碼垛機器人技術在解決勞動力不足、提高勞動生產效率、降低生產成本、降低工人勞動強度、改善生產環境等方面具有很大潛力。國外從20世紀60年代開始研究工業機器人,碼垛機器人是伴隨著工業機器人技術的發展而出現的,日本、德國、美國等發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:最早將工業機器人技術用於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用於碼垛作業。1974年,瑞典ABB公司研發了全球第一臺全電控式工業機器人IRB6,主要應用於工件的取放和物料的搬運。除此之外,德國、意大利、韓國等國家工業機器人的研發水平也相當高。隨著計算機技術、工業機器人技術以及人工智能控制等技術的發展和日趨成熟,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,見圖1。機器人主體多采用優質輕巧的鑄鋁材料制造和連桿式關節型的機構形式,均利用CAD和FEM有限元技術進行結構優化設計,具有較高的機械性能和抗震能力。

驅動系統均采用模塊式數字化AC伺服電機和RV減速器,取消了腕部關節驅動電機和平衡塊,大大優化了整機結構;針對不同類型的產品和包裝件,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。這些先進碼垛機器人最顯著的技術特點就是采用了基於PC的開放式控制系統,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了主動安全軟件和被動安全軟件,可對機器人的運動和載荷情況進行監控;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,遵循預定運行路徑;主動制動系統可以確保機器人維持運行路徑的同時對制動予以控制,被動安全功能可實現機器人進行負載識別。日本FANUCM410i系列碼垛機器人軟件體系也非常強大,PalletTool/Palle2tPROTM用於碼垛設置、仿真和操作;SupportsColli2sionGuardTM用於減少機器人、夾持器、箱/袋以及外圍設備的碰撞損壞;基於網絡的軟件工具用於遠程聯機、診斷和生產監控;還專門配備了機器視覺引導系統,用於引導機器人完成拆垛和檢查工作。

應用現狀

國外先進的工業機器人技術和高度發達的機器人產業使得碼垛機器人在各行各業都得到了廣泛的應用。奧地利、瑞士、挪威等國家的釀酒廠、咖啡企業以及食品生產廠家,為減輕工人的負擔,提高生產能力,降低產品破損率,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,完成搬運和碼垛(或拆垛)。基於PC的控制平臺確保機器人能同時處理4條生產線和多種類型產品,整個過程中對象不會承受過大的夾持力或吸力,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型機器人用於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。專門設計的真空吸附式末端執行器由23個直徑為75mm的真空吸頭組成,每個真空吸頭的控制閥由PLC實現控制,可一次吸取2個箱子或3個桶。采用碼垛機器人後,每年可完成200000桶和150000箱潤滑油的碼垛作業,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的需求,可用於紙盒、箱、袋類產品的包裝、碼垛、拆垛,其最大的特點之一就是弧形的上部手臂。腕關節的後仰不需要轉動上部手臂,而由和上部手臂平行的連桿驅動實現。真空夾持器的動作由電磁控制器和真空泵實現。該碼垛機器人的“大腦”是ABBS4C控制系統,系統的核心是基於微處理器的控制器,利用CAN現場總線實現通訊。該控制系統配備一個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條生產線上不同類型的糖果紙箱集中碼放在一個貨盤上,然後送到發貨中心。不同類型紙箱的碼垛模式已經編好程序輸入機器人,每一層的碼放模式由紙箱尺寸決定,如果紙箱尺寸發生變化,預存的碼垛程序需由技術人員從內存中調出,從而實現快速轉換。每臺機器人安裝了柔性真空吸附系統,可自動控制需要觸發的吸附手個數,以滿足所需要拾取紙箱的個數。