码垛机器人技术在解决劳动力不足、提高劳动生产效率、降低生产成本、降低工人劳动强度、改善生产环境等方面具有很大潜力。国外从20世纪60年代开始研究工业机器人,码垛机器人是伴随着工业机器人技术的发展而出现的,日本、德国、美国等发达国家的研究已取得一定成果。

国外码垛机厂家的研究与应用现状

最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运是日本和瑞典。20世纪70年代末日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974年,瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6,主要应用于工件的取放和物料的搬运。除此之外,德国、意大利、韩国等国家工业机器人的研发水平也相当高。随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟,日本、德国、美国、瑞典、意大利、韩国等国家在包装码垛机器人的研究上做了大量工作,相应推出了自己的码垛机器人,如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列,德国的KUKA系列,瑞典的ABB系列等。德国、瑞典以及日本等国家的码垛机器人一般为4～6轴机器人,主要由固定底座、连杆、连杆臂、臂部、腕部以及末端执行器组成,见图1。机器人主体多采用优质轻巧的铸铝材料制造和连杆式关节型的机构形式,均利用CAD和FEM有限元技术进行结构优化设计,具有较高的机械性能和抗震能力。

驱动系统均采用模块式数字化AC伺服电机和RV减速器,取消了腕部关节驱动电机和平衡块,大大优化了整机结构;针对不同类型的产品和包装件,还设计了真空吸持、夹持、叉式等多种形式的智能末端执行器。这些先进码垛机器人最显著的技术特点就是采用了基于PC的开放式控制系统,令机器人能够高速、精准、稳定可靠地运行。如瑞典ABB公司为IRB系列码垛机器人研发了主动安全软件和被动安全软件,可对机器人的运动和载荷情况进行监控;电子稳定路径功能可确保机器人在考虑加速度、阻力、重力、惯性等条件的同时,遵循预定运行路径;主动制动系统可以确保机器人维持运行路径的同时对制动予以控制,被动安全功能可实现机器人进行负载识别。日本FANUCM410i系列码垛机器人软件体系也非常强大,PalletTool/Palle2tPROTM用于码垛设置、仿真和操作;SupportsColli2sionGuardTM用于减少机器人、夹持器、箱/袋以及外围设备的碰撞损坏;基于网络的软件工具用于远程联机、诊断和生产监控;还专门配备了机器视觉引导系统,用于引导机器人完成拆垛和检查工作。

应用现状

国外先进的工业机器人技术和高度发达的机器人产业使得码垛机器人在各行各业都得到了广泛的应用。奥地利、瑞士、挪威等国家的酿酒厂、咖啡企业以及食品生产厂家,为减轻工人的负担,提高生产能力,降低产品破损率,利用2～3台KUKA码垛机器人,借助特殊的智能末端执行器,精准地抓取(或吸取)纸盒、香蕉纸箱、啤酒塑料箱或托盘,完成搬运和码垛(或拆垛)。基于PC的控制平台确保机器人能同时处理4条生产线和多种类型产品,整个过程中对象不会承受过大的夹持力或吸力,而且紧凑的设计使机器人的占地面积和工作空间达到了理想的水平。

美国润滑油制造商JTM公司选择MotomanModelUP165型机器人用于箱装和桶装润滑油的码垛,该机器人为6轴机器人,采用AC伺服电机驱动。专门设计的真空吸附式末端执行器由23个直径为75mm的真空吸头组成,每个真空吸头的控制阀由PLC实现控制,可一次吸取2个箱子或3个桶。采用码垛机器人后,每年可完成200000桶和150000箱润滑油的码垛作业,是人工工作量的近2倍。

EricHemmingson指出ABBFlexPalletizerIRB640型码垛机器人极大迎合了食品和饮料行业的需求,可用于纸盒、箱、袋类产品的包装、码垛、拆垛,其最大的特点之一就是弧形的上部手臂。腕关节的后仰不需要转动上部手臂,而由和上部手臂平行的连杆驱动实现。真空夹持器的动作由电磁控制器和真空泵实现。该码垛机器人的“大脑”是ABBS4C控制系统,系统的核心是基于微处理器的控制器,利用CAN现场总线实现通讯。该控制系统配备一个存有不同状况信号的双通道安全系统,确保机器人安全运行。

Hershey公司利用3台Motoman码垛机器人将3条生产线上不同类型的糖果纸箱集中码放在一个货盘上,然后送到发货中心。不同类型纸箱的码垛模式已经编好程序输入机器人,每一层的码放模式由纸箱尺寸决定,如果纸箱尺寸发生变化,预存的码垛程序需由技术人员从内存中调出,从而实现快速转换。每台机器人安装了柔性真空吸附系统,可自动控制需要触发的吸附手个数,以满足所需要拾取纸箱的个数。

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