提高機器人碼垛安全性

文/ 申曉瑞 黃春華 王威揚

煉化行業后道包裝線的機器人碼垛安全解決方案——近年來，隨著機器人的不斷普及，在煉化行業后道包裝線上，出現了越來越多的機器人碼垛車間，加速了化工產品倉儲物流的效率，節省了巨大的人工開支。然而，凡事都有其兩面性，在機器人帶來作業便捷的同時，其傷人事故也層出不窮。如何使得機器人在保證效率的同時提高安全性？本文將就這一課題展開研究，并針對機器人碼垛車間的應用提出安全解決方案，以供行業相關人員進行參考和借鑒。

煉化行業的后道包裝線

煉化行業的產品形態一般可分為：顆粒狀、粉劑狀以及液體狀以及片狀等等；對這些產品進行包裝的方式一般分為：袋裝包裝線、盒裝包裝線、灌裝包裝線、桶裝包裝線以及瓶裝包裝線等。其中，以袋裝包裝線和盒裝包裝線最為常見。

袋裝包裝生產線一般是將粉、粒狀原料生產過程中的稱重、供袋、取袋、裝袋、夾口、折邊、封袋、批號打印、倒袋整形、金屬檢測、重量復檢、剔除、輸送、機器人碼垛、空托盤配送、實托盤輸送、實托盤頂捆、托盤纏繞以及實托盤輸出等作業全部實現包裝自動化。大袋自動包裝生產線工程也可以形象的形容為從供袋到裝車工程。

圖1 煉化企業機器人碼垛包裝線

盒裝包裝生產線則是根據煉化企業下游端的要求，將多袋產品整合為一個紙箱，從而便于保存、運輸和銷售。其一般由紙箱開箱機、裝箱機、封箱機、捆扎機、碼垛機器人、托盤庫及輸送機、頂捆箭式全自動捆扎機以及在線式自動式纏繞膜機組成。其中還包括有：物料除塵系統、重量選別或金屬探測系統、不合格產品剔除系統（不合格的中包（重量）自動剔除到指定位置）、自動投放干燥劑設備以及角邊封箱機等系統。

此外，隨著智能物流和立體倉庫的加速導入，無人叉車以及AGV 也被越來越多地使用，并結合IT 層的管理和操控，數字化、智能化以及無人化的包裝產線整合倉儲物流將會是煉化企業后道產線的未來發展趨勢，如圖1 所示。

碼垛機器人的應用情況

碼垛機器人是集機械本體、計算機控制、傳感技術以及人工智能等多學科為一體的一種智能化技術裝備, 它能集成在生產線上的任意段,實現產品的快速獲取、搬運、裝箱、堆垛以及拆垛等作業。碼垛機器人在解決勞動力不足、提高勞動生產效率、降低生產成本、降低工人勞動強度以及改善生產環境等方面實現了巨大的技術突破，如圖2 所示。

圖2 碼垛機器人的工作場景

圖3 碼垛機器人安全系統

國外從20 世紀60 年代開始研究工業機器人，隨著機器人技術發展的步伐不斷加快，很多發達國家開始在包裝碼垛機器人方面進行了大量的研究。最早將工業機器人技術用于物體碼放和搬運的是日本和瑞典。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，主要應用于工件的取放和物料的搬運。

隨技術的不斷發展，原有的碼垛機器人在結構上不斷地被改造，并且其控制系統性能也得到了升級，融入了高新技術。越來越多的行業逐步導入了碼垛機器人的應用，以一個典型的煉化企業為例，美國潤滑油制造商JTM公司采用了Motoman 的Model UP165 型機器人用于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。

我國在20 世紀80 年代以后，在經過國家“七五”“八五”以及“九五”機器人技術攻關和“863”計劃的重點支持以及改革開放后的市場刺激下, 國內碼垛機器人技術得到迅速發展。在20 世紀90年代末, 我國建立了7 個科研基地與9 個機器人產業化基地, 其中包括沈陽新松、哈工大的博實自動化等?，F今，國內碼垛機器人應用逐漸普及到許多行業的后道包裝線，一般應用于生產量和勞動強度比較大、工傷事故率比較高的企業，比如，化 工、 煙 草、食品以及物流等等。

圖4 安全繼電器模塊及安全系統邏輯組態

機器人碼垛的安全解決方案

隨著碼垛機器人普及，其也帶來了許多問題，最典型的為：如何兼顧效率和安全。導致該問題的原因有主要有兩點：

第一，碼垛機器人有著笨重而復雜的機械結構，它的靈活性能和工作空間也相繼降低了很多，對環境和生產對象的迅速變化的適應水平不夠。在考慮碼垛機器人對人的安全時，如果人在生產過程中與機器人互動時都要停機，則會影響到產線的生產效率。

第二，碼垛機器人的智能化程度很有限，可靠性和穩定性還有待提高。在工業4.0 趨勢下的工業生產，需要碼垛機器人本身實現智能的安全控制功能，比如，警示與減速，同時還要監控操作員與機器人之間的安全距離，當操作人員進入到危險區域時，實現機器人的確實停止。

對于傳統的機器人碼垛工作站，為了保障安全性，其安全控制系統一般由：急停按鈕、安全門鎖、安全光幕和雙手按鈕來組成，各種安全設備連接到相應的安全繼電器模塊，由其來切斷機器人的動力源，實現安全信號觸發時機器人的動作停止，如圖3 所示。

這樣構成的安全系統雖然保障了安全性，但就實際生產現場而言，安全信號不停地誤觸發使得機器人不斷的停止和再啟動，而且考慮到機器人啟動前一般還需要安全專員進行現場安全信號的隱患排查，極大地降低了碼垛工作站現場的生產效率。

為了保證機器人碼垛工作站安全工作的同時，減少安全信號的誤觸發提高現場的工作效率，可以加入多層安全傳感器，并結合安全控制器，來實現報警、減速以及停止的多段式安全控制。

以采用上海辰竹CZSR Smart可組態型安全控制模塊，并結合分層的安全光電傳感器的安全系統為例，當觸發工作站內第一級光電時，機器人以60%的速度運行并發出聲光報警；當觸發工作站內第二級光電時，機器人以20%的速度運行；當觸發工作站內第三級光電時，機器人運行信號被切實切斷，從而使機器人處于停止狀態。通過正常運行、減速加聲光報警以及停機的3 段式控制，避免機器人的誤停機，提高碼垛工作站的運行效率，如圖4 所示。

此外，該系統還兼顧工作站在清掃維護時的門鎖與安全地毯的信號監控，其也被接入到安全控制模塊中，并進行了邏輯組態，使得整個系統的安全性能達到PLe Cat.4 等級，形成完整的新型機器人碼垛車間的安全整體方案。

小結

隨著煉化行業中后道包裝線中碼垛機器人技術的普遍應用，使得一個個的機器人工作站變成了新的生產管理對象，通過上述的安全整體方案，在顧全安全性的前提下，提高了生產效率，可作為案例來參考借鑒。