吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長春卷煙廠 馬 亮中科院合肥物質(zhì)研究院常州先進所 王玉東華大學(xué) 范瑞兆

減少拆垛過程中煙包損壞數(shù)量

吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長春卷煙廠 馬 亮
中科院合肥物質(zhì)研究院常州先進所 王玉
東華大學(xué) 范瑞兆

隨著工業(yè)4.0計劃的提出與實施，其三大主題項目之一的 “智能物流”，被越來越多的企業(yè)所重視。在近幾年的煙草工業(yè)易地技改浪潮中，自動化立體倉庫憑借其存儲能力、作業(yè)效率及現(xiàn)代化管理等優(yōu)勢，被更多企業(yè)所青睞。吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長春卷煙廠于2010年9月完成易地技改搬遷工作，新廠區(qū)的物流自動化立體倉庫系統(tǒng)成為了該廠建造“智能化工廠”的新亮點，其中成品件煙拆垛機器人作為該廠成品煙出庫系統(tǒng)的重要部分，大大提高了整個出庫過程的作業(yè)效率、降低了勞動強度及勞動成本、增大了成品件煙出庫質(zhì)量。

工業(yè)4.0；自動化立體倉庫系統(tǒng) ；拆垛機器人

1 前言

吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長春卷煙廠于2010年9月完成易地技改搬遷工作，物流自動化立體倉庫系統(tǒng)采用ABB機器人作為拆垛機器人，即利用穿梭車、巷道式堆垛起重機、鏈?zhǔn)捷斔蜋C等設(shè)備，將碼垛好的煙包托盤移動至機器人拆垛站臺，通過拆垛機器人將每一件煙包移動至相應(yīng)輸送巷道。隨著設(shè)備的使用及2013年國家局逐步開展回收煙箱再利用項目，長春卷煙廠倉儲處成品出庫系統(tǒng)，在拆垛過程中經(jīng)常出現(xiàn)煙包掉落損壞現(xiàn)象，平均每月?lián)p壞煙包數(shù)量達到100件以上，造成了極大的浪費。對此情況，部門領(lǐng)導(dǎo)高度重視，組織相關(guān)人員對產(chǎn)生這一問題的原因進行了詳細(xì)分析，在此過程中，正壓力風(fēng)質(zhì)量、吸盤設(shè)備裝置及程序的設(shè)計漏洞均能導(dǎo)致抓取的煙包掉落、損壞，對可能造成的影響逐一進行技術(shù)攻關(guān)和改造。

2　正壓力風(fēng)輸送系統(tǒng)

在機器人拆垛過程中，機器人需使用負(fù)壓力風(fēng)作用于煙包表面，使其克服自身重力，移動至相應(yīng)輸送軌道，而負(fù)壓力風(fēng)由輸送至機械手臂的正壓力風(fēng)轉(zhuǎn)換而來，因此，清潔并足夠壓力的正壓力風(fēng)是機器人完成拆垛的前提保證。

2.1降低壓縮空氣中雜質(zhì)含量

雖然空壓機制造壓縮空氣后，已經(jīng)對壓縮空氣進行了過濾，且過濾后含水量較低，但由于長春卷煙廠地處中國東北地區(qū)，全年室外溫差相差60攝氏度以上，較長的輸送過程中，溫差變化較大，仍有可能產(chǎn)生冷凝水及管道雜質(zhì)，因此，選擇距離出庫拆垛區(qū)較近區(qū)域安裝獨立空壓機，對壓縮空氣的供給是非常重要的。

壓縮空氣在進入機器人前，都需進行油水分離器處理，確保壓縮空氣中不含有其他雜質(zhì)，長春卷煙廠成品出庫區(qū)原配置型號為：LFR-D-MAXI (FESTO)油水分離裝置，由于管道冷凝水較多，并帶有部分管道雜質(zhì)，極易造成油水分離器堵塞。因此，對進入機器人前壓縮空氣管道進行了改造（如圖1所示），使用較為大型的油水分離雜質(zhì)，并定期進行維護，改造后，油水分離器可定期自動排出存裝置過濾的水分，并安裝維修通道，在新安裝的油水分離裝置出現(xiàn)故障或需要維護時，可切換為原通道模式，確保出庫系統(tǒng)的正常運行。

2.2足夠正壓力風(fēng)供給

機器人拆垛用正壓力風(fēng)由空壓機產(chǎn)生、供給，但由于空壓機故障，正壓力風(fēng)壓強會降低或消失，因此，在正壓力風(fēng)進入機器人前安裝了儲氣罐裝置（如圖2所示），在安裝儲氣罐裝置后，正常處于儲氣狀態(tài)，在正壓力風(fēng)壓降產(chǎn)生波動時，確保供給機器人用風(fēng)仍能處于正常狀態(tài)，在正壓力風(fēng)消失時，仍能保證機器人完成當(dāng)前拆垛動作。

對正壓力風(fēng)改造完成后，對設(shè)備的可靠性進行了驗證，距離拆垛機器人最近的油水分離器中，沒有水分和雜質(zhì)的殘留，安裝在機械手臂的電子壓力表顯示，到達機械手臂的正壓力風(fēng)壓強可以滿足拆垛機器人風(fēng)力供給的需要。

圖1

圖2

3　機械手臂吸盤

機器人負(fù)責(zé)抓取的手臂吸盤為選配裝置，目前國內(nèi)選配的種類和類型較多，多為進口電氣元件與機械件組裝而成，使用負(fù)壓力風(fēng)轉(zhuǎn)換器、電磁閥、壓強計等電氣元器件，將正壓力風(fēng)轉(zhuǎn)換為負(fù)壓力風(fēng)（吸風(fēng)），通過手臂下方的吸盤作用于煙包放置的上方，使其克服自身重力，移動至相應(yīng)輸送通道。

拆垛機器人吸取煙包主要依靠機械手臂下方的吸盤作用于煙包上方，因此，吸盤的類型對作用于煙包的負(fù)壓力值有著直接的關(guān)系，對硅膠、海綿兩個種類的吸盤進行試驗分析，由于煙箱上側(cè)封口處使用膠帶粘貼，平整度較低，海綿吸盤的可變形度較大，因此更適合于頂部吸和，負(fù)壓力風(fēng)損失較小，能夠產(chǎn)生更大的壓強。因此選用海綿型吸盤（如圖3所示）。

圖3

4　程序維護

ABB拆垛機器人工作過程中看似流暢，其實每一步都是按照編程軟件按照坐標(biāo)點位進行動作的，系統(tǒng)參數(shù)可通過連接的筆記本電腦或機器人手持PDA進行修改、查看，系統(tǒng)記憶初始設(shè)置的零點位置，通過X軸（機器人左右方向）、Y軸（機器人的前后方向）、Z軸（機器人的上下方向）的三維空間，判斷機器人每點所處位置，根據(jù)程序預(yù)先設(shè)計好的坐標(biāo)點間進行動作。因此，機器人編程系統(tǒng)就如同拆垛機器人的大腦，指引機器人按規(guī)定完成每一個動作，但抓取位與放置位的X、Y、Z軸的每個小的偏差，都有可能導(dǎo)致此次拆垛過程中的煙包掉落，所以，機器人程序的設(shè)置，直接影響到拆垛過程是否可以正常完成。由于廠內(nèi)生產(chǎn)品牌較多，每種品牌的紙箱包裝尺寸不一，或每種品牌批次不同，外尺寸也會有所變化，目前長春卷煙廠工藝執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為紙箱內(nèi)壁尺寸的允許范圍為±5mm，因此，由于煙箱類型的不同、動作的不同及機器人速度導(dǎo)致的慣性過大都有可能造成拆垛過程中的煙包掉落損壞。

4.1煙包類型的分類

長春卷煙廠異地技改調(diào)試機器人調(diào)試時，碼垛機器人與拆垛機器人都將煙箱類型設(shè)置為大煙箱（硬盒卷煙）和小煙箱（軟包卷煙）兩種尺寸，由于機器人在碼垛過程中，吸附煙包側(cè)面，而煙包側(cè)面積遠(yuǎn)大于煙包頂端面積，也大于機器人吸盤所需要吸附的面積，并且與煙包頂端相比較為平整，因此，可以非常好的完成煙包的碼垛入庫任務(wù)。而拆垛過程中，由于機械手臂吸盤吸附煙包頂端，吸盤面積與煙包頂端面積基本相同，因此大煙箱不同的品牌煙包或小煙箱不同品牌煙包的尺寸變化便有可能造成機械手臂吸盤吸取位置發(fā)生偏移，當(dāng)偏移量較大時，便會造成煙包的掉落。

針對這一問題，將原有煙包類型進行了重新的分類，使每一品牌的碼垛煙包類型對應(yīng)一個屬性分類，調(diào)整每一個品牌煙包抓取位置時，不會改變其他品牌煙包抓取的位置。在煙包入庫下達工單時，根據(jù)煙包品牌所定義編號（1～15），填寫煙包屬性，在煙包出庫拆垛過程中，通過電控與機器人的通訊協(xié)議，將所需拆垛的煙包托盤屬性傳送至機器人程序，機器人程序再按照定義的煙包屬性，調(diào)用并執(zhí)行相應(yīng)的拆垛程序，從而不影響其他屬性煙包拆垛的位置。

目前，所設(shè)置的煙包類型屬性達到了15個，而現(xiàn)使用的煙包類型為9個，剩余6個煙包類型（三個大煙包尺寸類型、三個小煙包尺寸類型）為預(yù)留，在需要新增品牌時，先定義新增煙包類型屬性，再根據(jù)新增煙包尺寸的變化，修改相應(yīng)程序的位置，從而可以較為快速、方便、準(zhǔn)確地下達新品牌煙包的拆垛任務(wù)。

4.2動作細(xì)化

機器人手臂吸盤面積與煙包頂端面積基本相同，因此，煙包位置的變化將導(dǎo)致拆垛機器人同一時期所抓起的煙包位置都發(fā)生變化，這一位置的改變將直接導(dǎo)致手臂吸盤作用于煙包頂端的負(fù)壓力風(fēng)的壓強值變化，產(chǎn)生掉落的危險。

煙包從卷包車間生產(chǎn)后由碼垛機器人碼垛為1～28件（通常情況下煙包碼垛數(shù)量為28件，當(dāng)執(zhí)行強制入庫命令或當(dāng)班生產(chǎn)結(jié)束時，會產(chǎn)生1～27件數(shù)量不等的煙包托盤）數(shù)量不等的煙包托盤，后經(jīng)穿梭車、鏈?zhǔn)捷斔蜋C、巷道式堆垛起重機進入相應(yīng)的成品自動化立體倉庫中，需要完成出庫任務(wù)時，再由巷道式堆垛起重機、穿梭車、鏈?zhǔn)捷斔蜋C等設(shè)備移動至拆垛站臺，入庫后的煙包還有一定的可能需要在入庫區(qū)進行抽檢處理，而每一次移動都會對已碼垛好的煙包托盤造成不規(guī)則的位置偏移，這一偏移，就有可能導(dǎo)致，在拆垛過程中，拆垛機器人吸盤吸取煙包的位置發(fā)生偏移（如圖4所示）。因此對整個入、出庫過程中可能造成煙包位置發(fā)生改變的節(jié)點進行分析，發(fā)現(xiàn)在煙包入庫前鏈?zhǔn)捷斔蜋C擋板，負(fù)責(zé)將沒有完全靜止的煙用托盤阻擋住，但阻擋煙用托盤停止時，托盤上的煙包由于受到慣性的作用，位置會發(fā)生不規(guī)則的變動，因此，調(diào)整輸出給鏈?zhǔn)捷斔蜋C停止的光電管的位置，使其能夠到達與擋板接觸后停止，但擋板產(chǎn)生在托盤上煙包的慣性在煙包間摩擦力的作用下，不會引起位置的偏移。

同時又根據(jù)每一種類的煙包拆垛類型對應(yīng)的拆垛程序進行了詳細(xì)的調(diào)整，使其可以完整的吸附煙包的表面，減少因拆垛機器人吸盤吸附煙包上端位置發(fā)生偏移而產(chǎn)生煙包掉落的危險。

4.3調(diào)節(jié)速度

圖4

成品出庫自動化系統(tǒng)執(zhí)行煙包出庫任務(wù)時，煙包離開最后一個設(shè)備的速度可視為出庫的效率。在整套成品出庫系統(tǒng)中，由各單體設(shè)備工序組成，由巷道式堆垛起重機負(fù)責(zé)取出貨物，單體直行穿梭車負(fù)責(zé)將煙用托盤移動至拆垛站臺，由拆垛機器人拆垛后，將煙包輸送至分揀系統(tǒng)，再由伸縮鏈板機將煙包移動至車中。根據(jù)木桶原理，在整個物流過程中，速度最慢的為制約整個物流速度的關(guān)鍵因素，為達到物流的連貫性，盡量減少上游設(shè)備工作速度大于下游速度而造成上游工序停機等待的概率，而各環(huán)節(jié)中巷道式堆垛起重機、穿梭車、分揀系統(tǒng)、伸縮鏈板機等設(shè)備的速度基本已經(jīng)達到最佳，下游設(shè)備速度均高于上游設(shè)備速度，因此，機器人的拆垛速度應(yīng)位于穿梭車與分揀系統(tǒng)中，即高于穿梭車的速度，低于分揀系統(tǒng)的分揀速度，而由于機器人拆垛速度過快將導(dǎo)致因慣性過大而造成的煙包掉落，因此，只需將機器人拆垛速度大于穿梭車速度即可。

目前機器人的運行速度為150分鐘/整托盤，整托盤為28件煙的實托盤，經(jīng)測算，機器人可允許的最慢速度為163分鐘/整托盤，因此，我們對機器人拆垛過程中，每個動作進行詳細(xì)分析，整托盤拆垛中，第1～8件煙為平躺放置，機器人吸取煙包側(cè)面，壓強較大，第9～28件煙為豎放，吸取煙包頂部，易造成煙包掉落，經(jīng)過多次調(diào)試，最終將機器人拆垛整托盤中煙包豎放的拆垛移動速度參數(shù)由原來的1000降至600，速度降低為原有的40%，即將吸取第9～28件煙后， 機器人移動煙包至相應(yīng)巷道的移動速度降低40%，散盤托盤（托盤碼垛煙包數(shù)量小于28件煙）拆垛速度按照拆實托盤速度程序執(zhí)行，調(diào)整后機器人拆整盤煙的速度為156分鐘/整托盤，不會造成上游設(shè)備等待。系統(tǒng)調(diào)試后，降低了拆垛過程中，由機器人在X、Y、Z軸發(fā)生變速移動時所產(chǎn)生的慣性力，從而確保拆垛過程中煙包不會因機器人拆垛過程中移動速度過快造成的煙包掉落。

5　結(jié)束語

通過對正壓力風(fēng)輸送系統(tǒng)、機器人手臂吸盤的改造及機器人系統(tǒng)程序的優(yōu)化、改進，從根本上杜絕了機器人在拆垛過程中發(fā)生的煙包掉落、損壞這一現(xiàn)象。通過6個月的觀察，除煙包自身包裝缺陷等煙包自身原因外，拆垛過程中沒有發(fā)生因設(shè)備自身故障造成的煙包掉落、損壞現(xiàn)象。使得整個物流自動化出庫系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、暢通，減少了不必要的浪費，縮短物流出庫系統(tǒng)故障時間，消除了拆垛機器人運行中的煙包掉落故障，增加了設(shè)備運行的可靠度，降低維修成本。

Reducing the Quantity of Tobacco-Pack Damage During Unstacking

In the wake of the promotion and carrying out of the Industry 4.0 project, intelligent logistics, as one of its three major themes, is receiving more and more attention from the enterprises. In recent years' wave of the technological improvement among different places, the auto-stereoscopic warehouse has won the good graces of more and more companies due to the excellent storage capacity, working efficiency and modernization management. Changchun Cigarettes Factory completed the relocation in September, 2010, and its auto-stereoscopic warehouse management system in the new factory district became the new highlight in building our "auto-factory". The breaking-jam robots of the finished tobacco product serve as the main force of our delivery of cargo from storage system. They have improved the delivery efficiency, decreased the labor load, saved cost, and finally enlarged the finished product output capacity.

Industry 4.0; Automated Storage and Retrieval System（AS & RS）; Unstacking Robot

馬亮（1985-），男，現(xiàn)任吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長春卷煙廠倉儲處技術(shù)員，從事物流自動化系統(tǒng)的維修、維護等相關(guān)工作。