工業機器人在紙卷包裝系統貼標裝置中的應用

上海衡拓實業發展有限公司 李暉

一、概況

根據國家發展規劃，造紙行業正在逐步淘汰落后產能，隨著能耗大、污染嚴重的造紙企業被關停，市場空間得到進一步釋放。近幾年國內規模較大的造紙廠新上項目以大產量為主，箱板紙、瓦楞紙新上項目年產量超30萬噸，高檔文化紙、白卡紙年產量超50 萬噸。部分機臺產量達到了80 ～100 卷/小時，多機臺的生產線成為主流配置。隨著產量的提高，對紙卷輸送包裝系統節拍有了更高的要求。

其中，標簽作為紙卷生產、銷售、二次加工流轉過程中必要的信息載體，貼標裝置在紙卷輸送包裝系統中不可或缺。傳統的人工貼標、滾筒式貼標機由于效率低下正在逐漸被淘汰，市場對自動化程度較高的貼標裝置的需求較大。而傳統的自動貼標裝置，適用的貼標范圍較小，不能滿足造紙行業多種規格紙卷的貼標要求。工業機器人由于其可靠性、穩定性好，作為先進制造業發展的方向，在越來越多的行業中成為不可替代的重要裝備。結合紙卷輸送包裝系統的特性，將工業機器人應用于貼標裝置，將大大提高物流系統的能力。通過對工業機器人的應用及工藝流程的優化，可將貼標節拍控制在30S 內，滿足高速自動化生產的需要。

常規的貼標系統的標簽紙可分為兩類：背面預施水溶膠的標簽紙和不干膠標簽紙。其中，不干膠標簽紙對打印機的要求較高，且出現故障時處理時間過長，不適合造紙行業連續生產工況。背面預施水溶膠的標簽紙由于各項經濟指標較好，且不易造成設備故障，可靠性較好，在行業中被廣泛應用。本文中應用的貼標裝置使用背面預施水溶膠的標簽紙。

二、貼標系統

1、系統組成及工藝流程

貼標系統由機器人主體（含控制器）、夾具、氣動系統、打印及噴水系統和自動控制系統組成。

紙卷包裝完成后通過輸送系統到達指定標簽粘貼工位，根據信息系統提示，打印系統提前打印標簽，打印完成后通知機器人取走標簽。機器人抓取標簽并完成噴水后，按照事先示教的位置運行到貼放位置附近，通過與控制系統的信息交互，獲取紙卷的幅寬、直徑等信息，確定標簽粘貼的準確位置。夾具釋放標簽，放置在紙卷上，機器人根據紙卷參數，以合適的力度及角度，將標簽撫平、壓緊在紙卷上。貼標完成后，機器人將完成信號發送給控制系統，輸送機將紙卷輸送到下一個工位，同時將下一個待貼標紙卷送到標簽粘貼工位。

2、機器人主體

機器人采用6 自由度多關節型通用機器人。根據粘貼標簽數量及紙卷直徑范圍，選擇不同規格的機器人型號。常規系統應用機器人以ABB IRB4600 型機器人為基礎，其主要規格參數如表1 所示。實踐證明，該型機器人可以完成紙卷直徑范圍為φ600 ～2000mm 的紙卷筒身貼標，并在輸送系統的配合下完成紙卷端面貼標。

表1 ABB IRB4600 機器人規格及性能特點

ABB IRB4600 機器人規格及性能特點示教器是進行機器人手動操作、程序編寫、參數配置及監控的手持裝置，也是最常見的機器人控制裝置，如圖1 所示。ABB IRB4600型機器人具備工具坐標系多點標定功能，實際應用中，一般先通過工具中心點（TCP）位置多點標定進行大范圍運動點標定，再進行工具坐標系（TCF）姿態多點標定進行精細調整。在位置標定完成后，人工輸入相關運行參數，如運動的速度數據、TCP 速率、總運行時間等，組合運用線性運動指令、關節運用指令及圓弧運動指令完成機器人動作。

圖1 機器人控制柜及示教器

3、夾具設計

根據實際貼標需求進行夾具結構設計，本裝置設計為一次可進行兩張標簽紙粘貼。夾具結構設計圖見圖2。該夾具適用于A3 標簽紙，也可經過簡單調整后用于A4/A5 標簽紙。

圖2 多用型夾具設計圖

夾具采用法蘭與機器人本體連接。罩殼設計為三角形截面，兩個貼標面的角度范圍為30°～45°，適用于同時粘貼2 張標簽紙。貼標機構主體采用橡膠吸盤安裝在聚氨酯材質吸標板上，配真空泵或真空發生器實現真空功能，相關檢測傳感器集成在夾具上。標簽打印完成后，夾具在機器人作用下運行至拾取位，真空打開，吸標板吸附標簽。夾具運行至貼標位置后，真空釋放，標簽放置到指定位置后進行粘貼動作。

吸標板是由聚氨酯材料制成，橡膠吸盤粘接覆蓋在貼標板基板上，在吸標板面上與吸盤相對應的位置均勻開設有多個小孔。聚氨酯材質軟硬適中，通過調整機器人粘貼的角度及力度，能較好的避免標簽起褶、翹角、氣泡等問題，標簽粘貼定位精準，外觀平整。

氣動系統所產生的真空由吸盤均勻分布到吸標板面上，吸標面外面的大氣壓大于所形成的真空腔內部的氣壓，進而外部氣體通過吸標面上的小孔進入真空腔內，在吸標面的外部產生對標簽的吸附力。根據標簽大小設計不同尺寸的夾具，吸標板略小于標簽尺寸，常用的A5/A4 標簽紙面大小配6個吸盤，A3 標簽配12 個吸盤。

機器人夾具上安裝有傳感器，以確認夾具是否正確吸附標簽。

4、氣動系統設計

氣動系統在本設備中占比不多，卻起著十分重要的作用。夾具吸附標簽就是靠氣動系統產生的負壓，將標簽吸附在吸標板上。

當前在自動化裝置中普遍使用的真空發生裝置主要有真空泵和真空發生器。

機械式的真空泵結構比較復雜，通常是采用活塞或葉輪部件進行抽氣、排氣，通過不斷地抽氣、排氣在吸氣口處產生較高的真空度。機械式真空泵一般應用于多處作業需要持續真空作業的自動化系統中。真空發生器是利用壓縮空氣的流動而形成一定真空度的氣動元件，與真空泵相比，它的結構簡單、體積小、質量輕、價格低、安裝方便，與配套件復合化容易，真空的產生和解除快，宜從事流量不大的間歇工作，適合分散使用。

在實際應用中，根據生產節拍及吸附標簽尺寸的差別，一般采用真空泵為吸標板提供負壓吸力。在部分生產節拍較慢，標簽尺寸較小的情況下，也可選用真空發生器為吸標板提供負吸壓力。

5、打印系統及噴水系統

造紙行業使用的標簽背面預施水溶膠，配套相應的噴水系統，如圖3、圖4所示，在機器人拾取標簽后進行水霧噴灑，然后進行粘貼動作。打印系統與生產信息管理系統通訊，若存在多紙種混合生產，打印系統可按照標簽樣式選配多紙盒打印機，系統可根據紙卷信息自動選擇相應標簽紙并完成打印。打印機出紙平臺裝有傳感器，以確認標簽是否打印完成及被取走。

圖3 標簽存放盤

圖4 噴水系統

6、控制系統設計

控制系統主機采用西門子S7-1500 系列可編程控制器（PLC），負責物流系統上所有設備的控制，在傳感器的配合下實現自動輸送包裝功能?？刂葡到y采用西門子Portal 軟件，包含實現過程可視化控制及監控控制和數據采集功能，實時監控設備運行狀態。標簽打印機通過以太網和網絡數據庫相連，當紙卷到達相應的工作位置時，數據庫將相關標簽打印信息所需要的數據發送給打印機，由打印機完成紙卷的標簽打印。

機器人控制器采用PROFINET 模塊與PLC 進行通信，保證機器人與控制系統信息交互流暢。為方便控制，采用觸摸屏作為人機交互頁面，相關控制信息及運行狀態顯示在觸摸屏上，參數設置、故障診斷及消除等功能也通過觸摸屏設置。

三、實際應用

隨著工業自動化水平的提高，工業機器人在生產設備中的應用越來越廣泛，如圖5 所示。機器人貼標裝置滿足了紙卷輸送包裝系統中對標簽粘貼高效、可靠的要求，設備運行滿足工廠生產節拍要求，有效提高了生產效率，同時又提升了產品質量，提高企業的產品競爭力。該裝置具有良好的市場前景。

圖5 工業機器人在貼標系統中使用