文/ 申曉瑞 黃春華 王威揚(yáng)

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

煉化行業(yè)的后道包裝線

煉化行業(yè)的產(chǎn)品形態(tài)一般可分為：顆粒狀、粉劑狀以及液體狀以及片狀等等；對(duì)這些產(chǎn)品進(jìn)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(chǎn)線一般是將粉、粒狀原料生產(chǎn)過程中的稱重、供袋、取袋、裝袋、夾口、折邊、封袋、批號(hào)打印、倒袋整形、金屬檢測、重量復(fù)檢、剔除、輸送、機(jī)器人碼垛、空托盤配送、實(shí)托盤輸送、實(shí)托盤頂捆、托盤纏繞以及實(shí)托盤輸出等作業(yè)全部實(shí)現(xiàn)包裝自動(dòng)化。大袋自動(dòng)包裝生產(chǎn)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(yè)機(jī)器人碼垛包裝線

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

此外，隨著智能物流和立體倉庫的加速導(dǎo)入，無人叉車以及AGV 也被越來越多地使用，并結(jié)合IT 層的管理和操控，數(shù)字化、智能化以及無人化的包裝產(chǎn)線整合倉儲(chǔ)物流將會(huì)是煉化企業(yè)后道產(chǎn)線的未來發(fā)展趨勢，如圖1 所示。

碼垛機(jī)器人的應(yīng)用情況

碼垛機(jī)器人是集機(jī)械本體、計(jì)算機(jī)控制、傳感技術(shù)以及人工智能等多學(xué)科為一體的一種智能化技術(shù)裝備, 它能集成在生產(chǎn)線上的任意段,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速獲取、搬運(yùn)、裝箱、堆垛以及拆垛等作業(yè)。碼垛機(jī)器人在解決勞動(dòng)力不足、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度以及改善生產(chǎn)環(huán)境等方面實(shí)現(xiàn)了巨大的技術(shù)突破，如圖2 所示。

圖2 碼垛機(jī)器人的工作場景

圖3 碼垛機(jī)器人安全系統(tǒng)

國外從20 世紀(jì)60 年代開始研究工業(yè)機(jī)器人，隨著機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的步伐不斷加快，很多發(fā)達(dá)國家開始在包裝碼垛機(jī)器人方面進(jìn)行了大量的研究。最早將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)用于物體碼放和搬運(yùn)的是日本和瑞典。20 世紀(jì)70 年代末，日本第一次將機(jī)器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)。1974 年，瑞典ABB 公司研發(fā)了全球第一臺(tái)全電控式工業(yè)機(jī)器人IRB6，主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運(yùn)。

隨技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的碼垛機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上不斷地被改造，并且其控制系統(tǒng)性能也得到了升級(jí)，融入了高新技術(shù)。越來越多的行業(yè)逐步導(dǎo)入了碼垛機(jī)器人的應(yīng)用，以一個(gè)典型的煉化企業(yè)為例，美國潤滑油制造商JTM公司采用了Motoman 的Model UP165 型機(jī)器人用于箱裝和桶裝潤滑油的碼垛，該機(jī)器人為6 軸機(jī)器人，采用AC 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

我國在20 世紀(jì)80 年代以后，在經(jīng)過國家“七五”“八五”以及“九五”機(jī)器人技術(shù)攻關(guān)和“863”計(jì)劃的重點(diǎn)支持以及改革開放后的市場刺激下, 國內(nèi)碼垛機(jī)器人技術(shù)得到迅速發(fā)展。在20 世紀(jì)90年代末, 我國建立了7 個(gè)科研基地與9 個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地, 其中包括沈陽新松、哈工大的博實(shí)自動(dòng)化等。現(xiàn)今，國內(nèi)碼垛機(jī)器人應(yīng)用逐漸普及到許多行業(yè)的后道包裝線，一般應(yīng)用于生產(chǎn)量和勞動(dòng)強(qiáng)度比較大、工傷事故率比較高的企業(yè)，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(tǒng)邏輯組態(tài)

機(jī)器人碼垛的安全解決方案

隨著碼垛機(jī)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(dǎo)致該問題的原因有主要有兩點(diǎn)：

第一，碼垛機(jī)器人有著笨重而復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它的靈活性能和工作空間也相繼降低了很多，對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)對(duì)象的迅速變化的適應(yīng)水平不夠。在考慮碼垛機(jī)器人對(duì)人的安全時(shí)，如果人在生產(chǎn)過程中與機(jī)器人互動(dòng)時(shí)都要停機(jī)，則會(huì)影響到產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

第二，碼垛機(jī)器人的智能化程度很有限，可靠性和穩(wěn)定性還有待提高。在工業(yè)4.0 趨勢下的工業(yè)生產(chǎn)，需要碼垛機(jī)器人本身實(shí)現(xiàn)智能的安全控制功能，比如，警示與減速，同時(shí)還要監(jiān)控操作員與機(jī)器人之間的安全距離，當(dāng)操作人員進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的確實(shí)停止。

對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)器人碼垛工作站，為了保障安全性，其安全控制系統(tǒng)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(shè)備連接到相應(yīng)的安全繼電器模塊，由其來切斷機(jī)器人的動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)安全信號(hào)觸發(fā)時(shí)機(jī)器人的動(dòng)作停止，如圖3 所示。

這樣構(gòu)成的安全系統(tǒng)雖然保障了安全性，但就實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場而言，安全信號(hào)不停地誤觸發(fā)使得機(jī)器人不斷的停止和再啟動(dòng)，而且考慮到機(jī)器人啟動(dòng)前一般還需要安全專員進(jìn)行現(xiàn)場安全信號(hào)的隱患排查，極大地降低了碼垛工作站現(xiàn)場的生產(chǎn)效率。

為了保證機(jī)器人碼垛工作站安全工作的同時(shí)，減少安全信號(hào)的誤觸發(fā)提高現(xiàn)場的工作效率，可以加入多層安全傳感器，并結(jié)合安全控制器，來實(shí)現(xiàn)報(bào)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(tài)型安全控制模塊，并結(jié)合分層的安全光電傳感器的安全系統(tǒng)為例，當(dāng)觸發(fā)工作站內(nèi)第一級(jí)光電時(shí)，機(jī)器人以60%的速度運(yùn)行并發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)觸發(fā)工作站內(nèi)第二級(jí)光電時(shí)，機(jī)器人以20%的速度運(yùn)行；當(dāng)觸發(fā)工作站內(nèi)第三級(jí)光電時(shí)，機(jī)器人運(yùn)行信號(hào)被切實(shí)切斷，從而使機(jī)器人處于停止?fàn)顟B(tài)。通過正常運(yùn)行、減速加聲光報(bào)警以及停機(jī)的3 段式控制，避免機(jī)器人的誤停機(jī)，提高碼垛工作站的運(yùn)行效率，如圖4 所示。

此外，該系統(tǒng)還兼顧工作站在清掃維護(hù)時(shí)的門鎖與安全地毯的信號(hào)監(jiān)控，其也被接入到安全控制模塊中，并進(jìn)行了邏輯組態(tài)，使得整個(gè)系統(tǒng)的安全性能達(dá)到PLe Cat.4 等級(jí)，形成完整的新型機(jī)器人碼垛車間的安全整體方案。

小結(jié)

隨著煉化行業(yè)中后道包裝線中碼垛機(jī)器人技術(shù)的普遍應(yīng)用，使得一個(gè)個(gè)的機(jī)器人工作站變成了新的生產(chǎn)管理對(duì)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(chǎn)效率，可作為案例來參考借鑒。