紙尿褲自動化包裝線的碼垛機器人系統研發

黃瑞華 周建鵬

摘 要：針對紙尿褲包裝線實現全自動化生產要求，本文介紹了有關碼垛機器人系統的設計與開發，主要包括整個全自動化包裝生產線上的全自動棧板機的設計，四工位緊湊型機器人碼垛系統以及碼垛中轉裝置，解決了自動棧板與智能機器人碼垛等問題。投入的實際生產表明碼垛機器人系統能跟上前道工序的節拍，大大提高了紙尿褲自動化包裝的生產效率，有助于提高國產包裝自動化生產設備的競爭力。

關鍵詞：智能自動化；紙尿褲包裝；機器人

1 緒論

目前在中國，紙尿褲生產已經實現了自動化，但是后續的包裝大多企業仍采用人工或半自動化方式。在當前要求產品能快速推向市場的背景下，產品包裝的自動化也勢在必行。進行智能自動化生產升級可解決目前人力成本增加，重復單調的工作越來越難招工的問題。[1]歐美國家的紙品包裝智能裝備公司技術領先，世界上的主要紙品包裝行業領軍企業大都位于德國、意大利和美國。[2]但是，由于對中國進行了技術封閉，這成為阻礙中國紙品行業企業向自動化轉型的最大障礙。雖然中國已經開始進行了研發，但是，這些高端的自動化包裝設備，屬于復雜的系統，其速度快且精度高，涉及機械、電器、氣路、真空、液壓、激光檢測、無線控制、整線集成等多個方面的全方面技術，因此實現包裝的全面自動化需克服諸多難點技術。[3]

針對紙尿褲包裝自動化裝箱后的碼垛要求，設計了基于工業機器人的紙箱碼垛系統。其主要包括全自動棧板機，四工位碼垛機器人以及碼垛中轉裝置，三者對整個包裝線起著關鍵的作用，因此在本文將著重闡述三者的應用。

2 關鍵單元的設計

2.1 全自動棧板機設計

棧板主要作為一種托盤可將一箱箱紙尿褲碼垛在其上，是自動化包裝線的機器人碼垛的關鍵模塊。本文針對傳統棧板機存在結構龐大的缺點，在全自動紙尿褲包裝線中設計了一種全自動棧板供應器。如圖1所示，是整個全自動棧板供應器整體效果圖。主要由1.前導向裝置 2.左右提升機構 3.后支撐板三部分組成。其由插盤機構與提升升機構配合鏈條式輸送機聯合使用以達到高效運送、整理空棧板的功能。該系列適用于各種棧板的拆分，可應用于日化、醫藥、食品、飲料、倉庫等行業。

前導向機構主要是為了防止棧板進入的時候卡住而起的一個導向作用。內部裝有光電檢測開關檢測棧板是否到位，控制按鈕用來手動控制棧板的碼垛和缷跺。左右插盤提升機構主要由主體架，插盤機構，提升機構三部分組成。其工作原理是當棧板到位時，插盤氣缸動作將棧板插住，然后提升氣缸將其提起或放下，當棧板到達其所需位置時插盤氣缸再次動作收回插舌。左右主體架外形結構為對稱安裝，均采用有優質碳鋼焊接而成，表面烤漆處理，結構牢固外形美觀。其左右主體架上部均設計有斜坡，以便棧板下落作導向用。

該全自動棧板機具有機構簡單、占地面積小、運行穩定等特點。其底部離地面低，能適用人力叉車的拆/碼棧板，同時配合輸送線使用也可完成自動供應棧板的要求。

2.2 四工位緊湊型碼垛機器人系統設計

為實現對紙尿褲包裝的全自動化碼垛，在生產線上基于德國庫KUKA機器人[4]設計開發了一套四工位碼垛機器人系統。該機器人能實現設備精確運動控制并利于員工方便操作、回轉運動速度快，能滿足客戶需求。整個機器人的系統結構圖如2所示：

當整個系統作業時，整個碼垛機器人系統工作流程如圖3所示。產品從1進料輸送線輸入，通過推料氣缸將產品輸送到產品抓取線進行排列；由機器人將排列好的產品抓取。

之后到產品碼垛區的棧板上進行碼垛。空棧板由棧板供應器逐個放出，通過空棧板輸線帶輸送到空棧板等待區；再由空棧板推進機構將棧板推到產品碼垛區，然后機器人對產品進行碼垛，碼垛完成后由滿垛輸送線將滿跺產品輸送出。

2.3 碼垛中轉裝置

裝置在轉移、拆盤或碼垛棧板時常常涉及到棧板的升降及移動動作。傳統的方式[5]采用液壓或氣動的方式進行升降，其升降導向則采用導柱導套結構，其存在一定的缺陷。工作現場必須具有氣源或液壓源，液壓源存在較大的泄露隱患，而采用氣源進行升降時運行噪音較大。升降導向采用導柱導套結構，其雖然能夠很好的進行垂直導向，但對加工精度以及整體精度要求較高，否則會降低導柱導套的使用壽命。因此，在智能自動化紙尿褲包裝線上創新性的研發了一種適用性高、運行平穩可靠且噪音低的碼垛中轉裝置。

碼垛中轉裝置外形由圖4 所示，主要由固定底座，升降平臺和輸送滾筒組構成。由電機驅動擺桿機構并配合相應的導向結構來實現輸送滾筒組的升降，無需氣源或液壓站，對操作環境的要求低，適應性高、 改良難度小，且運行噪音低，可以便捷地使用于絕大多數的輸送場合.導向機構采用導向輪、導軌、齒輪、齒條等多種導向相結合，結構簡單，運行平穩、可靠。碼垛中轉裝置的放置情況如圖5所示，在自動化包裝線上將兩臺鏈條式輸送機末端與碼垛中轉裝置相連接，能夠便捷快速的完成對紙箱的中轉輸送。

3 實驗數據對比與分析

在實際生產實踐中，如圖6所示是本文所設計的碼垛機器人系統進行紙箱碼垛的工作過程，從圖中（a）紙箱從輸送線輸送至碼垛機器人工作位置開始，經過了（b）由碼垛吸盤抓手抓取紙箱，（c）運送紙箱，（d）安全將紙箱放下的一系列流程。經過試驗測試，如表1所示，該機器人的工作效果與國內外主要競爭對手相比具有明顯的優勢，紙箱碼垛速率能達到15箱/每分鐘。具體有如下幾點優勢：

（1）使得原有一條紙尿褲包裝線的用工數從30多人縮減為1人，大量解放勞動力。

（2）機器人具有很高的人性化設計，操作簡便且安全。

（3）機器人碼垛范圍大，適用產品范圍廣，產品碼垛后整齊且美觀。

（4）碼垛效率在國內外具有明顯優勢。

4 總結

針對智能自動化紙尿褲包裝生產線的紙箱碼垛要求，本文介紹了研發的碼垛機器人系統，包括：全自動棧板機，碼垛中轉系統以及緊湊型碼垛機器人系統的。全自動化棧板機構方便、高效、可靠。碼垛中轉裝置結構簡單，運行平穩。，研發的四工位緊湊型機器人碼垛系統，大大提高了生產效率。從實際包裝的實驗數據中進行效率對比中可見，紙箱碼垛機器人系統能夠跟得上前道工序（理片、裝箱等）的節拍，滿足了生產線速度快、精度高、穩定性強等要求，提高了國產包裝機械設備的競爭力，可促進國內紙品包裝行業的全面升級。

5 鳴謝

感謝有關項目的資助：江蘇省六大人才高峰（ZBZZ-023），南通市應用研究計劃項目（GY12016003）

參考文獻：

[1]本刊輯.我國智能包裝的發展現狀與問題[J].廣東印刷，2016（1）：13-14.

[2]潘小青.國外包裝機械的發展現狀[J].山東工業技術，2016（12）：215-215.

[3]吳士寶.中國包裝行業發展現狀及發展的挑戰與機遇分析[J].綠色包裝，2017（10）：41-44.

[4]申海鵬.庫卡展示新型QUANTEC碼垛機器人助力包裝工業[J].食品安全導刊，2013（4）：37-37.38（5）：40-44.

[5]李紅果，劉新樂，徐德眾，等.一種多垛型機器人碼垛系統的設計[J].包裝工程，2017，38（5）：40-44.

[6]謝晉，張偉，金杰峰，等.碼垛生產線物流控制系統設計[J].制造業自動化，2014（16）：134-140.

作者簡介：黃瑞華（1980-），男，江蘇海門人，本科，中級職稱，裝箱機，開箱機及生產自動化技術方向。