設(shè)備投資，值得進(jìn)行分析研究。

1 機(jī)器人單用夾具的碼垛模式分析

機(jī)器人單用夾具的煙箱碼垛模式，是根據(jù)每臺(tái)機(jī)器人所需要處理的煙箱牌號(hào)數(shù)量、處理速度、煙箱堆疊方式等方面進(jìn)行綜合考慮，每臺(tái)機(jī)器人可以同時(shí)負(fù)責(zé)多條分道的煙箱碼垛工作，在實(shí)際使用過程中，每個(gè)企業(yè)采取的碼垛形式不盡相同，但普遍采取每臺(tái)機(jī)器人負(fù)責(zé)兩條通道的煙箱碼垛方式，一般工業(yè)機(jī)器人的碼垛速度最高可達(dá)12件/分鐘[2]。機(jī)器人一般采取6軸旋轉(zhuǎn)機(jī)器人，機(jī)器人的動(dòng)作可以通過應(yīng)用程序設(shè)定固定的動(dòng)作，并通過一個(gè)吸盤夾具，就可將成品煙箱按一定的抓取規(guī)律整齊碼放在托盤上，這已經(jīng)是較為成熟可靠的方式，但對(duì)于碼盤工位上的空托盤如何補(bǔ)充，則應(yīng)用方案形式多樣，主要是由于木托盤在庫區(qū)的儲(chǔ)存方式普遍是以托盤組的方式存儲(chǔ)，每組6～10個(gè)托盤，要將托盤組拆成單一托盤，并輸送至碼垛工位，采取的機(jī)械傳輸方案形式多樣，經(jīng)了解，多數(shù)煙廠選擇以下兩種方案。

（1）方案一

統(tǒng)一在入庫區(qū)內(nèi)設(shè)一個(gè)或多個(gè)拆盤機(jī)，托盤組集中拆盤后由輸送系統(tǒng)輸送至多個(gè)機(jī)器人的碼垛工位，詳見圖1。

托盤組經(jīng)輸送機(jī)從庫區(qū)出來，經(jīng)拆盤機(jī)拆盤后，空托盤經(jīng)輸送機(jī)輸送，經(jīng)碼盤工位進(jìn)行碼垛，碼垛完畢后經(jīng)輸送機(jī)回庫上架。

圖1 方案一

由圖1看出，此方案中，需要安裝數(shù)量較多的長(zhǎng)距離輸送機(jī)，而且還需要占用大量的庫區(qū)場(chǎng)地。因此，這個(gè)方案具有投資費(fèi)用高、占用場(chǎng)地多、故障點(diǎn)多等缺點(diǎn)。

（2）方案二

托盤組經(jīng)穿梭車出庫，在機(jī)器人兩個(gè)碼垛工位之間建立托盤組工位，在每個(gè)托盤組工位上設(shè)拆盤機(jī)，再通過提升移栽機(jī)送至碼垛工位。

方案如圖2所示。托盤組下架后通過穿梭車、輸送機(jī)等運(yùn)送到托盤組工位，拆盤機(jī)將托盤組分拆后，單空托盤經(jīng)提升移栽機(jī)輸送至碼垛工位。此方案中貨物輸送路徑較短，使用輸送機(jī)數(shù)量少，受場(chǎng)地大小的制約較低，且設(shè)備運(yùn)行效率也明顯高于上一方案，但需要為每一臺(tái)機(jī)器人配套一臺(tái)拆盤機(jī)及提升移栽機(jī)等相應(yīng)的設(shè)備，而且受拆盤機(jī)拆盤時(shí)間、提升移栽機(jī)動(dòng)作時(shí)間等因素制約，運(yùn)行效率仍然不高。

圖2 方案二

以上兩種方案由于采用機(jī)械傳輸機(jī)構(gòu)，不可避免地存在占用場(chǎng)地多，投資費(fèi)用高和故障點(diǎn)多等缺點(diǎn)。

2 機(jī)器人雙用夾具的碼垛設(shè)計(jì)方案

由于機(jī)器人使用不同的夾具，均可以夾取煙箱和木托盤，如果設(shè)計(jì)一種雙用夾具，可以由同一機(jī)器人分別夾取煙箱和木托盤，那么，只需要一個(gè)托盤組工位，將托盤組工位設(shè)在兩個(gè)碼垛工位之間。如圖3所示。

圖3 雙用夾具碼垛方案

托盤組下架后經(jīng)輸送機(jī)、穿梭車送到拆盤工位。正常碼垛時(shí)機(jī)器人用吸盤夾具工作，吸取件碼放于碼垛工位上的托盤上，一托盤碼垛完成后，托盤向前輸送，由穿梭車送至貨架區(qū)；機(jī)器人雙用夾具翻轉(zhuǎn)，用木托盤夾具抓取拆盤工位上的托盤，放置于碼垛工位上，再開始下一輪的碼垛工作[3]。可以看到，這種碼垛方案，整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用設(shè)備少，不需要拆盤機(jī)、移栽機(jī)、橫向輸送機(jī)、長(zhǎng)距離輸送機(jī)等設(shè)備，設(shè)備之間的距離更緊湊，節(jié)省了位置。最重要的是，由機(jī)器人直接抓取托盤，速度更快，大大提高了工作效率，而且還多出一個(gè)托盤組緩沖工位，進(jìn)一步提高了工作效率。從而可以克服用機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行托盤組分拆和輸送定位投資費(fèi)用高、占用場(chǎng)地、故障點(diǎn)多等缺點(diǎn)。

3 雙用夾具在實(shí)際使用中的應(yīng)用效果

廣州卷煙廠是一家異地技改的大型現(xiàn)代化卷煙生產(chǎn)企業(yè)，年生產(chǎn)能力達(dá)150萬大箱/年，其自動(dòng)化成品物流高架庫設(shè)計(jì)要求：采用托盤碼垛方式入庫存儲(chǔ)，共設(shè)計(jì)6臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行碼垛，每臺(tái)機(jī)器人對(duì)兩個(gè)工位煙箱進(jìn)行碼垛，每托盤28件，碼垛速度要求達(dá)到10件/分。正是考慮到使用雙用夾具的優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)際碼垛方案設(shè)計(jì)如下：

碼垛機(jī)器人選用ABB公司的IRB6640型號(hào)機(jī)器人，為6軸可轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使用IRC5電子控制系統(tǒng)，編程設(shè)定機(jī)器人動(dòng)作，采用雙用夾具分別進(jìn)行煙箱和木托盤夾取，碼垛方式如圖3。

雙用夾具的設(shè)計(jì)：正反面分別綜合應(yīng)用了吸盤式夾具和木托盤夾具這兩種成熟應(yīng)用的夾具，這種雙用夾具有兩面，一面是吸盤，用正壓經(jīng)真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓吸力，用于吸起煙箱，每次最多可以吸取兩件煙箱。另一面是一個(gè)用氣缸推動(dòng)的鋁質(zhì)夾爪，可用于抓起托盤。功能上這種夾具滿足使用的要求，且兩種功能均為正壓氣動(dòng)，安裝實(shí)施時(shí)在提供動(dòng)力上也較為簡(jiǎn)單。如圖4，上圖是用吸盤吸取煙箱的方式，下圖是用夾爪抓起托盤的方式。

IRB6640型機(jī)器人最大負(fù)載約150 kg，實(shí)際抓取質(zhì)量不大于50 kg，因此夾具整體重量不能大于100 kg。因機(jī)器人有效抓取質(zhì)量有限，為降低雙用夾具的重量，設(shè)計(jì)要求整體結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安全可靠，另夾具材質(zhì)選用高強(qiáng)度的鋁合金材料[1]，鋁合金使材料本身的重量減輕，另在材料上挖一些孔以減輕整體夾具的重量，以滿足機(jī)器人的負(fù)載要求。木制托盤采用四向進(jìn)叉歐式，自重不大于50 kg。

在實(shí)際應(yīng)用中，成品件煙經(jīng)過車間件煙輸送線進(jìn)入成品庫入庫區(qū)，匯流進(jìn)入分揀線，分揀線通過掃描一號(hào)工程條碼將不同品牌件煙分揀到設(shè)定好的通道，位于通道末端的機(jī)器人用雙用夾具抓取件煙，碼放于托盤上，木托盤也是通過機(jī)器人進(jìn)行抓取定位，碼盤完畢后托盤經(jīng)輸送機(jī)、穿梭車運(yùn)送至貨架區(qū)，由堆垛機(jī)運(yùn)送上貨架。

采取這種雙用機(jī)器人夾具的碼垛入庫方案，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，機(jī)器人抓取一次空托盤的最大時(shí)間為15秒，而煙草行業(yè)機(jī)器人碼盤平均速度為12件/分鐘[2]，加上這15秒的換托盤時(shí)間，綜合碼盤平均速度仍達(dá)到11件/分鐘，超過了10件/分鐘的設(shè)計(jì)要求。相對(duì)于單用夾具的碼垛方式，雖然雙用夾具稍微復(fù)雜一些，但相應(yīng)的配套設(shè)備卻大大簡(jiǎn)化了，設(shè)備投入相應(yīng)減少，并且減少了庫區(qū)場(chǎng)地的占用，設(shè)備整體的保養(yǎng)和維護(hù)也更為方便。自2012年廣州卷煙廠投入生產(chǎn)以來，使用機(jī)器人雙用夾具進(jìn)行碼垛這種模式已經(jīng)運(yùn)行了約兩年，設(shè)備故障率極低，可靠性很高，完全滿足機(jī)器人碼垛入庫的設(shè)計(jì)要求。

圖4 實(shí)際應(yīng)用

4 結(jié)論

綜上所述，碼垛機(jī)器人使用雙用夾具在卷煙行業(yè)的煙箱碼垛入庫具有實(shí)用性、可靠性較好、整體方案成本低等優(yōu)點(diǎn)，并在廣州卷煙廠得到成功應(yīng)用，值得在煙草行業(yè)及其他行業(yè)應(yīng)用推廣。

［1］李智峰.一種新型夾具在機(jī)器人紙箱堆垛中的應(yīng)用［EB/OL］.http：//wenku.baidu.com/view/014a47755ac?fa1c7aa00cc0b.html.2013-03-08.

［2］楊灝泉，李濤，張勇，等.成品煙箱拆垛、碼垛SCARA機(jī)器人研制［A］.2004年煙草機(jī)械學(xué)術(shù)研討會(huì)文集［C］.2004：59-65.

［3］柳國光，陳暉，王濤，等.基于Motoman-Mpl100的全自動(dòng)飼料碼垛系統(tǒng)研究［J］.機(jī)電工程，2014（02）：221-223.

Application of a New Type of Double Fixture for Stacking Cigarette Cartons by Robot

WU Jian-zhong
（China Tobacco Guangdong Industrial Co.，Ltd，Guangzhou 510310，China）

This paper introduces the mode of stacking cigarette cartons by robot in tobacco industry，it is pointed out that single fixture in robot stacking process problems and shortcomings，puts forward a new type of double fixture design，analyzes actual application effect of the new fixture.It has obvious advantages and worthy of promotion and application.

cigarette carton；stacking；robot；fixture

TG756

：B

：1009－9492(2014)10－0094－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.026

伍建忠，男，1972年生，廣東臺(tái)山人，大學(xué)本科，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：機(jī)械制造及工業(yè)工程。已發(fā)表論文4篇。

(編輯：王智圣)

2014－04－18