工業(yè)機(jī)器人在紙卷包裝系統(tǒng)貼標(biāo)裝置中的應(yīng)用

上海衡拓實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司 李暉

一、概況

根據(jù)國(guó)家發(fā)展規(guī)劃，造紙行業(yè)正在逐步淘汰落后產(chǎn)能，隨著能耗大、污染嚴(yán)重的造紙企業(yè)被關(guān)停，市場(chǎng)空間得到進(jìn)一步釋放。近幾年國(guó)內(nèi)規(guī)模較大的造紙廠新上項(xiàng)目以大產(chǎn)量為主，箱板紙、瓦楞紙新上項(xiàng)目年產(chǎn)量超30萬噸，高檔文化紙、白卡紙年產(chǎn)量超50 萬噸。部分機(jī)臺(tái)產(chǎn)量達(dá)到了80 ～100 卷/小時(shí)，多機(jī)臺(tái)的生產(chǎn)線成為主流配置。隨著產(chǎn)量的提高，對(duì)紙卷輸送包裝系統(tǒng)節(jié)拍有了更高的要求。

其中，標(biāo)簽作為紙卷生產(chǎn)、銷售、二次加工流轉(zhuǎn)過程中必要的信息載體，貼標(biāo)裝置在紙卷輸送包裝系統(tǒng)中不可或缺。傳統(tǒng)的人工貼標(biāo)、滾筒式貼標(biāo)機(jī)由于效率低下正在逐漸被淘汰，市場(chǎng)對(duì)自動(dòng)化程度較高的貼標(biāo)裝置的需求較大。而傳統(tǒng)的自動(dòng)貼標(biāo)裝置，適用的貼標(biāo)范圍較小，不能滿足造紙行業(yè)多種規(guī)格紙卷的貼標(biāo)要求。工業(yè)機(jī)器人由于其可靠性、穩(wěn)定性好，作為先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的方向，在越來越多的行業(yè)中成為不可替代的重要裝備。結(jié)合紙卷輸送包裝系統(tǒng)的特性，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于貼標(biāo)裝置，將大大提高物流系統(tǒng)的能力。通過對(duì)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用及工藝流程的優(yōu)化，可將貼標(biāo)節(jié)拍控制在30S 內(nèi)，滿足高速自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。

常規(guī)的貼標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)簽紙可分為兩類：背面預(yù)施水溶膠的標(biāo)簽紙和不干膠標(biāo)簽紙。其中，不干膠標(biāo)簽紙對(duì)打印機(jī)的要求較高，且出現(xiàn)故障時(shí)處理時(shí)間過長(zhǎng)，不適合造紙行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)工況。背面預(yù)施水溶膠的標(biāo)簽紙由于各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，且不易造成設(shè)備故障，可靠性較好，在行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。本文中應(yīng)用的貼標(biāo)裝置使用背面預(yù)施水溶膠的標(biāo)簽紙。

二、貼標(biāo)系統(tǒng)

1、系統(tǒng)組成及工藝流程

貼標(biāo)系統(tǒng)由機(jī)器人主體（含控制器）、夾具、氣動(dòng)系統(tǒng)、打印及噴水系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。

紙卷包裝完成后通過輸送系統(tǒng)到達(dá)指定標(biāo)簽粘貼工位，根據(jù)信息系統(tǒng)提示，打印系統(tǒng)提前打印標(biāo)簽，打印完成后通知機(jī)器人取走標(biāo)簽。機(jī)器人抓取標(biāo)簽并完成噴水后，按照事先示教的位置運(yùn)行到貼放位置附近，通過與控制系統(tǒng)的信息交互，獲取紙卷的幅寬、直徑等信息，確定標(biāo)簽粘貼的準(zhǔn)確位置。夾具釋放標(biāo)簽，放置在紙卷上，機(jī)器人根據(jù)紙卷參數(shù)，以合適的力度及角度，將標(biāo)簽撫平、壓緊在紙卷上。貼標(biāo)完成后，機(jī)器人將完成信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)，輸送機(jī)將紙卷輸送到下一個(gè)工位，同時(shí)將下一個(gè)待貼標(biāo)紙卷送到標(biāo)簽粘貼工位。

2、機(jī)器人主體

機(jī)器人采用6 自由度多關(guān)節(jié)型通用機(jī)器人。根據(jù)粘貼標(biāo)簽數(shù)量及紙卷直徑范圍，選擇不同規(guī)格的機(jī)器人型號(hào)。常規(guī)系統(tǒng)應(yīng)用機(jī)器人以ABB IRB4600 型機(jī)器人為基礎(chǔ)，其主要規(guī)格參數(shù)如表1 所示。實(shí)踐證明，該型機(jī)器人可以完成紙卷直徑范圍為φ600 ～2000mm 的紙卷筒身貼標(biāo)，并在輸送系統(tǒng)的配合下完成紙卷端面貼標(biāo)。

表1 ABB IRB4600 機(jī)器人規(guī)格及性能特點(diǎn)

ABB IRB4600 機(jī)器人規(guī)格及性能特點(diǎn)示教器是進(jìn)行機(jī)器人手動(dòng)操作、程序編寫、參數(shù)配置及監(jiān)控的手持裝置，也是最常見的機(jī)器人控制裝置，如圖1 所示。ABB IRB4600型機(jī)器人具備工具坐標(biāo)系多點(diǎn)標(biāo)定功能，實(shí)際應(yīng)用中，一般先通過工具中心點(diǎn)（TCP）位置多點(diǎn)標(biāo)定進(jìn)行大范圍運(yùn)動(dòng)點(diǎn)標(biāo)定，再進(jìn)行工具坐標(biāo)系（TCF）姿態(tài)多點(diǎn)標(biāo)定進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。在位置標(biāo)定完成后，人工輸入相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，如運(yùn)動(dòng)的速度數(shù)據(jù)、TCP 速率、總運(yùn)行時(shí)間等，組合運(yùn)用線性運(yùn)動(dòng)指令、關(guān)節(jié)運(yùn)用指令及圓弧運(yùn)動(dòng)指令完成機(jī)器人動(dòng)作。

圖1 機(jī)器人控制柜及示教器

3、夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際貼標(biāo)需求進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本裝置設(shè)計(jì)為一次可進(jìn)行兩張標(biāo)簽紙粘貼。夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖2。該夾具適用于A3 標(biāo)簽紙，也可經(jīng)過簡(jiǎn)單調(diào)整后用于A4/A5 標(biāo)簽紙。

圖2 多用型夾具設(shè)計(jì)圖

夾具采用法蘭與機(jī)器人本體連接。罩殼設(shè)計(jì)為三角形截面，兩個(gè)貼標(biāo)面的角度范圍為30°～45°，適用于同時(shí)粘貼2 張標(biāo)簽紙。貼標(biāo)機(jī)構(gòu)主體采用橡膠吸盤安裝在聚氨酯材質(zhì)吸標(biāo)板上，配真空泵或真空發(fā)生器實(shí)現(xiàn)真空功能，相關(guān)檢測(cè)傳感器集成在夾具上。標(biāo)簽打印完成后，夾具在機(jī)器人作用下運(yùn)行至拾取位，真空打開，吸標(biāo)板吸附標(biāo)簽。夾具運(yùn)行至貼標(biāo)位置后，真空釋放，標(biāo)簽放置到指定位置后進(jìn)行粘貼動(dòng)作。

吸標(biāo)板是由聚氨酯材料制成，橡膠吸盤粘接覆蓋在貼標(biāo)板基板上，在吸標(biāo)板面上與吸盤相對(duì)應(yīng)的位置均勻開設(shè)有多個(gè)小孔。聚氨酯材質(zhì)軟硬適中，通過調(diào)整機(jī)器人粘貼的角度及力度，能較好的避免標(biāo)簽起褶、翹角、氣泡等問題，標(biāo)簽粘貼定位精準(zhǔn)，外觀平整。

氣動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的真空由吸盤均勻分布到吸標(biāo)板面上，吸標(biāo)面外面的大氣壓大于所形成的真空腔內(nèi)部的氣壓，進(jìn)而外部氣體通過吸標(biāo)面上的小孔進(jìn)入真空腔內(nèi)，在吸標(biāo)面的外部產(chǎn)生對(duì)標(biāo)簽的吸附力。根據(jù)標(biāo)簽大小設(shè)計(jì)不同尺寸的夾具，吸標(biāo)板略小于標(biāo)簽尺寸，常用的A5/A4 標(biāo)簽紙面大小配6個(gè)吸盤，A3 標(biāo)簽配12 個(gè)吸盤。

機(jī)器人夾具上安裝有傳感器，以確認(rèn)夾具是否正確吸附標(biāo)簽。

4、氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)在本設(shè)備中占比不多，卻起著十分重要的作用。夾具吸附標(biāo)簽就是靠氣動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)壓，將標(biāo)簽吸附在吸標(biāo)板上。

當(dāng)前在自動(dòng)化裝置中普遍使用的真空發(fā)生裝置主要有真空泵和真空發(fā)生器。

機(jī)械式的真空泵結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常是采用活塞或葉輪部件進(jìn)行抽氣、排氣，通過不斷地抽氣、排氣在吸氣口處產(chǎn)生較高的真空度。機(jī)械式真空泵一般應(yīng)用于多處作業(yè)需要持續(xù)真空作業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)中。真空發(fā)生器是利用壓縮空氣的流動(dòng)而形成一定真空度的氣動(dòng)元件，與真空泵相比，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格低、安裝方便，與配套件復(fù)合化容易，真空的產(chǎn)生和解除快，宜從事流量不大的間歇工作，適合分散使用。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍及吸附標(biāo)簽尺寸的差別，一般采用真空泵為吸標(biāo)板提供負(fù)壓吸力。在部分生產(chǎn)節(jié)拍較慢，標(biāo)簽尺寸較小的情況下，也可選用真空發(fā)生器為吸標(biāo)板提供負(fù)吸壓力。

5、打印系統(tǒng)及噴水系統(tǒng)

造紙行業(yè)使用的標(biāo)簽背面預(yù)施水溶膠，配套相應(yīng)的噴水系統(tǒng)，如圖3、圖4所示，在機(jī)器人拾取標(biāo)簽后進(jìn)行水霧噴灑，然后進(jìn)行粘貼動(dòng)作。打印系統(tǒng)與生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)通訊，若存在多紙種混合生產(chǎn)，打印系統(tǒng)可按照標(biāo)簽樣式選配多紙盒打印機(jī)，系統(tǒng)可根據(jù)紙卷信息自動(dòng)選擇相應(yīng)標(biāo)簽紙并完成打印。打印機(jī)出紙平臺(tái)裝有傳感器，以確認(rèn)標(biāo)簽是否打印完成及被取走。

圖3 標(biāo)簽存放盤

圖4 噴水系統(tǒng)

6、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主機(jī)采用西門子S7-1500 系列可編程控制器（PLC），負(fù)責(zé)物流系統(tǒng)上所有設(shè)備的控制，在傳感器的配合下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸送包裝功能。控制系統(tǒng)采用西門子Portal 軟件，包含實(shí)現(xiàn)過程可視化控制及監(jiān)控控制和數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。標(biāo)簽打印機(jī)通過以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫相連，當(dāng)紙卷到達(dá)相應(yīng)的工作位置時(shí)，數(shù)據(jù)庫將相關(guān)標(biāo)簽打印信息所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給打印機(jī)，由打印機(jī)完成紙卷的標(biāo)簽打印。

機(jī)器人控制器采用PROFINET 模塊與PLC 進(jìn)行通信，保證機(jī)器人與控制系統(tǒng)信息交互流暢。為方便控制，采用觸摸屏作為人機(jī)交互頁面，相關(guān)控制信息及運(yùn)行狀態(tài)顯示在觸摸屏上，參數(shù)設(shè)置、故障診斷及消除等功能也通過觸摸屏設(shè)置。

三、實(shí)際應(yīng)用

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛，如圖5 所示。機(jī)器人貼標(biāo)裝置滿足了紙卷輸送包裝系統(tǒng)中對(duì)標(biāo)簽粘貼高效、可靠的要求，設(shè)備運(yùn)行滿足工廠生產(chǎn)節(jié)拍要求，有效提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)又提升了產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。該裝置具有良好的市場(chǎng)前景。

圖5 工業(yè)機(jī)器人在貼標(biāo)系統(tǒng)中使用