機(jī)器人拆垛工作站效率分析

朱 巖，聞 琦，陳傳軍，韓 亮

（北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在國內(nèi)人工成本急劇增加的大環(huán)境下，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用幾乎遍布各行各業(yè)。在各類工廠和企業(yè)的物料拆碼垛方面，自動化程度極高的機(jī)器人正在被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的人工拆碼垛方式面臨工作強(qiáng)度大，招工困難等困境，員工工作效率低且存在較高的錯誤率。工業(yè)機(jī)器人能夠根據(jù)物料的外形特點，根據(jù)信息系統(tǒng)的分配數(shù)量和位置，自動進(jìn)行高效的分類搬運(yùn)，高效化、無人化、智能化地完成拆碼垛作業(yè)[1～5]。

在實際應(yīng)用案例中，如何選擇機(jī)器人自動拆垛系統(tǒng)的數(shù)量和選型配置是使用方最為關(guān)心的話題，夾具的形式和整理平臺機(jī)構(gòu)的拆垛作業(yè)效率是每小時多少箱？能否滿足系統(tǒng)的吞吐能力需求？這需要綜合考慮機(jī)器人本體的選型、抓取夾具的選型、整理平臺的選型、拉距換向機(jī)構(gòu)的選型、輸送系統(tǒng)的選型等，這些機(jī)構(gòu)在智能化信息系統(tǒng)的管理下協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)物料的自動拆垛作業(yè)。本文針對上述機(jī)構(gòu)的不同搭配選型，詳細(xì)分析了機(jī)器人自動拆垛工作站的選型和效率。

1 產(chǎn)品垛型分析

為了更加清晰直觀地分析機(jī)器人拆垛的效率，現(xiàn)選取某商品的6種常規(guī)產(chǎn)品的箱規(guī)信息進(jìn)行垛型分析，通過分析箱子的堆碼信息可以計算得出該系列產(chǎn)品的單托最大碼垛箱數(shù)和整層碼垛箱數(shù)、整層碼垛排數(shù)、單排碼垛箱數(shù)等參數(shù)，用于分析對比機(jī)器人拆垛系統(tǒng)在不同規(guī)劃布局下的拆垛效率。

經(jīng)過測算和數(shù)據(jù)分析，機(jī)器人自動拆垛的產(chǎn)品堆碼信息如表1所示：

表1 產(chǎn)品堆碼信息

2 滿足機(jī)器人視覺拆垛的產(chǎn)品條件

1）紙箱的材質(zhì)應(yīng)符合自身的重量要求，作業(yè)前不可出現(xiàn)破損、變形，作業(yè)過程中不可出現(xiàn)非撞擊性的破損、脫底等現(xiàn)象。對于實際測試中因頂面面積小但密度大的品規(guī)出現(xiàn)易掉箱的情況，建議不進(jìn)入機(jī)器人區(qū)域。

2）所有帶有塑封、套袋等二次包裝的紙箱，需在現(xiàn)場進(jìn)行測試，常規(guī)符合機(jī)器人拆碼垛要求的可以進(jìn)入機(jī)器人拆碼垛區(qū)。

3）紙箱尺寸、外包裝材質(zhì)（包括反光等）、顏色及打包帶顏色需要滿足視覺的識別，對于實際測試中不能識別或識別率低的品規(guī)，建議不進(jìn)入機(jī)器人拆碼垛區(qū)域。

表2 垛型效果及三視圖

4）拆垛時，貨物與貨物之間不存在黏接，且每個貨物實際尺寸與理論尺寸差異不得超過5mm。每層物料在排與排或列與列之間的位置誤差不可超過20mm且托盤上物料實際擺放角度與理論無角度偏差角小于5°[6～9]。

3 機(jī)器人拆垛分析

機(jī)器人工作站通常由拆垛機(jī)器人、拆垛夾具、視覺模組、整理平臺、推桿模組、頂升移載機(jī)構(gòu)、拉距輸送線、換向轉(zhuǎn)輥輸送線等組成。

圖1 機(jī)器人工作站布局

系統(tǒng)根據(jù)拆垛效率可規(guī)劃為兩種布局類型：層拆機(jī)器人工作站與排拆機(jī)器人工作站。兩種布局選用不同的拆垛夾具，每小時拆垛效率也不同，具體采用哪種布局，需要結(jié)合系統(tǒng)的實際需求效率和產(chǎn)品特性進(jìn)行規(guī)劃選型。

3.1 層拆機(jī)器人拆垛動作流程

層拆機(jī)器人箱式線為L形布局，每次機(jī)器人抓取整層紙箱，一次性放置于整理平臺上。

圖2 層拆機(jī)器人工作站三維示意圖

表3 層拆機(jī)器人拆垛動作流程

3.2 排拆機(jī)器人拆垛動作流程

排拆機(jī)器人箱式線為一字形布局，每次機(jī)器人抓取整排（約2～5箱）紙箱，一次性放置于整理平臺上。

圖3 排拆機(jī)器人工作站三維示意圖

表4 排拆機(jī)器人拆垛動作流程

3.3 機(jī)器人夾具拆垛能力分析

結(jié)合上文所述的6種常規(guī)產(chǎn)品的垛型分析，可以計算得出該系列產(chǎn)品的最大/小拆垛節(jié)拍，用于分析對比整個系統(tǒng)的拆垛效率。

結(jié)論：

針對該6種產(chǎn)品，層拆效率在2250～5400箱/小時區(qū)間，則最小效率為2250箱/小時；

針對該6種產(chǎn)品，排拆效率在1091～1571箱/小時區(qū)間，則最小效率為1091箱/小時。

4 工作站全流程分析

上一節(jié)介紹的是機(jī)器人工作站“抓取紙箱后放置在整理平臺上”這一單一動作的流程，在實際應(yīng)用中，機(jī)器人拆垛作業(yè)的全流程不僅限于此，還包括整理平臺拉距換向機(jī)構(gòu)，即整理平臺對整層/整排紙箱的整理、拆分單箱、拉開距離、依次輸送、調(diào)轉(zhuǎn)方向（如需要）、繼續(xù)輸送分揀等步驟，各步驟采用的機(jī)構(gòu)均有效率瓶頸點。這些機(jī)構(gòu)決定了一套機(jī)器人工作站的最終拆垛作業(yè)效率及實際應(yīng)用效果，各環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，缺一不可。

4.1 層拆工作站作業(yè)全流程

圖6 層拆機(jī)器人工作站俯視圖

表5 拆垛節(jié)拍分析

表6 層拆工作站作業(yè)全流程

4.2 排拆工作站作業(yè)全流程

圖7 排拆機(jī)器人工作站俯視圖

2）根據(jù)實際測算，層拆工作站1套整理平臺的平均效率約為1800箱/小時。

3）現(xiàn)擬定兩種工作站選型，即：

選型①：1臺機(jī)器人+1套層拆夾具+1個整理平臺；

選型②：1臺機(jī)器人+1套層拆夾具+2個整理平臺；

4）選型①工作站搭配為每臺層拆機(jī)器人配合1套整理平臺拉距換向機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)效率瓶頸點在于整理平臺約1800箱/小時，故選型①工作站總輸出流量為至少1800箱/小時。

5）選型②工作站搭配為每臺層拆機(jī)器人配合2套整理平臺拉距換向機(jī)構(gòu)，整理平臺效率翻倍為3600箱/小時，因而系統(tǒng)效率瓶頸點在于夾具機(jī)構(gòu)最小2250箱/小時，故選型②工作站總輸出流量為至少2250箱/小時。

表7 排拆工作站作業(yè)全流程

通過上述描述可發(fā)現(xiàn)，箱子放置在輸送線上后，排拆機(jī)器人單次需要分離的箱子數(shù)量較少，因而分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計及動作流程較為簡潔。一般情況下，排拆機(jī)器人的單次作業(yè)流程比層拆機(jī)器人用時少。然而排拆方案需要的抓取動作次數(shù)多，在拆垛階段耗時較多，所以整個機(jī)器人工作站的全流程作業(yè)效率需要結(jié)合上述兩個關(guān)鍵點綜合考量。

5 四種選型分析

5.1 層拆分析

1）由上文“拆垛節(jié)拍分析”可知，機(jī)器人層拆夾具對該6種產(chǎn)品的層拆效率為2250～5400箱/小時，則最小效率為2250箱/小時。

圖6

5.2 排拆分析

1）由上文“拆垛節(jié)拍分析”可知，機(jī)器人排拆夾具對該6種產(chǎn)品的排拆效率為1091～1571箱/小時，則最小效率為1091箱/小時。

2）根據(jù)實際測算，排拆工作站1套整理平臺的平均效率約為2000箱/小時。

3）現(xiàn)擬定兩種工作站選型，即：

選型③：1臺機(jī)器人+1套排拆夾具+1個整理平臺；

選型④：1臺機(jī)器人+1套排拆夾具+2個整理平臺；

4）選型③工作站搭配為每臺排拆機(jī)器人配合1套整理平臺拉距換向機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)效率瓶頸點在于夾具機(jī)構(gòu)約1091箱/小時，故選型③工作站總輸出流量為至少1091箱/小時。

5）選型④工作站搭配為每臺排拆機(jī)器人配合2套整理平臺拉距換向機(jī)構(gòu)，整理平臺效率雖然翻倍為4000箱/小時，然而系統(tǒng)效率瓶頸點仍在于夾具機(jī)構(gòu)最小1091箱/小時，故選型④工作站總輸出流量為至少1200箱/小時。

圖7

6 結(jié)語

表8 4種拆垛選型對比

綜上所述，層拆機(jī)器人工作站與排拆機(jī)器人工作站選用不同的拆垛夾具、搭配不同數(shù)量和形式的整理平臺拉距換向機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致拆垛效率各不不同，具體采用哪種布局，需要結(jié)合系統(tǒng)的實際需求效率和產(chǎn)品特性進(jìn)行規(guī)劃選型。綜合考量夾具的抓取效率和整理平臺拉距換向機(jī)構(gòu)的設(shè)計，一般在系統(tǒng)效率滿足的前提下，建議采用選型②和選型③，即“層拆1對2”和“排拆1對1”布局，如下圖所示，能夠為企業(yè)實現(xiàn)最佳的投資性價比。

圖8 “層拆1對2”和“排拆1對1”布局