插袋機械手研制及其在工程領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景

羅　扉，王會良

插袋機械手研制及其在工程領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景

羅扉1，2，王會良1

（1.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 洛陽471023；2.洛陽理工學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，河南 洛陽471003）

我國90%以上的水泥廠的自動包裝機采用的是人工插袋，由于工作現(xiàn)場粉塵污染嚴(yán)重，對取袋操作人員的身體會造成極大的危害。隨著工業(yè)機器人的發(fā)展和普及，全自動插袋機器人逐漸從實驗室走向生產(chǎn)車間，經(jīng)濟全球化的發(fā)展，世界范圍內(nèi)各類資源的整合，使得插袋機器人的研發(fā)和生產(chǎn)成本不斷降低，工作效率也在不斷提高，全自動插袋機器人已經(jīng)逐漸向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

插袋；機械手；現(xiàn)狀；發(fā)展方向

成品水泥運輸出廠一般分為散裝和袋裝兩種。袋裝水泥需要將成品水泥灌裝入水泥袋中。國內(nèi)90%以上的水泥廠的自動包裝機采用的是人工插袋，由于工作現(xiàn)場粉塵污染嚴(yán)重，對取袋操作人員的身體會造成極大的危害，如圖1所示，且工作強度大，單調(diào)乏味，工作效率低。雖然個別企業(yè)已采用進(jìn)口的全自動水泥包裝設(shè)備，但價格高昂，且其自動插袋模塊難以與國內(nèi)生產(chǎn)的回轉(zhuǎn)式水泥自動包裝機配套使用，不利于我國水泥包裝自動化的實現(xiàn)。我國水泥包裝設(shè)備的自動化水平已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外同類設(shè)備，急需換代升級，將工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來，從單調(diào)范圍的重復(fù)性工作中解放出來。

圖1　水泥廠插袋工人工作照

1　相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著工業(yè)機器人的發(fā)展和普及，全自動插袋機器人逐漸從實驗室走向生產(chǎn)車間，經(jīng)濟全球化的發(fā)展，世界范圍內(nèi)各類資源的整合，使得插袋機器人的研發(fā)和生產(chǎn)成本不斷降低，工作效率也在不斷提高，全自動插袋機器人已經(jīng)逐漸向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

（1）插袋機械手國外研究狀態(tài)。國際上的工業(yè)機器人公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANULC、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的BAB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。工業(yè)機器人己成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）、工廠自動化（FA）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動工具。

從20世紀(jì)80年代至今，全自動插袋機械手等相關(guān)設(shè)備廣泛運用于食品、化肥、飼料、醫(yī)藥、化工等行業(yè)。目前，國外全自動插袋機械手技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用趨于成熟，研發(fā)制造了多種全自動插袋機械手設(shè)備。插袋機械手行業(yè)傳統(tǒng)強國有美國、德國、日本和意大利等發(fā)達(dá)國家，長期壟斷著自動化程度高的插袋包裝設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)。

德國在插袋包裝機器人領(lǐng)域的設(shè)計、制造、技術(shù)性能方面都處于領(lǐng)先地位，自動化程度高和可靠性好是其主要特點。在包裝領(lǐng)域內(nèi)德國設(shè)計香煙包裝速度可達(dá)12000支/分鐘；茶葉包裝機的包裝速度可達(dá)350袋/分鐘。

意大利在閥口袋包裝領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，意大利的Ventomatic插袋包裝機器人，實現(xiàn)了閥口袋的自動化供袋、取袋、填充、計量、碼操、運輸?shù)纫幌盗泄δ艿娜套詣踊刂啤２宕鼨C器人可單臺獨立運行，也可兩臺同步運行，大幅度提高包裝速度。

日本在全自動插袋機器人技術(shù)領(lǐng)域，比我國起步時間早，擁有較好的研發(fā)基礎(chǔ)，技術(shù)水平較高，在全球自動化插袋機器人領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。日本的插袋機器人主要使用方向是食品包裝，日本依靠其國內(nèi)的制造業(yè)基礎(chǔ)和強大的研發(fā)實力，近幾年在世界包裝機領(lǐng)域內(nèi)有了長足的進(jìn)步，實力穩(wěn)步提升。其中有日本紐朗工業(yè)株式會社研制的3CM-P全自動插袋包裝機，如圖1所示，適用于牛皮紙袋和編織袋的自動取袋、插袋、封口等工藝，最快速度可達(dá)到1000包/小時。

圖1　日本3CM-P型全自動插袋包裝機

目前插袋機械手在國外包裝自動化領(lǐng)域的穩(wěn)定性和可靠性都日益完善，相比而言我國水泥包裝技術(shù)領(lǐng)域，插袋機械手的運用還很少。

（2）插袋機械手國內(nèi)研究狀態(tài)。中國機器人的研究是從20世紀(jì)70年代開始的，而插袋機械手的研究最早出現(xiàn)于1995年由季鳳林和劉樹森申請專利的水泥包裝機插袋機械手，是一種與水泥包裝機配套應(yīng)用的的插袋機械手。如圖2所示。該機械主要包括輸袋機構(gòu)、送袋機構(gòu)、上袋機構(gòu)、插袋機構(gòu)、同步根機機構(gòu)幾部分。輸袋機構(gòu)由儲袋倉下面設(shè)置的輸袋滾筒、錕輪及輸袋錕構(gòu)成，送袋機構(gòu)由送袋機通過鏈桿的傳動作90度角弧線，送袋動作由夾袋板構(gòu)成、刺袋板機構(gòu)、插袋偏心輪、插袋滾輪配合而成，其動力由轉(zhuǎn)動的包裝機及其同步根機構(gòu)傳遞本實用新型可與多嘴旋轉(zhuǎn)水泥包裝機配套使用，因其采用機電式結(jié)構(gòu)傳遞，目前未成功用于實際生產(chǎn)中。

圖2　ZBM-A1200全自動插袋包裝機器人

2013年由常州先進(jìn)制造研究所王有義等人研發(fā)的實用型新專利《一種回轉(zhuǎn)式水泥包裝機》自動插袋機械手和回轉(zhuǎn)式水包裝機配合使用，并對兩者的設(shè)計系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)式水泥包裝機的自動插袋。

近些年來，國內(nèi)也有一些企業(yè)經(jīng)過努力研究出自動插袋機械手，取得了很好的效果。哈爾濱博實自動化設(shè)備有限責(zé)任公司開發(fā)的ZBM-A1200全自動插袋包裝機器人。如圖3所示，能夠?qū)崿F(xiàn)自動取袋、插袋、封口等流程一體式的包裝機器人，適用于化工業(yè)勞動環(huán)境差、勞動強度大的生產(chǎn)車間，并且包裝速度達(dá)到1200包/小時。

2　插袋機械手的應(yīng)用前景與發(fā)展方向

國內(nèi)外機械手的研究趨勢大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)；其二生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體任務(wù)的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求情況的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。

目前，包裝生產(chǎn)廠家普遍青睞于具有高度自動化、智能化、高柔性、高效率、低能耗的包裝設(shè)備。世界各國平均每年對包裝機械的需求都在以5.3%的速度發(fā)展，這也對開發(fā)新的全自動插袋機器人提供了很好的平臺。如今全自動插袋機器人的發(fā)展趨勢可歸納為4點。①高度自動化、智能化，已經(jīng)成為插袋機器人發(fā)展的主流方向，將人與生產(chǎn)車間分離，降低生產(chǎn)中人對產(chǎn)品的影響。②節(jié)能環(huán)保，尤其是食品以及醫(yī)藥包裝行業(yè)，更加需要做到生產(chǎn)過程的綠色化。③高效率，如今人們的生活生產(chǎn)節(jié)奏加快，對產(chǎn)品需求量不斷提升，也就要求包裝設(shè)備需要滿足這種需求量的提升。④高柔性，能夠做到一機多用，將不同規(guī)格的包裝產(chǎn)品整合到一臺全自動包裝設(shè)備上完成，方便包裝產(chǎn)品的多樣化發(fā)展，提升競爭力。

3　結(jié)語

隨著工業(yè)機器人的發(fā)展以及勞動力成本的上漲，會有越來越多的工作崗位被機器人所替代。會有更多的機器人代替人類從事各種高危險和對人體有害的工作。

［1］季鳳林，劉樹森.水泥包裝機插袋機械手專利［P］.1995.

［2］林永健.我國食品和包裝機械的現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略研究［D］.天津：天津大學(xué)，2008.

［3］徐方.工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2007，（5）：2-4.

［4］包訊.美國和德國包裝機械狀況［N］.中國包裝報，2010.

［5］屈平.世界包裝機械生產(chǎn)與市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.機械工程師，2008，（7）：8-10.

［6］陳愛珍.日本工業(yè)機器人的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀［J］.機械工程師，2008，（7）：8-10.

The development of Sidekick Manipulator and its Current Situation and Prospect in Engineering Application

LUO Fei1，2，WANG Hui-liang1
（1.Mechanical and Electrical Engineering College，Henan University of Science and Technology，Luoyang，Henan 471023，China；2.Engineering training Center，Luoyang Institute of Science and Technology，Henan，Luoyang 471003，China）

90%of the automatic packaging machines in cement p1ants adopt the artificia1 sidekick in our country，due to the dust po11ution in the work fie1d，it does great harm to the hea1th of staffs.With the deve1opment and popu1arization of industria1 robots，automatic sidekick robots are wide1y app1ied in workshop，which reduces the cost and improves the working efficiency.

sidekick；manipu1ator；current situation；deve1opment direction

TP 241

A

2095-980X（2016）03-0036-02

2016-03-07

羅扉（1985-），男，助理工程師，主要研究方向：機械制造。