■王世敏

(徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221006)

我國飼料加工企業(yè)數(shù)量眾多，競爭激烈，產(chǎn)品利潤率低，飼料加工企業(yè)向集團(tuán)化、大型化整合，企業(yè)一般依靠提高產(chǎn)量來發(fā)展，單線產(chǎn)能大、機(jī)械化、自動化程度將越來越高。經(jīng)過對我國飼料加工企業(yè)在包裝、碼垛的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)包裝、碼垛主要采取以下幾種方式：①人工搬運(yùn)；②手推車搬運(yùn)；③輸送機(jī)輔助碼垛；④輔助包裝平臺碼垛；⑤機(jī)械手、叉車配合碼垛；⑥橋式碼垛機(jī)；⑦機(jī)械手碼垛。

目前，我國多數(shù)飼料加工企業(yè)的碼垛工作均是依靠人力碼垛，需要的工人多、工作環(huán)境差、速度慢、危險(xiǎn)性大、工作質(zhì)量差。隨著用工荒的到來，企業(yè)的工人數(shù)量不足，嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。為此，企業(yè)需要提高自動化程度，突破困境，提高競爭力，促進(jìn)生產(chǎn)。一些公司有傳統(tǒng)的碼垛設(shè)備，也有一定的自動化程度，但碼垛速度緩慢、占用空間大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通用性差，不適應(yīng)市場發(fā)展的需要。碼垛機(jī)器人順應(yīng)市場的發(fā)展而產(chǎn)生，應(yīng)用在包括飼料加工企業(yè)在內(nèi)的各種企業(yè)。

1 碼垛機(jī)器人的發(fā)展

日本與瑞典是國外最早把工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用在物體搬運(yùn)、碼放的國家。上世紀(jì)六七十年代日本將機(jī)器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)[1]。瑞典ABB公司在1974年開發(fā)了世界上第一個(gè)應(yīng)用于搬運(yùn)碼垛作用的機(jī)器人IRB6，主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運(yùn)[2]。

德國KUKA碼垛機(jī)器人：是一種自動化碼垛設(shè)備，可以替代人工碼垛，機(jī)器人選擇了先進(jìn)的PC控制，性能先進(jìn)，KUKA碼垛機(jī)器人碼垛能達(dá)到1 000次/h，機(jī)器人操作簡單，只要將抓起點(diǎn)和擺放點(diǎn)定位準(zhǔn)確，由電腦控制兩點(diǎn)之間的軌道，定位十分準(zhǔn)確。KUKA碼垛機(jī)器人能大幅提高生產(chǎn)效率；可全天候作業(yè)，可替代大量工人的工作量。

在1978年，意大利柯馬公司研發(fā)并制造出機(jī)器人，命名為POLAR HYDRAULIC。至此之后，幾十年來，柯馬公司孜孜以求的進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，成為機(jī)器人自動化方向的領(lǐng)航者。柯馬公司研發(fā)生產(chǎn)的機(jī)器人產(chǎn)品，可負(fù)載最小為6 kg，最大負(fù)載可達(dá)800 kg?？埋R公司最新研發(fā)的SMART系列機(jī)器人在碼垛生產(chǎn)線上更為先進(jìn)。

韓國現(xiàn)代重工從上世紀(jì)80年代起自主研發(fā)工業(yè)機(jī)器人，經(jīng)過多年技術(shù)研發(fā)取得了多項(xiàng)自動化方面的核心專利。韓國政府對機(jī)器人工業(yè)采取了大力的支持，進(jìn)行了資金資助和政策引導(dǎo)，由韓國現(xiàn)代重工牽頭，在20世紀(jì)90年代僅僅用了10年形成了韓國的工業(yè)機(jī)器人體系。韓國政府近年又發(fā)布多項(xiàng)政策，以研發(fā)與應(yīng)用第三代智能機(jī)器人為目標(biāo)。使韓國機(jī)器人企業(yè)領(lǐng)先世界，形成智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化體系。

1962年世界上第一臺機(jī)器人在美國誕生了，比日本研究機(jī)器人要早5～6年。在上世紀(jì)60年代到70年代，由于美國的失業(yè)率較高，政府擔(dān)心大量研究開發(fā)應(yīng)用機(jī)器人，會使失業(yè)率更高，并沒有重點(diǎn)支持工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，只是讓為數(shù)不多的幾所大學(xué)及少數(shù)公司進(jìn)行一些研究工作。在沒有政府的支持下，美國的機(jī)器人研發(fā)緩慢。80年代后期，美國的第一代機(jī)器人不能滿足生產(chǎn)需要，美國開始研發(fā)具備視覺、力覺能力的第二代機(jī)器人，迅速占領(lǐng)了美國大部分的機(jī)器人市場并進(jìn)軍世界市場。

日本、德國、美國、瑞典、意大利、韓國等國家在包裝碼垛機(jī)器人的研究上做了大量工作，相應(yīng)推出了自己的碼垛機(jī)器人，如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列，德國的KUKA系列，瑞典的ABB系列等[3]。

我國從1972年研制工業(yè)機(jī)器人，先由上海發(fā)起后北京、天津等地的科研單位和高等院校也開始研制機(jī)器人。80年代中期，在“七五”期間，國家投入大量的資金集中科研力量進(jìn)行第二代工業(yè)機(jī)器人的研制，研制出弧焊、噴涂、搬運(yùn)、點(diǎn)焊等作業(yè)機(jī)器人。90年代我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)生了長足的進(jìn)步。繼續(xù)開發(fā)與完善點(diǎn)焊、噴涂、搬運(yùn)、弧焊等機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)，進(jìn)一步完成交鑰匙工程。2012年，我國提出《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》、《服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》，為我國“十二五”期間研發(fā)高智能機(jī)器人提供政策保障和支持。

2 碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

飼料加工企業(yè)對碼垛機(jī)器人需求較大，我們基于PLC技術(shù)設(shè)計(jì)了適用于我國飼料加工企業(yè)的全自動碼垛機(jī)器人。

碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)器人的腰部固定在底部基座上；臂部固定在腰部上，小臂又與前大臂和后大臂相連接，機(jī)械手進(jìn)行抓取、搬運(yùn)和碼垛。機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)由4個(gè)關(guān)節(jié)組成，包括指部、腕部、肘部和腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成。能實(shí)現(xiàn)4種運(yùn)動:指部夾取、手腕回轉(zhuǎn)、臂部上下運(yùn)動、腰部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人可以滿足飼料碼垛的需求。

圖1 碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)

3 硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用PLCS7-200作為主控制器，進(jìn)行碼垛機(jī)器人的整體控制。人機(jī)交互設(shè)備采用觸摸屏與PLC連接，用來完成人機(jī)交互相功能，機(jī)器人控制器作為軌跡運(yùn)動控制器來完成飼料搬移碼垛工作的軌跡控制，控制器通過I/O輸入輸出端口卡和數(shù)據(jù)線與PLCS7-200相連，當(dāng)獲得外部信息的同時(shí)就向PLCS7-200傳遞碼垛機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人和外圍狀態(tài)的協(xié)調(diào)工作。而其它檢測控制器直接與PLCS7-200相連連，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)功能。碼垛機(jī)器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、操作方便、易于維護(hù)。硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)對碼垛機(jī)器人進(jìn)行碼垛作業(yè)的要求，示教再現(xiàn)的碼垛程序流程如圖3所示進(jìn)行。主程序是一個(gè)循環(huán)體，依據(jù)當(dāng)前碼放飼料袋的“第幾排”“、第幾列”、“第幾層”實(shí)際情況，采用算法子程序進(jìn)行計(jì)算出相對應(yīng)空間坐標(biāo)及各電機(jī)的位置數(shù)據(jù)，然后采用直線型插補(bǔ)子程序依照上述的碼垛流程實(shí)現(xiàn)碼垛作業(yè)。

圖3 碼垛程序流程

5 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件控制系統(tǒng)通電啟動，初始化各個(gè)參數(shù)，如設(shè)置中斷方式、通信波特率、I/O口寄存器配置等，后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待控制器發(fā)來控制信號，并判斷是哪種控制指令，假如是直流電機(jī)的控制指令，就驅(qū)動機(jī)械手夾緊物品，當(dāng)直流電機(jī)運(yùn)動過程時(shí)，采用中斷方式持續(xù)采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行判斷，一旦達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，直流電機(jī)運(yùn)動停止，說明機(jī)械手己夾緊物品，此時(shí)，等待接收控制器發(fā)來的指令；如果為搬運(yùn)控制指令，則檢測壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并判斷壓力是否滿足，假如滿足則搬運(yùn)、旋轉(zhuǎn)、碼放等動作，然后，返回等待下一個(gè)操作指令，假如不滿足則直流電機(jī)通電，機(jī)械手夾緊物品；假如是停止指令，則所有電機(jī)停止運(yùn)動，碼垛機(jī)器人停止于當(dāng)前位置并等待控制指令。如圖4所示。

圖4 軟件控制系統(tǒng)流程

6 碼垛機(jī)器人在飼料工業(yè)的應(yīng)用

飼料加工的利潤很低，企業(yè)為了生存采取了擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模增加產(chǎn)量的策略。由于飼料加工業(yè)正處于不斷整合的時(shí)期，很多企業(yè)被更大的企業(yè)兼并。飼料加工企業(yè)向著規(guī)?；⒓瘓F(tuán)化的趨勢發(fā)展。大型企業(yè)資金雄厚、技術(shù)力量強(qiáng)，有能力進(jìn)行自動化改造從而減少工人的使用，使生產(chǎn)成本不斷降低；而大部分的中小企業(yè)由于沒有資金引進(jìn)新的生產(chǎn)線，在生產(chǎn)中仍采用人工進(jìn)行裝袋、封口、碼垛，生產(chǎn)效能低下，由于工人工資上漲很快，中小企業(yè)生產(chǎn)成本逐漸增大。不論大中小飼料加工企業(yè)中，從事碼垛的工人逐漸減少，且容易出現(xiàn)安全事故、效率低、工作質(zhì)量差。大型的飼料加工業(yè)采用碼垛機(jī)器人來代替人工碼垛，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

和人工碼垛相比，基于PLC的全自動飼料碼垛機(jī)器人生產(chǎn)效率高，可以24 h內(nèi)不間斷的碼垛、碼垛操作節(jié)拍最快可達(dá)到1 800次/h循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)日碼垛500 t。1條飼料成品包裝生產(chǎn)線，每1班(8 h)需2名碼垛工人，人工碼垛效率為400包/h(50 kg/包)，機(jī)器人的碼垛效率可達(dá)1 000包/h。碼垛機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，減少人為因素產(chǎn)生的減產(chǎn)、停產(chǎn)等情況，碼垛整齊，合格率高。一臺碼垛機(jī)器人的效率至少相當(dāng)于8～12位碼垛工人，以每位碼垛工人工資按3 000元/月計(jì)算，每年可減少20～40萬元的成本支出。如表1所示。

表1 碼垛機(jī)器人與人工碼垛比較

人工成本不包括由企業(yè)負(fù)擔(dān)的各種保險(xiǎn)、福利、管理成本，也不包括勞動力上漲及工傷事故等費(fèi)用。每臺碼垛機(jī)器人大約40萬，工作壽命20年，每年折舊費(fèi)約2萬元，碼垛機(jī)器人功率3.5 kw/h，每天工作24 h計(jì)算，電費(fèi)約21 000元/年，維修費(fèi)約3 000元/年，每臺碼垛機(jī)器人使用費(fèi)用約4.4萬元/年，和1個(gè)碼垛工人的年工資相當(dāng)，可以節(jié)省大量費(fèi)用。

7 小結(jié)

隨著我國飼料加工企業(yè)越來越規(guī)?；a(chǎn)品碼垛過程向少人化至無人化方向發(fā)展。碼垛機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、適用性強(qiáng)、能耗低、操作簡單、費(fèi)用低、示教易學(xué)、可量身定制、生產(chǎn)速度快、質(zhì)量高等特點(diǎn)。碼垛機(jī)器高度自動化、智能化、人性化和人工碼垛相比具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，碼垛機(jī)器人將越來越廣泛的應(yīng)用于我國飼料加工企業(yè)。