一種新型機器人雙用夾具在煙箱碼垛過程中的應用分析

伍建忠

（廣東中煙工業有限責任公司廣州卷煙廠，廣東廣州 510310）

一種新型機器人雙用夾具在煙箱碼垛過程中的應用分析

伍建忠

（廣東中煙工業有限責任公司廣州卷煙廠，廣東廣州 510310）

對煙草行業的機器人煙箱碼垛方式進行了分析研究，指出單用夾具在機器人碼垛過程中存在的問題和缺點，提出一種新型雙用夾具的設計方案，并對這種新夾具的實際應用效果進行了分析，其優點明顯，值得應用推廣。

煙箱；碼垛；機器人；夾具

0 前言

近年來，物流高架庫逐漸普及應用，國內大型卷煙生產企業的成品庫普通采用工業機器人進行托盤碼垛的方式進行入庫，碼垛方式一般是采用單夾具吸盤對煙箱進行碼垛，按一定的碼垛形式，以24件或28件煙箱為一整托盤，然后通過堆垛機進入高架庫區進行存放。配合機器人碼垛，一般需要通過機械機構進行托盤組的拆垛和木托盤的輸送定位，因此，這種傳統的托盤碼垛方式占用了較多的場地來擺放輸送設備，而且由于輸送機構距離較長和傳動機構較多而增加了故障停機因素。

由于工業機器人是標準化的先進設備，具有高靈活性、高精確度和高可靠性等特點[1]，其應用范圍也越來越廣，其它行業早已有利用機器人進行托盤抓取定位的應用案例，因此，能否可以將機器人的碼垛方式由單用夾具改為雙用夾具的方式，利用碼垛機器人夾取木托盤代替機械輸送機構進行木托盤的拆分和輸送定位，變單用機器人為兩用機器人，提高機器人的利用率，減少場地的占用，減少設備投資，值得進行分析研究。

1 機器人單用夾具的碼垛模式分析

機器人單用夾具的煙箱碼垛模式，是根據每臺機器人所需要處理的煙箱牌號數量、處理速度、煙箱堆疊方式等方面進行綜合考慮，每臺機器人可以同時負責多條分道的煙箱碼垛工作，在實際使用過程中，每個企業采取的碼垛形式不盡相同，但普遍采取每臺機器人負責兩條通道的煙箱碼垛方式，一般工業機器人的碼垛速度最高可達12件/分鐘[2]。機器人一般采取6軸旋轉機器人，機器人的動作可以通過應用程序設定固定的動作，并通過一個吸盤夾具，就可將成品煙箱按一定的抓取規律整齊碼放在托盤上，這已經是較為成熟可靠的方式，但對于碼盤工位上的空托盤如何補充，則應用方案形式多樣，主要是由于木托盤在庫區的儲存方式普遍是以托盤組的方式存儲，每組6～10個托盤，要將托盤組拆成單一托盤，并輸送至碼垛工位，采取的機械傳輸方案形式多樣，經了解，多數煙廠選擇以下兩種方案。

（1）方案一

統一在入庫區內設一個或多個拆盤機，托盤組集中拆盤后由輸送系統輸送至多個機器人的碼垛工位，詳見圖1。

托盤組經輸送機從庫區出來，經拆盤機拆盤后，空托盤經輸送機輸送，經碼盤工位進行碼垛，碼垛完畢后經輸送機回庫上架。

圖1 方案一

由圖1看出，此方案中，需要安裝數量較多的長距離輸送機，而且還需要占用大量的庫區場地。因此，這個方案具有投資費用高、占用場地多、故障點多等缺點。

（2）方案二

托盤組經穿梭車出庫，在機器人兩個碼垛工位之間建立托盤組工位，在每個托盤組工位上設拆盤機，再通過提升移栽機送至碼垛工位。

方案如圖2所示。托盤組下架后通過穿梭車、輸送機等運送到托盤組工位，拆盤機將托盤組分拆后，單空托盤經提升移栽機輸送至碼垛工位。此方案中貨物輸送路徑較短，使用輸送機數量少，受場地大小的制約較低，且設備運行效率也明顯高于上一方案，但需要為每一臺機器人配套一臺拆盤機及提升移栽機等相應的設備，而且受拆盤機拆盤時間、提升移栽機動作時間等因素制約，運行效率仍然不高。

圖2 方案二

以上兩種方案由于采用機械傳輸機構，不可避免地存在占用場地多，投資費用高和故障點多等缺點。

2 機器人雙用夾具的碼垛設計方案

由于機器人使用不同的夾具，均可以夾取煙箱和木托盤，如果設計一種雙用夾具，可以由同一機器人分別夾取煙箱和木托盤，那么，只需要一個托盤組工位，將托盤組工位設在兩個碼垛工位之間。如圖3所示。

圖3 雙用夾具碼垛方案

托盤組下架后經輸送機、穿梭車送到拆盤工位。正常碼垛時機器人用吸盤夾具工作，吸取件碼放于碼垛工位上的托盤上，一托盤碼垛完成后，托盤向前輸送，由穿梭車送至貨架區；機器人雙用夾具翻轉，用木托盤夾具抓取拆盤工位上的托盤，放置于碼垛工位上，再開始下一輪的碼垛工作[3]。可以看到，這種碼垛方案，整體設計結構簡單，使用設備少，不需要拆盤機、移栽機、橫向輸送機、長距離輸送機等設備，設備之間的距離更緊湊，節省了位置。最重要的是，由機器人直接抓取托盤，速度更快，大大提高了工作效率，而且還多出一個托盤組緩沖工位，進一步提高了工作效率。從而可以克服用機械機構進行托盤組分拆和輸送定位投資費用高、占用場地、故障點多等缺點。

3 雙用夾具在實際使用中的應用效果

廣州卷煙廠是一家異地技改的大型現代化卷煙生產企業，年生產能力達150萬大箱/年，其自動化成品物流高架庫設計要求：采用托盤碼垛方式入庫存儲，共設計6臺機器人進行碼垛，每臺機器人對兩個工位煙箱進行碼垛，每托盤28件，碼垛速度要求達到10件/分。正是考慮到使用雙用夾具的優點，其實際碼垛方案設計如下：

碼垛機器人選用ABB公司的IRB6640型號機器人，為6軸可轉動機構，使用IRC5電子控制系統，編程設定機器人動作，采用雙用夾具分別進行煙箱和木托盤夾取，碼垛方式如圖3。

雙用夾具的設計：正反面分別綜合應用了吸盤式夾具和木托盤夾具這兩種成熟應用的夾具，這種雙用夾具有兩面，一面是吸盤，用正壓經真空發生器產生負壓吸力，用于吸起煙箱，每次最多可以吸取兩件煙箱。另一面是一個用氣缸推動的鋁質夾爪，可用于抓起托盤。功能上這種夾具滿足使用的要求，且兩種功能均為正壓氣動，安裝實施時在提供動力上也較為簡單。如圖4，上圖是用吸盤吸取煙箱的方式，下圖是用夾爪抓起托盤的方式。

IRB6640型機器人最大負載約150 kg，實際抓取質量不大于50 kg，因此夾具整體重量不能大于100 kg。因機器人有效抓取質量有限，為降低雙用夾具的重量，設計要求整體結構緊湊輕巧，安全可靠，另夾具材質選用高強度的鋁合金材料[1]，鋁合金使材料本身的重量減輕，另在材料上挖一些孔以減輕整體夾具的重量，以滿足機器人的負載要求。木制托盤采用四向進叉歐式，自重不大于50 kg。

在實際應用中，成品件煙經過車間件煙輸送線進入成品庫入庫區，匯流進入分揀線，分揀線通過掃描一號工程條碼將不同品牌件煙分揀到設定好的通道，位于通道末端的機器人用雙用夾具抓取件煙，碼放于托盤上，木托盤也是通過機器人進行抓取定位，碼盤完畢后托盤經輸送機、穿梭車運送至貨架區，由堆垛機運送上貨架。

采取這種雙用機器人夾具的碼垛入庫方案，經過實際測試，機器人抓取一次空托盤的最大時間為15秒，而煙草行業機器人碼盤平均速度為12件/分鐘[2]，加上這15秒的換托盤時間，綜合碼盤平均速度仍達到11件/分鐘，超過了10件/分鐘的設計要求。相對于單用夾具的碼垛方式，雖然雙用夾具稍微復雜一些，但相應的配套設備卻大大簡化了，設備投入相應減少，并且減少了庫區場地的占用，設備整體的保養和維護也更為方便。自2012年廣州卷煙廠投入生產以來，使用機器人雙用夾具進行碼垛這種模式已經運行了約兩年，設備故障率極低，可靠性很高，完全滿足機器人碼垛入庫的設計要求。

圖4 實際應用

4 結論

綜上所述，碼垛機器人使用雙用夾具在卷煙行業的煙箱碼垛入庫具有實用性、可靠性較好、整體方案成本低等優點，并在廣州卷煙廠得到成功應用，值得在煙草行業及其他行業應用推廣。

［1］李智峰.一種新型夾具在機器人紙箱堆垛中的應用［EB/OL］.http：//wenku.baidu.com/view/014a47755ac?fa1c7aa00cc0b.html.2013-03-08.

［2］楊灝泉，李濤，張勇，等.成品煙箱拆垛、碼垛SCARA機器人研制［A］.2004年煙草機械學術研討會文集［C］.2004：59-65.

［3］柳國光，陳暉，王濤，等.基于Motoman-Mpl100的全自動飼料碼垛系統研究［J］.機電工程，2014（02）：221-223.

Application of a New Type of Double Fixture for Stacking Cigarette Cartons by Robot

WU Jian-zhong
（China Tobacco Guangdong Industrial Co.，Ltd，Guangzhou 510310，China）

This paper introduces the mode of stacking cigarette cartons by robot in tobacco industry，it is pointed out that single fixture in robot stacking process problems and shortcomings，puts forward a new type of double fixture design，analyzes actual application effect of the new fixture.It has obvious advantages and worthy of promotion and application.

cigarette carton；stacking；robot；fixture

TG756

：B

：1009－9492(2014)10－0094－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.026

伍建忠，男，1972年生，廣東臺山人，大學本科，碩士，工程師。研究領域：機械制造及工業工程。已發表論文4篇。

(編輯：王智圣)

2014－04－18