碼垛機器人在飼料工業的研究及應用

■王亭嶺 王彩玲 馬景義 劉國良 牛 軍

（1.華北水利水電學院，河南鄭州 450011；2.鄭州牧業工程高等?？茖W校，河南鄭州 450001；3.北京賽佰特科技有限公司，北京 100000；4.遼寧省農牧業機械研究所有限公司，遼寧沈陽 110036）

中國作為世界工廠，以加工附加值低的勞動密集型產品為主，在技術密集型制造業領域則明顯落后。隨著我國人口紅利的減少，勞動力成本的暴漲加速了工業機器人的需求。國家政策的逐步調整，促使我國由“中國制造”向“中國創造”不斷轉變。工業蓬勃發展及對產品質量的更高要求，促使機器人加工成為一種最具潛力的加工方法。危險環境及惡劣加工條件下，機器人將作為一種標準設備而得到廣泛應用。

近年來，碼垛機器人在機械結構、適用范圍、設備占地空間、靈活性、成本以及維護等方面的突出優勢使其應用漸為廣泛。目前，碼垛機器人搬運碼垛作業在現代企業的物流管理過程中占有重要的地位，以避免用人工來完成這些工作而存在的勞動強度大、效率低、安全性差等諸多弊端，因此采用自動化的操作手段已成為必然的發展趨勢。早在80年代中、后期，日本、德國等發達國家已在推廣搬運、碼垛的自動化、機器人化方面取得了顯著進展，最近幾年我國的機器人搬運技術也得以較快地發展，應用日益廣泛[1]。

碼垛機器人具備碼垛和搬運兩種功能。碼垛的過程就是把一定大小的規整產品按照一定排列樣式碼放在托板上[2]。傳統碼垛是以人工方式完成的，利用人力把托盤先放置在地面上，再逐次地把產品按照一定順序放置在托盤上。這種方式簡單易行，沒有初期設備投資，同時有一定靈活性。但是這種方法存在著很大的局限性，如當生產線的速度過高或產品重量過大時，人工碼垛就比較困難了。另外，很多產品有嚴格的衛生要求，需要盡量避免和人體接觸。同時，一些工作條件惡劣、危險性大的產品也不適合采用人工方式碼垛。由于人工碼出的垛重復性差、碼垛質量低、在運輸過程中容易出現倒垛現象，從而增加了產品的破損。在各行各業隨著生產線的普及，碼垛與產品搬運顯得尤為重要。碼垛機器人的特點是在不需人工參與的情況下，按照預定的排列樣式自動地進行碼垛和搬運。它使得很多的勞動力從繁重而又單調的體力勞動中解放出來。碼垛機器人是按照人們編排的程序進行工作的，因此在碼垛速度提高的同時，碼垛的精度和重復性也得到了大大的提高。這樣的垛既便于存儲和運輸，同時又增加產品的美感。經過幾十年的發展，碼垛機器人的性能有了很大提高，其適用范圍也越來越廣。

1 碼垛機器人的發展

縱觀世界各國發展工業機器人產業的過程，可歸納為三種不同的發展模式，即日本模式、歐洲模式和美國模式。日本模式的特點是：各司其職，分層面完成交鑰匙工程，即機器人制造廠商以開發新型機器人和批量生產優質產品為主要目標，并由其子公司或社會上的工程公司來設計制造各行業所需要的機器人成套系統，并完成交鑰匙工程；歐洲模式的特點是：一攬子交鑰匙工程。即機器人的生產和用戶所需要的系統設計制造，全部由機器人制造廠商自己完成；美國模式的特點是：采購與成套設計相結合。美國國內基本上不生產普通的工業機器人，企業需要時機器人通常由工程公司進口，再自行設計、制造配套的外圍設備，完成交鑰匙工程。

目前國際上有代表性的產品化碼垛機器人有日本的FUJI ACE（不二）公司的垂直關節型碼垛機器人、德國KUKA公司的垂直關節型碼垛機器人、德國BERGER LAHR公司的直角坐標型碼垛機器人，日本安川公司的水平關節型碼垛機器人及瑞典ABB公司的機器人等。其中日本的占有率最高，絕大數碼垛作業由碼垛機器人完成。

我國工業機器人起步于70年代初期，經過20多年的發展，大致經歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發期和90年代的適用化期。我國于1972年開始研制自己的工業機器人。進入80年代后，在高技術浪潮的沖擊下，我國機器人技術的開發與研究得到了政府的重視與支持，“七五”期間，國家投入資金，對工業機器人及其零部件進行攻關，完成了示教再現式工業機器人成套技術的開發，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術研究發展計劃（863計劃）開始實施，經過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。我國在80年代引進的大型石化裝置，首次應用了機器人碼垛。隨后在90年代初，我國開始了碼垛機器人的研發，并在“863計劃”的支持下進一步加強了全自動包裝機器人碼垛生產線的開發，使科研成果更好地實現產業化[3]。

2 碼垛機器人的結構

根據機械結構的不同，碼垛機器人包括如下三種形式：笛卡耳式、旋轉關節式和龍門起重架式。笛卡耳式碼垛機器人主要由四部分組成：立柱、X向臂、Y向臂和抓手，以四個自由度（包括三個移動關節和一個旋轉關節）完成對物料的碼垛[4]。這種形式的碼垛機構造簡單，機體剛性較強，可搬重量較大，適用于較重物料的碼垛。旋轉關節式機器人碼垛機繞機身旋轉，包括四個旋轉關節：腰關節、肩關節、肘關節和腕關節。這種形式的碼垛機是通過示教的方式實現編程的，即操作員手持示教盒，控制機器人按規定的動作而運動，于是運動過程便存儲在存儲器中，以后自動運行時可以再現這一運動過程。這種機器人機身小而動作范圍大，可同時進行一個或幾個托盤的同時碼垛，能夠靈活機動地對應進行多種產品生產線的工作[5]。將機器人手臂裝在龍門起重架上稱為龍門架式碼垛機器人，這種碼垛機器人具有較大的工作范圍，能夠抓取較重的物料。

針對飼料行業的特點，北京賽佰特科技有限公司自主研發的CBT-90型碼垛機器人，能自動抓取90 kg以下各類袋裝飼料。北京賽佰特科技有限公司位于北京中關村科技園核心區域，是由國際物聯網與機器人領域知名專家學者發起成立的高科技企業。公司在物聯網與智能機器人技術領域擁有多項核心專利技術，形成了工業機器人和智能服務機器人等多種具有自主知識產權的產品及應用解決方案。CBT-90型碼垛機器人的特點：

①結構簡潔、易于維護：使用圓柱坐標型設計，大量使用標準部件，保養維修簡單；

②適用性強、靈活多變：多關節的直線式運動軌跡更合適于碼垛作業，傳動效率高、運動軌跡清晰明了；多種抓手和碼垛方式可供選擇，適用于不同的產品特性；

③降低能耗、可靠性強：通常機械式碼垛機的功率在26 kw左右，而CBT-90的功率為3.5 kw左右；大部分零部件均集中在本體底座上，手臂結構輕盈結實，在高速運行情況下能耗更低，可靠性更強；

④示教簡化、簡單易學：對操作界面進行了簡單化編譯，只需對抓取位置及堆放位置做示教后，其他軌跡均由機器人自動計算，便可完成碼垛作業，消除了人們對機器人的高級、難解的印象；

⑤量身定制、服務周到：可根據客戶現場位置、包裝物特性、碼垛能力等實際因素，因地制宜，量身定制，設計最科學合理的碼垛方案；集雄厚的實踐經驗和強大的技術實力于一身，為客戶提供及時、周全的服務。

CBT-90型碼垛機器人采用獨特的四連桿執行機構，具有剛度大、速度高、工作空間大等優點。機器人控制核心采用自主研發的多軸運動控制卡。CBT-90型碼垛機器人機構主要由三大部分組成：腰部、并聯部分和腕部。腰部是整個機構的基礎，驅動其余部分繞腰部旋轉軸回轉；并聯部分為碼垛機器人的手臂，固定在腰部上，在該部分內小臂通過前大臂、后大臂與導軌滑塊鉸接在一起，通過滾珠絲杠的驅動實現小臂位姿的調整；腕部安裝在小臂上。碼垛機器人由4個關節組成，能實現以下4種運動：腰座旋轉，水平前后運動，垂直上下運動和腕部回轉運動。4種運動全部由交流伺服電機驅動，可以滿足驅動大慣性力矩負載和快速運動精確定位的要求。腰座電機、腕部電機通過諧波減速器驅動腰座、機械手旋轉，水平關節電機、垂直關節電機通過同步帶輪減速后帶動水平關節絲杠、垂直關節絲杠旋轉，而絲杠通過其上的滑塊驅動前大臂、后大臂沿各自導軌作水平前后運動、垂直上下運動。CBT-90型碼垛機器人結構框圖如圖1所示。圖2為CBT-90型碼垛機器人在河南華盟集團駐馬店飼料分廠生產現場。

圖1 CBT-90型碼垛機器人結構

圖2 CBT-90型碼垛機器人工作現場

3 碼垛機器人在飼料工業的應用前景

目前，全國飼料加工企業的總數超過上萬家，采用碼垛機器人的企業所占比例不足1%。大部分飼料加工企業在飼料生產過程中都采用人工套袋、人工封口、人工搬運等形式。就目前飼料行業的技術裝備發展水平而言，許多飼料企業在產品包裝及運輸過程中完全可以實現少人化甚至無人化作業。

當今飼料加工企業正朝著大型化、集團化方向發展，很多中小企業將被兼并或淘汰。大型飼料企業自動化程度很高，受到人力成本上漲的因素影響較小，生產成本有著明顯的優勢，生產成本的高低決定著企業的命運。目前飼料企業中的搬運工種已很少有人愿意長期從事下去，僅靠提高搬運工種的工資并不是有效的解決辦法。很多大型企業已逐步嘗試利用碼垛機器人來代替繁重的人工搬運工作。未來3～5年內，碼垛機器人將會在大型飼料加工企業得到廣泛使用。對于眾多中小型飼料加工企業來說，由于生產成本較高，企業利潤率相對較低，在自動化設備投入上壓力較大。并且很多中小企業在固定資產投入與成本上無法做出有效分析，無法得出合理的投入產出成本分析數據[6]。

通過如下簡單的成本核算，能夠得出每月生產1 000 t的企業已可以使用碼垛機器人來降低成本為企業贏得效益。以某中型飼料廠為例，通常情況下，1條飼料成品包裝線1班（8 h）碼垛工人需2名，人工碼垛能力為400包/h（40～50 kg/包），如使用碼垛機器人，1條包裝線至少可節約碼垛工人2名。而碼垛機器人的碼垛能力在800～1 000包/h。

以每名碼垛工人工資0.3萬元/月計算，人工碼垛的用工成本如表1所示。

表1 單/雙線人工碼垛用工成本

此人工成本還不包括企業承擔的福利、保險、管理等成本，也不包含每年勞動力成本10%的增長速度及意外工傷事故等付出費用等因素。CBT-90碼垛機器人可執行24 h不間斷雙線碼垛任務，即每年至少可為企業節省14.4～43.2萬元的人力成本。根據飼料生產線的不同碼垛機器人及其附屬設備的價格在35～50萬元人民幣左右。一臺碼垛機器人按40萬計算，工作壽命15年，每年折舊費3萬元左右，碼垛機器人耗電3.5 kw/h，每天工作8 h計算，電費每年約7 000元，維修費每年3 000元，一臺碼垛機器人年使用費用是4萬元，僅相當于1個碼垛工人的工資，經濟效益十分明顯。

4 結語

機器人作為高技術領域的一個重要分支，將成為21世紀各國爭奪經濟技術制高點。根據發達國家生產發展與升級的歷程和工業機器人產業化發展趨勢，預計到2015年中國機器人市場的容量約達十幾萬臺套，這是中國發展機器人及其自動成套裝備產業的良好機遇。從國外碼垛機器人的研究現狀來看，目前的研究正處在實用推廣階段，我國在這方面的研究正處在自主研發的起步階段。

隨著我國工業自動化的發展及勞動成本的提高，自動化設備在飼料工業的應用越來越廣泛。使用自動化設備可以實現多批次、連續生產，既減輕了工人的勞動強度，又保證了產品的質量[7]。針對飼料行業的特點，北京賽佰特科技有限公司自主研發的CBT-90型碼垛機器人價格優勢明顯，性能穩定可靠。該系統在河南華盟集團投運以來，運行效果良好，極大地提高了生產效率，降低了勞動強度，對產品質量和生產效益都有較大的提升。