機械手在自動包裝領域的應用

董煒亮

（南京金陵塑膠化工有限公司，江蘇 南京 210047）

20世紀60年代，人類歷史上第一臺工業機器人誕生，標志著人類工業發展進入了機器人時代。從那之后，歐美發達國家都把研究開發工業機器人，作為提升本國制造水平和科學發展水平的重要途徑。機械手碼垛機就是其中的典型代表，它可以模仿人手的部分動作，并按給定方向和軌跡，實現自動抓取、搬運和擺放，在包裝領域和物流領域發揮著越來越大的作用。將機械手與包裝流水線相結合，既提高了包裝的工作效率，又減少了人力資源的開支，使當代企業迅速適應不斷變化的市場需求，產生巨大的經濟效益。

1 機械手的簡介

機械手碼垛機是專業的自動化搬運碼垛設備，可部分或全部替代人工搬運碼垛，既能提高企業的生產效率，又能節約大量人力資源成本，使企業達到減員增效的效果，因而深受制造業、化工、物流等行業的青睞。

機械手可用于袋裝、瓶裝、罐裝、紙箱等各種形式的包裝成品碼垛，尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及具有放射性污染物的場所，應用更為廣泛。

在一些簡單重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身傷害事故。

2 機械手的發展歷史與應用現狀

2.1 國外機械手的發展歷史

國外在20 世紀60 年代開始研究工業機器人，機械手是伴隨著工業機器人的發展而出現的。最早將工業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應用于碼垛作業。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，主要用于工件的取放和物料的搬運。隨著計算機技術和人工智能控制等技術的發展，德國、美國、日本等國家進一步對機械手進行研究，并推出了自己的產品，如日本的FUJI 系列、瑞典的ABB系列、德國的KUKA系列等。

2.2 國內機械手的發展歷史與應用現狀

我國工業機器人的研究和應用開始于20 世紀70 年代，當時發展比較緩慢，研究和應用水平比較低。20世紀80年代后，隨著改革開放的不斷深入和國家政策的鼓勵，使得我國工業機器人技術達到了一定的水平，機械手技術也得到了快速的發展。在借鑒和學習國外先進的機器人技術的同時，積極地研究開發自主產品，涌現出了一大批代表企業，國外機械手在我國市場一統天下的局面已被打破。

但由于我國機械手的研究與應用起步較晚，總體看來，與國外相比還有很大的差距，如運行的可靠性、精度、適用性等方面都有待提高。我國機械手的發展規模仍然很小，產品規格較多，并沒有形成一個相對統一的標準和專門的產業，現有廠家的零部件大多進口，供貨周期長，成本高。因此我們要腳踏實地，對機械手系統及結構進行深入的研究，進一步完善機械手相關產品，努力提高我們工業機器人的發展水平。

3 機械手在聚丙烯生產中的應用

3.1 機械手的技術指標

我公司正在使用的是上海沃迪自動化裝備股份有限公司的兩臺機械手，其技術指標為：（1）抓舉重量120kg；（2）碼垛次數≤800 次/小時（可調）；（3）運動軸數4 軸；（4）手臂旋轉角度330°；（5）消耗功率4Kw/h。（數據廠家提供）

3.2 公司機械手具體使用情況

我公司現有兩套間歇法聚丙烯生產裝置，一共14 臺聚合釜，產能可以達到107kt/a。是國內間歇法聚丙烯最大的生產裝置之一，產量及主要技術指標均居同類產品前列。聚丙烯產品質量的好壞不僅僅只在生產環節，在包裝環節也尤其重要。聚丙烯成品包裝質量分為產品本身質量和產品外包裝質量。下面將機械手與人工包裝做對比，來闡述機械手在聚丙烯生產的應用。

3.2.1 原來的人工包裝

人工碼垛情況是第1-6層每層6包，第7層4包，共計40包。每包產品25kg，一托盤正好是1t。

人工碼垛的弊端：①包裝呈上空下實，水平放置時呈傾斜狀，導致整個堆垛呈不規則形狀。②每個托盤的每一面不整齊，會有部分料包凸出，造成碼垛不整齊，容易在搬運過程中掉落或倒塌。③由于碼垛的不規則，導致在叉車運輸過程中造成碰擦致使破包，使聚丙烯外漏。破包既造成聚丙烯顆粒和編制袋的浪費，又造成產品凈含量不足，容易引起顧客對于產品重量不夠的投訴。④由于碼垛不規則，由人工包裝的堆垛只能在倉里擺放一層，上面不能再堆放產品，造成倉庫空間不能充分利用。⑤員工高強度重復性勞動，容易造成疲勞，甚至腰部扭傷、摔倒、中暑等工傷事故。

3.2.2 現在的機械手包裝

機械手碼垛情況是每層5包，共8層，一托盤同樣是1t。

機械手包裝的好處：①由于產品在包裝線上經過包裝機、推倒機、整形機，再通過皮帶傳送到機械手的位置，整個包裝呈長方形，碼垛出來后整體方正、整齊，不容易掉落和倒塌。②破包率大幅度減少。由于產品規整，碼放整齊，破包率由人工包裝的0.47%降至現在的0.15%，使得運輸過程中的破損達到最低點，并且也保護了作業環境，減少了包裝現場及倉庫的聚丙烯顆粒粉塵量。③機械手的抓取效率可以達到800包/小時，而人工包裝效率為220 包/小時，其效率遠遠大于人工包裝，提高了包裝崗位的工作效率。下表是我公司機械手包裝線與人工包裝線各項數據的對比。

機械手與人工包裝的數據對比

我公司現產能107kt/a，平均每天產量至少290t，若按照人工包裝效率，將無法完成全年生產目標，由此可以看出機械手在聚丙烯生產中不可替代的作用。④機械手具有占地面積小、高負荷、高效率、高穩定性等特征，性能可靠加上便于維護保養，有利于企業生產線的布置，增加廠區空間的利用率。

4 機械手的未來發展前景

對于機械手接下來的研究，重點在智能作業和網絡化等方面，挖掘其更深層次的潛力，使其功能更加強大，適應更多復雜的作業環境。

4.1 智能作業方面

現階段各行業使用的機械手大多數采用觸屏控制模式，雖然比傳統的傳感器控制模式有了很大進步，但仍然過多依賴人參與示教，其智能性還有待提高。研究和發展智能作業，可以實現機器人作業的高度柔性和對環境的適應性，同時降低操作人員參與的復雜性。智能作業借助多傳感器技術，可以實現機械手碼垛機的自我示教和自我完善。

4.2 網絡化方面

網絡化使機器人從獨立系統向群體系統發展。機械手僅僅是在包裝環節應用的工業機器人，未來企業發展將會使機器人技術推廣的其他各個生產環節，若利用網絡使這些獨立的智能化系統能夠聯系起來，在企業生產中實現自我判斷，相互協調，如此，操作人員實現遠距離操作監控和維護將成為可能。

5 結語

機械手在自動包裝領域發揮著重要的作用，它不僅能承受高負重，而且速度和質量遠遠高于人工，提高了包裝的工作效率，減少了人力資源開支。在現今社會，若企業過多地使用人工生產，必然增加企業的用工成本。化工企業危險性較大，人員越多，所產生的不安全因素也會越多。人工長時間重復勞動，容易造成職業病，間接增加企業負擔。利用機械自動化來代替人工是未來企業發展的必然趨勢。隨著自動化技術的進步，機械手將具有更加廣闊的發展前景。