張慎靖 付曉先

中國石化潤滑油有限公司

機械手是模仿著人手的部分動作，按設定的程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置，在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為工業(yè)機器手。工業(yè)機械手可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在自動性、智能性和適應性。近幾年來,隨著中國潤滑油行業(yè)的不斷發(fā)展以及生產(chǎn)技術裝備的不斷革新，碼垛機械手在20 L桶和小包裝紙箱的碼垛工序中得到了廣泛應用，逐步替代了傳統(tǒng)機械碼垛方式。碼垛機械手較原來的框架式碼垛機，在效率、空間利用、靈活多變性以及經(jīng)濟性方面都有較為明顯的優(yōu)勢。

碼垛機械手與傳統(tǒng)框架式碼垛機比較

傳統(tǒng)框架式碼垛機（圖1）雖然也有過輝煌的時期，但相較碼垛機械手（圖2）來說，占用空間大、通用性差、機構復雜、碼垛擺放形式固化、能耗高、維修量大。在當前潤滑油生產(chǎn)追求多批次、小批量、訂單化的大形勢下，傳統(tǒng)框架式碼垛機越來越不能適應潤滑油包裝的實際需求，逐漸被淘汰和替換。

最早將工業(yè)機器人技術用于物體的碼放和搬運的國家是日本和瑞典。20世紀70年代末，日本第一次將機器人技術用于碼垛作業(yè)[1]。碼垛機械手具有作業(yè)高效、碼垛穩(wěn)定等特點，已在各個行業(yè)的包裝流水線中發(fā)揮了強大作用。其主要優(yōu)點有：

◇占地面積小，動作范圍大，可減少場地源浪費；

◇生產(chǎn)效率高，可以解放繁重體力勞動，實現(xiàn)“少人”或“無人”操作；

◇市場柔性高，適應性強，可實現(xiàn)不同物料碼垛；

◇能耗低，可降低運行成本；

◇定位準確，穩(wěn)定性高。

鑒于以上優(yōu)點，碼垛機械手在汽車、物流、家電、醫(yī)藥、食品飲料、液體灌裝等各類生產(chǎn)線中間環(huán)節(jié)得到了廣泛應用。特別是近幾年來，潤滑油生產(chǎn)的自動化要求越來越高，碼垛機械手迅速進入潤滑油行業(yè)，并呈現(xiàn)出良好的適應性，逐漸受到各潤滑油生產(chǎn)企業(yè)的追捧。

圖1 框架式碼垛機示意

圖2 碼垛機械手示意

碼垛機械手的組成

通常碼垛機械手主要由機械手本體、機械手爪、基座、控制系統(tǒng)、示教器等部件組成，再加上托盤的分拆、定位及輸送機構，從而組成一個完整的碼垛系統(tǒng)。碼垛機械手的組成見圖3。

機械手本體

機械手本體通常指機械手臂、手腕和基座，它是機械手的主要部分，多采用優(yōu)質(zhì)輕巧的鑄鋁材料制造和連桿式關節(jié)型的機構形式，具有較高的機械性能和抗震能力[2]。目前，應用于潤滑油行業(yè)的機械手多采用關節(jié)式機械手，關節(jié)式碼垛機械手常見本體多為4軸，亦有5、6軸碼垛機械手，美國潤滑油制造商JTM公司就采用Motoman Model UP165型6軸機器人用于箱裝和桶裝潤滑油的碼垛[3]。主流碼垛機械手本體見圖4。

機械手爪(末端執(zhí)行器)

機械手爪也稱作末端執(zhí)行器，作為碼垛機械手的重要組成部分之一，其對碼垛機械手的整體工作性能具有非常重要的意義。根據(jù)不同的產(chǎn)品，可設計不同類型的機械手爪，使得碼垛機械手可高效的完成碼垛工作。

常見碼垛機器手的機械手爪包括吸附式、夾板式、抓取式、組合式，見圖5。在潤滑油碼垛行業(yè)主要采用抓取式和夾板式，分別實現(xiàn)對20 L桶和紙箱的抓取。

抓取式手爪是一種可靈活適應于不同口徑不同高度的潤滑油中桶碼垛的抓取工具，與轉(zhuǎn)桶機構配合可以實現(xiàn)桶標的一致性碼放。

夾板式手爪是紙箱碼垛過程中最常用的一類手爪，常見類型有單板式 、雙板式和多板式，主要用于潤滑油小包裝線整箱碼垛。夾板式手爪加持力度可以通過減壓閥調(diào)整，兩側(cè)板光滑不會損傷碼垛產(chǎn)品外觀質(zhì)量，為防止紙箱滑落，側(cè)板一般都會有可旋轉(zhuǎn)爪鉤。

碼垛機械手的運行

碼垛機械手運行步驟

碼垛機械手在自動模式啟動后，需要和輸送系統(tǒng)自動交換信號來完成系統(tǒng)的整體運作。一般來說，機械手完成零點定位后，要實現(xiàn)從紙箱抓取到碼放完成需要以下幾個步驟：

◇確定機械手待抓位置；

◇手爪下降到抓箱高度；

◇實現(xiàn)夾板平移待抓；

◇實現(xiàn)夾板的夾持動作；

◇手爪升高到超越障礙高度；

◇實現(xiàn)過程移動；

◇到待落位置；

◇完成紙箱擺放；

◇實現(xiàn)高度提升；

◇實現(xiàn)返回零點。

碼垛機械手運行控制程序

圖3 碼垛機械手組成示意

圖4 主流碼垛機械手本體

一般來說，碼垛機械手可以滿足1～2條灌裝線的碼垛。一對一的碼垛程序相對簡單，而一對二的碼垛程序則較為復雜。要實現(xiàn)一臺碼垛機械手對兩條灌裝線的同時碼垛，就需要一個基本的程序架構：即一個主程序和兩個子程序。主程序用于定義A、B兩條灌裝線的不同碼放排數(shù)，實現(xiàn)和外圍配套系統(tǒng)的條件交換，針對不同的條件調(diào)用子程序。子程序分別實現(xiàn)A、B灌裝線的碼放過程，主要實現(xiàn)不同箱型的尺寸定義、碼放形式的定義，實現(xiàn)碼放分解過程、判斷是否滿垛，以及滿垛后通過主程序?qū)崿F(xiàn)排垛過程等。碼垛機械手程序邏輯流程見圖6。

需要說明的是，現(xiàn)在的工業(yè)碼垛機械手基本都具有了智能識別能力，不同型號的碼垛機械手嚴格限制了抓取重量，并可以通過自適應學習準確計算出抓取物的重量，對不同重量的抓取物匹配精確的扭矩軌跡，當碼放過程中出現(xiàn)碰撞或其他異常時可實現(xiàn)自動停機報警。通常在碼垛機械手的工作區(qū)域一般要求配置防護網(wǎng)或有光柵保護，防止操作人員誤入引起人員傷害。

碼垛機械手選型的一般原則

在潤滑油行業(yè)，碼垛機械手主要用于實現(xiàn)20 L桶的碼桶作業(yè)和1 L～6 L桶的碼箱作業(yè)，選型主要考慮碼垛機械手的承載能力和到達距離。承載能力包含手爪的重量和抓取物的重量，到達距離是指機械手臂所能到達的范圍。以潤滑油行業(yè)最常使用的ABB碼垛機械手IRB460和IRB660為例：IRB460承載能力110 kg，到達距離2.4 m；IRB660承載能力有180 kg和250 kg 2種規(guī)格，到達距離3.15 m，以上2種碼垛機械手非常適合應用于袋、盒、紙箱、瓶等包裝形式的物料碼垛。若受任務限制，如想實現(xiàn)碼垛機械手對兩條或多條生產(chǎn)線的碼垛，需要首先考慮碼垛機械手的到達距離。

碼垛機械手技術新發(fā)展

機械手本體技術

近幾年瑞典 ABB 公司推出了全球最快碼垛機器手IRB-460 ，操作節(jié)拍可到達2 190次/h，運行速度比常規(guī)碼垛機器手提升 15% ，作業(yè)覆蓋半徑達到 2.4 m，占地面積比一般碼垛機器人節(jié)省 20% 。德國KUKA 公司碼垛機器手KR 180-2 PA Arctic ，可在 -30 ℃下以 180 kg 全負荷進行工作，且無防護罩和額外加熱裝置，創(chuàng)造了碼垛機械手在寒冷條件下的極限。

圖5 常見碼垛機械手的機械手爪

圖6 碼垛機械手程序邏輯流程

控制系統(tǒng)技術

ABB 公司新出品的 IRC5 控制器，不僅繼承了前幾代控制器在運動控制、柔性、通用性、安全性、可靠性的優(yōu)勢，且在模塊化、用戶界面、多機器人控制等方面取得了全新性突破。 KUKA 公司新出品的KRC4 控制器具有高效、安全、靈活和智能化等優(yōu)點，將安全控制、機器人控制、運動控制、邏輯控制及工藝控制集中在一個開放高效數(shù)據(jù)標準構架中，具有高性能、可升級和靈活性等特點。

以上設備均在國內(nèi)潤滑油灌裝線碼垛環(huán)節(jié)實現(xiàn)了典型應用。

結(jié)束語

隨著機械手技術的不斷進步和國內(nèi)工業(yè)現(xiàn)場的普遍需求，機械手的生產(chǎn)成本必然出現(xiàn)規(guī)?；南陆担鴩鴥?nèi)人力成本的不斷高漲更會推動機械手在潤滑油生產(chǎn)環(huán)節(jié)的普及，未來除了碼垛工序外，在自動上桶、自動上蓋、自動分揀、自動裝箱等工序都可實現(xiàn)機械手對人和傳統(tǒng)機械機構的替代，很值得大力研究和推廣。