碼垛機器人技術(shù)在解決勞動(dòng)力不足、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動(dòng)強度、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力。國外從20世紀60年代開(kāi)始研究工業(yè)機器人,碼垛機器人是伴隨著(zhù)工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展而出現的,日本、德國、美國等發(fā)達國家的研究已取得一定成果。

國外碼垛機器人的研究與應用現狀

研究現狀

最早將工業(yè)機器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運是日本和瑞典。20世紀70年代末日本第一次將機器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)。1974年,瑞典ABB公司研發(fā)了全球第一臺全電控式工業(yè)機器人IRB6,主要應用于工件的取放和物料的搬運。除此之外,德國、意大利、韓國等國家工業(yè)機器人的研發(fā)水平也相當高。隨著(zhù)計算機技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)以及人工智能控制等技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟,日本、德國、美國、瑞典、意大利、韓國等國家在包裝碼垛機器人的研究上做了大量工作,相應推出了自己的碼垛機器人,如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列,德國的KUKA系列,瑞典的ABB系列等。德國、瑞典以及日本等國家的碼垛機器人一般為4～6軸機器人,主要由固定底座、連桿、連桿臂、臂部、腕部以及末端執行器組成,見(jiàn)圖1。機器人主體多采用優(yōu)質(zhì)輕巧的鑄鋁材料制造和連桿式關(guān)節型的機構形式,均利用CAD和FEM有限元技術(shù)進(jìn)行結構優(yōu)化設計,具有較高的機械性能和抗震能力。

驅動(dòng)系統均采用模塊式數字化AC伺服電機和RV減速器,取消了腕部關(guān)節驅動(dòng)電機和平衡塊,大大優(yōu)化了整機結構;針對不同類(lèi)型的產(chǎn)品和包裝件,還設計了真空吸持、夾持、叉式等多種形式的智能末端執行器。這些先進(jìn)碼垛機器人最顯著(zhù)的技術(shù)特點(diǎn)就是采用了基于PC的開(kāi)放式控制系統,令機器人能夠高速、精準、穩定可靠地運行。如瑞典ABB公司為IRB系列碼垛機器人研發(fā)了主動(dòng)安全軟件和被動(dòng)安全軟件,可對機器人的運動(dòng)和載荷情況進(jìn)行監控;電子穩定路徑功能可確保機器人在考慮加速度、阻力、重力、慣性等條件的同時(shí),遵循預定運行路徑;主動(dòng)制動(dòng)系統可以確保機器人維持運行路徑的同時(shí)對制動(dòng)予以控制,被動(dòng)安全功能可實(shí)現機器人進(jìn)行負載識別。日本FANUCM410i系列碼垛機器人軟件體系也非常強大,PalletTool/Palle2tPROTM用于碼垛設置、仿真和操作;SupportsColli2sionGuardTM用于減少機器人、夾持器、箱/袋以及外圍設備的碰撞損壞;基于網(wǎng)絡(luò )的軟件工具用于遠程聯(lián)機、診斷和生產(chǎn)監控;還專(zhuān)門(mén)配備了機器視覺(jué)引導系統,用于引導機器人完成拆垛和檢查工作。

應用現狀

國外先進(jìn)的工業(yè)機器人技術(shù)和高度發(fā)達的機器人產(chǎn)業(yè)使得碼垛機器人在各行各業(yè)都得到了廣泛的應用。奧地利、瑞士、挪威等國家的釀酒廠(chǎng)、咖啡企業(yè)以及食品生產(chǎn)廠(chǎng)家,為減輕工人的負擔,提高生產(chǎn)能力,降低產(chǎn)品破損率,利用2～3臺KUKA碼垛機器人,借助特殊的智能末端執行器,精準地抓取(或吸取)紙盒、香蕉紙箱、啤酒塑料箱或托盤(pán),完成搬運和碼垛(或拆垛)?；赑C的控制平臺確保機器人能同時(shí)處理4條生產(chǎn)線(xiàn)和多種類(lèi)型產(chǎn)品,整個(gè)過(guò)程中對象不會(huì )承受過(guò)大的夾持力或吸力,而且緊湊的設計使機器人的占地面積和工作空間達到了理想的水平。

美國潤滑油制造商JTM公司選擇MotomanModelUP165型機器人用于箱裝和桶裝潤滑油的碼垛,該機器人為6軸機器人,采用AC伺服電機驅動(dòng)。專(zhuān)門(mén)設計的真空吸附式末端執行器由23個(gè)直徑為75mm的真空吸頭組成,每個(gè)真空吸頭的控制閥由PLC實(shí)現控制,可一次吸取2個(gè)箱子或3個(gè)桶。采用碼垛機器人后,每年可完成200000桶和150000箱潤滑油的碼垛作業(yè),是人工工作量的近2倍。

EricHemmingson指出ABBFlexPalletizerIRB640型碼垛機器人極大迎合了食品和飲料行業(yè)的需求,可用于紙盒、箱、袋類(lèi)產(chǎn)品的包裝、碼垛、拆垛,其最大的特點(diǎn)之一就是弧形的上部手臂。腕關(guān)節的后仰不需要轉動(dòng)上部手臂,而由和上部手臂平行的連桿驅動(dòng)實(shí)現。真空夾持器的動(dòng)作由電磁控制器和真空泵實(shí)現。該碼垛機器人的“大腦”是ABBS4C控制系統,系統的核心是基于微處理器的控制器,利用CAN現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現通訊。該控制系統配備一個(gè)存有不同狀況信號的雙通道安全系統,確保機器人安全運行。

Hershey公司利用3臺Motoman碼垛機器人將3條生產(chǎn)線(xiàn)上不同類(lèi)型的糖果紙箱集中碼放在一個(gè)貨盤(pán)上,然后送到發(fā)貨中心。不同類(lèi)型紙箱的碼垛模式已經(jīng)編好程序輸入機器人,每一層的碼放模式由紙箱尺寸決定,如果紙箱尺寸發(fā)生變化,預存的碼垛程序需由技術(shù)人員從內存中調出,從而實(shí)現快速轉換。每臺機器人安裝了柔性真空吸附系統,可自動(dòng)控制需要觸發(fā)的吸附手個(gè)數,以滿(mǎn)足所需要拾取紙箱的個(gè)數。