■王亭嶺 王彩玲 馬景義 劉國良 牛 軍

（1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011；2.鄭州牧業(yè)工程高等?？茖W(xué)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(nóng)牧業(yè)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(chǎn)品為主，在技術(shù)密集型制造業(yè)領(lǐng)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(yè)機器人的需求。國家政策的逐步調(diào)整，促使我國由“中國制造”向“中國創(chuàng)造”不斷轉(zhuǎn)變。工業(yè)蓬勃發(fā)展及對產(chǎn)品質(zhì)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(huán)境及惡劣加工條件下，機器人將作為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到廣泛應(yīng)用。

近年來，碼垛機器人在機械結(jié)構(gòu)、適用范圍、設(shè)備占地空間、靈活性、成本以及維護等方面的突出優(yōu)勢使其應(yīng)用漸為廣泛。目前，碼垛機器人搬運碼垛作業(yè)在現(xiàn)代企業(yè)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(fā)展趨勢。早在80年代中、后期，日本、德國等發(fā)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(shù)也得以較快地發(fā)展，應(yīng)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(guī)整產(chǎn)品按照一定排列樣式碼放在托板上[2]。傳統(tǒng)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(chǎn)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(shè)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(dāng)生產(chǎn)線的速度過高或產(chǎn)品重量過大時，人工碼垛就比較困難了。另外，很多產(chǎn)品有嚴格的衛(wèi)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(chǎn)品也不適合采用人工方式碼垛。由于人工碼出的垛重復(fù)性差、碼垛質(zhì)量低、在運輸過程中容易出現(xiàn)倒垛現(xiàn)象，從而增加了產(chǎn)品的破損。在各行各業(yè)隨著生產(chǎn)線的普及，碼垛與產(chǎn)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(yù)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(diào)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(fù)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(chǎn)品的美感。經(jīng)過幾十年的發(fā)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(fā)展

縱觀世界各國發(fā)展工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的過程，可歸納為三種不同的發(fā)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(fā)新型機器人和批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為主要目標(biāo)，并由其子公司或社會上的工程公司來設(shè)計制造各行業(yè)所需要的機器人成套系統(tǒng)，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(chǎn)和用戶所需要的系統(tǒng)設(shè)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(shè)計相結(jié)合。美國國內(nèi)基本上不生產(chǎn)普通的工業(yè)機器人，企業(yè)需要時機器人通常由工程公司進口，再自行設(shè)計、制造配套的外圍設(shè)備，完成交鑰匙工程。

目前國際上有代表性的產(chǎn)品化碼垛機器人有日本的FUJI ACE（不二）公司的垂直關(guān)節(jié)型碼垛機器人、德國KUKA公司的垂直關(guān)節(jié)型碼垛機器人、德國BERGER LAHR公司的直角坐標(biāo)型碼垛機器人，日本安川公司的水平關(guān)節(jié)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(shù)碼垛作業(yè)由碼垛機器人完成。

我國工業(yè)機器人起步于70年代初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。進入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，我國機器人技術(shù)的開發(fā)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(yè)機器人及其零部件進行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，經(jīng)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(yīng)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(fā)，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(chǎn)線的開發(fā)，使科研成果更好地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[3]。

2 碼垛機器人的結(jié)構(gòu)

根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的不同，碼垛機器人包括如下三種形式：笛卡耳式、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）完成對物料的碼垛[4]。這種形式的碼垛機構(gòu)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)式機器人碼垛機繞機身旋轉(zhuǎn)，包括四個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。這種形式的碼垛機是通過示教的方式實現(xiàn)編程的，即操作員手持示教盒，控制機器人按規(guī)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(xiàn)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(yīng)進行多種產(chǎn)品生產(chǎn)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(yè)的特點，北京賽佰特科技有限公司自主研發(fā)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(guān)村科技園核心區(qū)域，是由國際物聯(lián)網(wǎng)與機器人領(lǐng)域知名專家學(xué)者發(fā)起成立的高科技企業(yè)。公司在物聯(lián)網(wǎng)與智能機器人技術(shù)領(lǐng)域擁有多項核心專利技術(shù)，形成了工業(yè)機器人和智能服務(wù)機器人等多種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品及應(yīng)用解決方案。CBT-90型碼垛機器人的特點：

①結(jié)構(gòu)簡潔、易于維護：使用圓柱坐標(biāo)型設(shè)計，大量使用標(biāo)準(zhǔn)部件，保養(yǎng)維修簡單；

②適用性強、靈活多變：多關(guān)節(jié)的直線式運動軌跡更合適于碼垛作業(yè)，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(chǎn)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(jié)構(gòu)輕盈結(jié)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(xué)：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(yè)，消除了人們對機器人的高級、難解的印象；

⑤量身定制、服務(wù)周到：可根據(jù)客戶現(xiàn)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(shè)計最科學(xué)合理的碼垛方案；集雄厚的實踐經(jīng)驗和強大的技術(shù)實力于一身，為客戶提供及時、周全的服務(wù)。

CBT-90型碼垛機器人采用獨特的四連桿執(zhí)行機構(gòu)，具有剛度大、速度高、工作空間大等優(yōu)點。機器人控制核心采用自主研發(fā)的多軸運動控制卡。CBT-90型碼垛機器人機構(gòu)主要由三大部分組成：腰部、并聯(lián)部分和腕部。腰部是整個機構(gòu)的基礎(chǔ)，驅(qū)動其余部分繞腰部旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)；并聯(lián)部分為碼垛機器人的手臂，固定在腰部上，在該部分內(nèi)小臂通過前大臂、后大臂與導(dǎo)軌滑塊鉸接在一起，通過滾珠絲杠的驅(qū)動實現(xiàn)小臂位姿的調(diào)整；腕部安裝在小臂上。碼垛機器人由4個關(guān)節(jié)組成，能實現(xiàn)以下4種運動：腰座旋轉(zhuǎn)，水平前后運動，垂直上下運動和腕部回轉(zhuǎn)運動。4種運動全部由交流伺服電機驅(qū)動，可以滿足驅(qū)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(qū)動腰座、機械手旋轉(zhuǎn)，水平關(guān)節(jié)電機、垂直關(guān)節(jié)電機通過同步帶輪減速后帶動水平關(guān)節(jié)絲杠、垂直關(guān)節(jié)絲杠旋轉(zhuǎn)，而絲杠通過其上的滑塊驅(qū)動前大臂、后大臂沿各自導(dǎo)軌作水平前后運動、垂直上下運動。CBT-90型碼垛機器人結(jié)構(gòu)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(chǎn)現(xiàn)場。

圖1 CBT-90型碼垛機器人結(jié)構(gòu)

圖2 CBT-90型碼垛機器人工作現(xiàn)場

3 碼垛機器人在飼料工業(yè)的應(yīng)用前景

目前，全國飼料加工企業(yè)的總數(shù)超過上萬家，采用碼垛機器人的企業(yè)所占比例不足1%。大部分飼料加工企業(yè)在飼料生產(chǎn)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(yè)的技術(shù)裝備發(fā)展水平而言，許多飼料企業(yè)在產(chǎn)品包裝及運輸過程中完全可以實現(xiàn)少人化甚至無人化作業(yè)。

當(dāng)今飼料加工企業(yè)正朝著大型化、集團化方向發(fā)展，很多中小企業(yè)將被兼并或淘汰。大型飼料企業(yè)自動化程度很高，受到人力成本上漲的因素影響較小，生產(chǎn)成本有著明顯的優(yōu)勢，生產(chǎn)成本的高低決定著企業(yè)的命運。目前飼料企業(yè)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(yè)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(nèi)，碼垛機器人將會在大型飼料加工企業(yè)得到廣泛使用。對于眾多中小型飼料加工企業(yè)來說，由于生產(chǎn)成本較高，企業(yè)利潤率相對較低，在自動化設(shè)備投入上壓力較大。并且很多中小企業(yè)在固定資產(chǎn)投入與成本上無法做出有效分析，無法得出合理的投入產(chǎn)出成本分析數(shù)據(jù)[6]。

通過如下簡單的成本核算，能夠得出每月生產(chǎn)1 000 t的企業(yè)已可以使用碼垛機器人來降低成本為企業(yè)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(jié)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(yè)承擔(dān)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(zhí)行24 h不間斷雙線碼垛任務(wù)，即每年至少可為企業(yè)節(jié)省14.4～43.2萬元的人力成本。根據(jù)飼料生產(chǎn)線的不同碼垛機器人及其附屬設(shè)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(dāng)于1個碼垛工人的工資，經(jīng)濟效益十分明顯。

4 結(jié)語

機器人作為高技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支，將成為21世紀(jì)各國爭奪經(jīng)濟技術(shù)制高點。根據(jù)發(fā)達國家生產(chǎn)發(fā)展與升級的歷程和工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢，預(yù)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(fā)展機器人及其自動成套裝備產(chǎn)業(yè)的良好機遇。從國外碼垛機器人的研究現(xiàn)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(fā)的起步階段。

隨著我國工業(yè)自動化的發(fā)展及勞動成本的提高，自動化設(shè)備在飼料工業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。使用自動化設(shè)備可以實現(xiàn)多批次、連續(xù)生產(chǎn)，既減輕了工人的勞動強度，又保證了產(chǎn)品的質(zhì)量[7]。針對飼料行業(yè)的特點，北京賽佰特科技有限公司自主研發(fā)的CBT-90型碼垛機器人價格優(yōu)勢明顯，性能穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)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(chǎn)效率，降低了勞動強度，對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益都有較大的提升。