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碼垛機器人及其操作應用 導入案例 機器人助力啤酒 飲料產(chǎn)業(yè) 實現(xiàn)碼垛自動化 隨著中國啤酒飲料產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展以及生產(chǎn)技術裝備的不斷革新 機 器人技術在啤酒 飲料 包裝碼垛中也得到了廣 泛的應用 同時 機器 人技術在醫(yī)藥和消費品 領域的應用范圍也正逐 漸擴大 尤其在這些領 域至關重要的包裝碼垛 環(huán)節(jié)中 機器人已經(jīng)在 真正意義上成為生產(chǎn)商在包裝碼垛環(huán)節(jié)的有力武器 1 啤酒生產(chǎn)碼垛 碼垛 碼垛 就是把貨物按照一定的擺放順序與層次整齊地堆疊好 碼垛機是將已裝入容器的紙箱 按一定排列碼放在托盤 棧板 木質 塑膠 上 進行自動堆碼 可堆碼多層 然后推出 便于叉車運至倉庫儲存 碼垛機 橋式碼垛機 橋式碼垛機占用空間大 碼垛速度慢 垛型不規(guī)整 機械式碼垛機 高位碼垛機 機械式碼垛機占用空間大 通用性差 機構復雜 耗電量高 優(yōu)點是價格相對機器人碼垛價格比較低 6 1碼垛機器人的分類及特點 碼垛機器人具有作業(yè)高效 碼垛穩(wěn)定等優(yōu)點 解放工人繁重體力勞動 已在 所 各個行業(yè)的包裝物流線中發(fā)揮強大作用 其主要優(yōu)點有 處 位 置 占地面積少 動作范圍大 減少 廠源浪費 課 能耗低 降低運行成本 堂 認 知 提高生產(chǎn)效率 解放繁重體力勞 動 實現(xiàn) 無人 或 少人 碼 垛 改善工人勞作條件 擺脫有毒 有害環(huán)境 柔性高 適應性強 可實現(xiàn)不同 物料碼垛 定位準確 穩(wěn)定性高 6 1碼垛機器人的分類及特點 碼垛機器人與搬運機器人在本體結構上沒有過多區(qū)別 通?？烧J為碼垛機器人本體較搬運機器人大 在實際生產(chǎn)當中碼垛機器人多為四軸且多數(shù)帶有輔助連桿 連桿主要起到增加力矩和平衡的作用 碼垛機器人多不能進行橫向或縱向移動 安裝在物流線末端 常見的碼垛機器人結構多為關節(jié)式碼垛機器人 擺臂式碼垛機器人和龍門式碼垛機器人 關節(jié)式碼垛機器人 龍門式碼垛機器人 碼垛機器人分類 擺臂式碼垛機器人 6 2碼垛機器人的系統(tǒng)組成 通常碼垛機器人主要有操作機 控制系統(tǒng) 碼垛系統(tǒng) 氣體發(fā)生裝置 液壓發(fā)生裝置 和安全保護裝置組成 3 6 1 2 5 4 7 1 機器人控制柜 2 示教器 3 氣體發(fā)生裝置 4 真空發(fā)生裝置 5 操作機 6 夾板式手爪 7 底座 碼垛機器人系統(tǒng)組成 關節(jié)式碼垛機器人常見本體多為4軸 亦有5 6軸碼垛機器人 但在實際包裝碼垛物流線中5 6軸碼垛機器人相對較少 碼垛主要在物流線末端進行工作 4軸碼垛機器人足以滿足日常碼垛 KUKAKR700PA FANUCM 410iB ABBIRB660 YASKAWAMPL80 四巨頭碼垛機器人本體 自動包裝生產(chǎn)線及機器人碼垛生產(chǎn)線組成 開始 系統(tǒng)供電供氣 分料器 粗加料 細加料 額定值 自動供袋取袋夾袋 夾帶機松開 輸送單元 折邊單元 封口單元 倒包壓包單元 金屬檢測機 重量復檢機 噴碼打印機 機器人自動碼垛機 不合格 不合格 剔除 高位碼垛 機器人碼垛 機器人碼垛生產(chǎn)線整體示意圖 機器人碼垛示意圖 作為碼垛機器人的重要組成部分之一 碼垛機械手 也稱手爪或抓手 的工作性能 包括高可靠性 結構簡單新穎 質量小等參數(shù)對碼垛機器人的整體工作性能具有非常重要的意義 可根據(jù)不同的產(chǎn)品 設計不同類型的機械手爪 使得碼垛機器人具有效率高 質量好 適用范圍廣 成本低等優(yōu)勢 并能很好地完成碼垛工作 機械手爪 末端執(zhí)行器 常見碼垛機器人的末端執(zhí)行器有吸附式 夾板式 抓取式 組合式 吸附式在碼垛中吸附式末端執(zhí)行器主要為氣吸附 主要適用于可吸取的碼放物 廣泛應用于醫(yī)藥 食品 煙酒等行業(yè) 機械手爪 真空吸附式機械手爪 說明 該類手爪主要用于適合吸盤吸取的碼放物 如覆膜包裝盒 裝啤酒箱 塑料箱 紙箱等 20 夾板式夾板式手爪是碼垛過程中最常用的一類手爪 常見的有單板式和雙板式 主要用于整箱或規(guī)則盒碼垛 夾板式手爪加持力度較吸附式手爪大 并且兩側板光滑不會損傷碼垛產(chǎn)品外觀質量 單板式與雙板式的側板一般都會有可旋轉爪鉤 夾板式手爪 機械手爪 夾板式機械手爪 單板型機械手爪 雙板型機械手爪 說明 該類手爪主要用于整箱或規(guī)則盒裝包裝物品的碼放 可用于各種行業(yè) 可以一次碼一箱 盒 或多箱 盒 23 抓取式抓取式手爪是一種可靈活適應不同形狀和內(nèi)含物的包裝袋 說明 該類機械手手爪主要用于袋裝物的碼放 如面粉 飼料 水泥 化肥等等 機械手爪 抓取式機械手爪 25 組合式組合式是通過組合獲得各單組手爪優(yōu)勢的一種手爪 靈活性較大 各單組手爪之間既可單獨使用又可配合使用 可同時滿足多個工位的碼垛 組合式手爪 機械手爪 組合式機械手爪 抓鉤 真空吸取式 抓取式組合機械手爪 說明 組合式手爪是前三種手爪的靈活組合 同時滿足多個工位碼放 27 搬運碼垛機器人主要包括機器人和碼垛系統(tǒng)組成 機器人由搬運機器人本體及完成碼垛排列控制的控制柜組成 碼垛系統(tǒng)中末端執(zhí)行器主要有吸附式 夾板式 抓取式和組合式等形式 6 3碼垛機器人的作業(yè)示教 碼垛機器人是在物流生產(chǎn)線末端取代人工或碼垛機完成工件的自動碼垛功能 主要適應對象為大批量 重復性強或是工作環(huán)境具有高溫 粉塵等條件惡劣情況 具有定位精確 碼垛質量穩(wěn)定 工作節(jié)拍可調(diào) 運行平穩(wěn)可靠 維修方便等特點 IRB460系列 工業(yè)機器人四巨頭 KUKA的KR300PA KR470PA KR700PA系列PANUC的M R系列YASKAWA的MPL系列 TCP確定 對碼垛機器人而言 以末端執(zhí)行器不同而設置在不同位置 就吸附式而言其TCP一般設在法蘭中心線與吸盤所在平面交點的連線上并延伸一段距離 距離的長短依據(jù)吸附物料高度確定 夾板式和抓取式的TCP一般設在法蘭中心線與手爪前端面交點處 而組合式TCP設定點需依據(jù)起主要作用的單組手爪確定 物料 工具中心在法蘭中心 高度 線與吸盤平面的交點 的連線上并延伸距離 TCP 等同于物料高度處 吸盤式TCP 生產(chǎn)再現(xiàn) 吸盤式TCP點及生產(chǎn)再現(xiàn) 工具中心在法蘭 中心線與手爪前 抓取式TCP 生產(chǎn)再現(xiàn) 抓取式TCP點及生產(chǎn)再現(xiàn) 以袋料碼垛為例 選擇關節(jié)式 4軸 末端執(zhí)行器為抓取式 采用在線示教方式為機器人輸入碼垛作業(yè)程序 以A垛 碼垛為例展開 C 程序點8 程序點1 程序點7 A 程序點5 程序點6 程序點2程序點4 程序點3 B 碼垛機器人運動軌跡圖例 6 3碼垛機器人的作業(yè)示教 程序點說明 所 處 位 置 程序點 說明 抓手動作 程序點 說明 抓手動作 課 程序點1 機器人原點 程序點5 碼垛中間點 抓取 堂 認 知 程序點2 碼垛臨近點 程序點6 碼垛作業(yè)點 放置 程序點3 碼垛作業(yè)點 抓取 程序點7 碼垛規(guī)避點 程序點4 碼垛中間點 抓取 程序點8 機器人原點 6 3碼垛機器人的作業(yè)示教 所 處 位 登陸程序點8 示教前的準備 設定碼垛條件 置 登陸程序點7 新建一個程序 運行確認 跟蹤 課 堂 認 知 登錄程序點1 登陸程序點6 再現(xiàn)碼垛 登錄程序點2 登錄程序點5 登錄程序點3 登錄程序點4 碼垛機器人作業(yè)示教流程 6 3碼垛機器人的作業(yè)示教 1 示教前的準備 所 處 1 確認自己和機器人之間保持安全距離 2 機器人原點確認 位 置 2 新建作業(yè)程序點按示教器的相關菜單或按鈕 新建一個作業(yè)程序 如 Spot sheet 課 堂 認 知 3 程序點的登錄在示教模式下 手動操作移動關節(jié)式碼垛機器人軌跡設定程序點1至程序點8 程序點1和程序點8設置在同一點可提高作業(yè)效率 此外程序點1至程序點8需處與工件 夾具互不干涉位置 6 3碼垛機器人的作業(yè)示教 碼垛作業(yè)示教 所 處 程序點 示教方法 位 置 按第3章手動操作機器人要領移動機器人到碼垛原點 程序點1 插補方式選擇 PTP 機器人原點 確認并保存程序點1為碼垛機器人原點 手動操作碼垛機器人到碼垛作業(yè)臨近點 并調(diào)整抓手姿態(tài) 程序點2 課 插補方式選擇 PTP 碼垛臨近點 堂 確認并保存程序點2為碼垛機器人作業(yè)臨近點 認 知 手動操作碼垛機器人移動到碼垛起始點且保持抓手位姿不變 插補方式選擇 直線插補 程序點3 再次確認程序點 保證其為作業(yè)起始點 碼垛作業(yè)點 若有需要可直接輸入碼垛作業(yè)命令 手動操作碼垛機器人到碼垛中間點 并適度調(diào)整抓手姿態(tài) 插補方式選擇 直線插補 程序點4 確認并保存程序點4為碼垛機器人作業(yè)中間點 碼垛中間點 手動操作碼垛機器人到碼垛中間點 并適度調(diào)整抓手姿態(tài) 插補方式選擇 PTP 程序點5 確認并保存程序點5為碼垛機器人作業(yè)中間點 碼垛中間點 所 碼垛作業(yè)示教 處 位 置 程序點 示教方法 手動操作碼垛機器人移動到碼垛終止點且調(diào)整抓手位姿以適合安放工件 插補方式選擇 直線插補 程序點6 再次確認程序點 保證其為作業(yè)終止點 碼垛作業(yè)點 若有需要可直接輸入碼垛作業(yè)命令 課 堂 手動操作碼垛機器人到碼垛作業(yè)規(guī)避點 認 程序點7 插補方式選擇 直線插補 知 碼垛規(guī)避點 確認并保存程序點7為碼垛機器人作業(yè)規(guī)避點 手動操作碼垛機器人到機器人原點 程序點8 插補方式選擇 PTP 機器人原點 確認并保存程序點8為碼垛機器人原點 4 設定作業(yè)條件設定碼垛參數(shù)碼垛參數(shù)設定主要為TCP設定 物料重心設定 托盤坐標系設定 末端執(zhí)行器姿態(tài)設定 物料重量設定 碼垛層數(shù)設定 計時指令設定等 5 檢查試運行 確認碼垛機器人周圍安全 作進行跟蹤測試作業(yè)程序跟蹤測試 1 打開要測試的程序文件 2 移動光標到程序開頭位置 3 按住示教器上的有關 跟蹤功能鍵 實現(xiàn)碼垛機器人單步或連續(xù)運轉 6 再現(xiàn)碼垛 1 打開要再現(xiàn)的作業(yè)程序 并將光標移動到程序的開始位置 將示教器上的 模式開關 設定到 再現(xiàn) 自動 狀態(tài) 2 按示教器上 伺服ON按鈕 接通伺服電源 3 按 啟動按鈕 碼垛機器人開始運行 碼垛機器人編程時運動軌跡上的關鍵點坐標位置可通過示教或坐標賦值方式進行設定 在實際生產(chǎn)當中若托盤相對較大 采用示教方式找尋關鍵點 若產(chǎn)品尺寸同托盤碼垛尺寸合理 采用坐標賦值方式獲取關鍵點 采用賦值法獲取關鍵點 圖中紅點為產(chǎn)品的幾何中心點 即所需找到托盤上表面這些幾何點垂直投影點所在位置 實際移動碼垛機器人尋找關鍵點時 需用到校準針 校準針 校準針 第一層碼垛示教完畢 第二層只需在第一層基礎上Z方向加上相應產(chǎn)品高度即可 示教方式如同第一層 第三層可調(diào)用第一層程序并在第二層基礎上加上產(chǎn)品高度 以此類推 碼垛控制指令 相關程序知識 繼續(xù)程序編寫 碼垛控制指令的應用 知識鏈接 6 4碼垛機器人的周邊設備與工位布局 6 4 1周邊設備常見的碼垛機器人輔助裝置有金屬檢測機 重量復檢機 自動剔除機 倒袋機 整形機 待碼輸送機 傳送帶 碼垛系統(tǒng)裝置等 金屬檢測機 金屬檢測機防止在生產(chǎn)制造過程中混入金屬等異物 需要金屬檢測機進行 重量復檢機在自動化碼垛流水作業(yè)中起到重要作用 可以檢測出前工序是否漏裝 裝多 以及對合格品 欠重品 超重品進行統(tǒng)計 進而到達產(chǎn)品質量控制 金屬檢測機 重量復檢機 所 處 自動剔除機自動剔除機是安裝在金屬檢測機和重量復檢機之后 主要用于剔除含金屬異物及重量不合格等產(chǎn)品 位 置 課 堂 認 知 自動剔除機 倒袋機倒袋機是將輸送過來的袋裝碼垛物按照預定程序進行輸送 倒袋 轉位等操作 以按流程進入后續(xù)工序 所 整形機主要針對袋裝碼垛物 經(jīng)整形機整形后袋裝碼垛物內(nèi)可能存在的積聚物會均勻分散 之后進入后續(xù)工序 處 位 置 課 堂 認 知 整形機 待碼輸送機待碼輸送機是碼垛機器人生產(chǎn)線的專用輸送設備 碼垛貨物聚集于此 便于碼垛機器人末端執(zhí)行器抓取 可提高碼垛機器人靈活性 待碼輸送機 生產(chǎn)線對接 待碼輸送機 待碼輸送機 與機械手爪配套 方便抓取 56 所 傳送帶傳送帶是自動化碼垛生產(chǎn)線上必不可少的一個環(huán)節(jié) 其針對不同的廠源條件可選擇不同的形式 處 位 置 課 堂 認 知 組合式傳送帶 轉彎式傳送帶 6 4 2工位布局 碼垛機器人工作站布局是以提高生產(chǎn) 節(jié)約場地 實現(xiàn)最佳物流碼垛為目的 實際生產(chǎn)中 常見的碼垛工作站布局主要有全面式碼垛和集中式碼垛兩種 全面式碼垛碼垛機器人安裝在生產(chǎn)線末端 可針對一條或兩條生產(chǎn)線 具有較小的輸送線成本與占地面積 較大靈活性和增加生產(chǎn)量等優(yōu)點 全面式碼垛 集中式碼垛碼垛機器人被集中安裝在某一區(qū)域 可將所有生產(chǎn)線集中在一起 具有較高的輸送線成本 節(jié)省生產(chǎn)區(qū)域資源 節(jié)約人員維護 一人便可全部操縱 集中式碼垛 按碼垛進出情況常見規(guī)劃有一進一出 一進兩出 兩進兩出和四進四出等形式 一進一出一進一出常出現(xiàn)在廠源相對較小 碼垛線生產(chǎn)比較繁忙的情況 此類型碼垛速度較快 托盤分布在機器人左側或右側 缺點是需人工換托盤 浪費時間 一進一出 一進兩出在一進一出的基礎上添加輸出托盤 一側滿盤信號輸入 機器人不會停止等待直接碼垛另一側 碼垛效率明顯提高 一進兩出 兩進兩出兩進兩出是兩條輸送鏈輸入 兩條碼垛輸出 多數(shù)兩進兩出系統(tǒng)不會需要人工干預 碼垛機器人自動定位擺放托盤 是目前應用最多的一種碼垛形式 也是性價比最高的一種規(guī)劃形式 兩進兩出 四進四出四進四出系統(tǒng)多配有自動更換托盤功能 主要應對于多條生產(chǎn)線的中等產(chǎn)量或低等產(chǎn)量的碼垛 四進四出 碼垛機器人技術新發(fā)展 所 操作機瑞典ABB公司推出全球最快碼垛機器人IRB 460 操作節(jié)拍可到達每小時2190次 運行速度比常規(guī)機器人提升15 作業(yè)覆蓋范圍達到2 4米 占地面積比一般碼垛機器人節(jié)省20 德國KUKA公司堆垛機器人KR180 2PAArctic 可在 30 條件下以180kg全負荷進行工作 且無防護罩和額外加熱裝置 創(chuàng)造了碼垛在寒冷條件下的極限 處 位 置 擴 展 與 提 高 ABBIRB 460 KR180 2PAARCTIC 碼垛機器人技術新發(fā)展 控制器ABB公司新出品的IRC5控制器 不僅繼承了前幾代控制器在運動控制 柔性 通用性 安全性 可靠性的優(yōu)勢 且在模塊化 用戶界面 多機器人控制等方面取得全新性突破 KUKA公司出品的KRC4控制器具有高效 安全 靈活和智能化等優(yōu)點 將安全控制 機器人控制 運動控制 邏輯控制及工藝控制集中在一個開放高效數(shù)據(jù)標準構架中 具有高性能 可升級和靈活性等特點 所 處 位 置 擴 展 與 提 高 ABBIRC5 KUKAKRC4 本章小結 所 碼垛機器人四軸占據(jù)多數(shù) 通過這些可進行編寫控制的 處 位 軸將碼垛末端執(zhí)行器準確移動到預定空間位置 實現(xiàn)物件的 置 抓取和放置動作 按結構形式分 碼垛機器人可分為龍門式 擺臂式和關節(jié)式等 本 碼垛機器人作業(yè)編程簡單 運動軌跡 作業(yè)條件 作業(yè) 章 小 順序依舊為重點 特別注意 碼垛之前要輸入相應物料指標 結 參數(shù) 如重量 避免碼垛機器人頻繁重量報警 碼垛機器 人控制點 TCP 可依據(jù)實際條件進行設置 吸附式手爪的 TCP多設在法蘭中心線與吸盤所在平面交點的連線上并延伸 一段距離 距離的長短依據(jù)吸附物料高度確定 夾板式和抓 取式手爪的TCP一般設在法蘭中心線與手爪前端面交點處 以保證示教時TCP點始終在托盤的上表面 利于碼垛程序的 編制 思考練習 1 填空 所 處 1 從結構形式上看 碼垛機器人可分為 和關節(jié) 位 置 式碼垛機器人 2 碼垛機器人常見的末端執(zhí)行器分 和 3 碼垛機器人工作站按進出物料方式可分為 思 考 和四進四出等形式 練 習 2 選擇 1 在實際生產(chǎn)當中常見的碼垛機器人工作站工位布局是 全面式碼垛 集中式碼垛 一進一出式碼垛 兩進兩出式碼垛 一進 兩出式碼垛 三進三出式碼垛 A B C D 2 對醫(yī)藥品碼垛工作站而言 碼垛輔助設備主要有 金屬檢測機 重量復檢機 自動剔除機 倒袋機 整形機 待碼 輸送機 傳送帶 碼垛系統(tǒng)裝置 安全保護裝置 A B C D 返回 目錄 思考練習 3 判斷 所 1 根據(jù)車間場地面積 在有利于提高生產(chǎn)節(jié)拍的前提下 搬運機器人工作 處 位 站可采用L型 環(huán)狀 品 字 一 字等布局 置 2 關節(jié)式碼垛機器人本體與關節(jié)式搬運機器人沒有任何區(qū)別 在任何情況 下都可以互換 3 關于碼垛機器人TCP點 吸附式多設在法蘭中心線與吸盤所在平面交點 思的連線上并延伸一段距離使這段距離等同于物料高度 而夾板式同抓取式多設在 考 練法蘭中心線與手爪前端面交點處 習 四 綜合應用 1 簡述碼垛機器人與搬運機器人的異同點 2 下圖是某食品包裝流水生產(chǎn)線 主要由產(chǎn)品生產(chǎn)供給線 小箱輸送包裝線 和大箱輸送包裝線等部分構成 依圖畫出A位置碼垛運動軌跡示意圖 按照 2 3 3 2碼垛 3 依圖并結合A點位置示教過程完成下表 請在相應選項下打 或選擇序 號陰影部分為碼垛機器人原點 產(chǎn)品外觀尺寸為1800mm 1200mm 30mm 托盤尺寸為3600mm 3000mm 20mm 思考練習 碼垛作業(yè)示教 搬運作業(yè) 插補方式 A 所 處 原點 中間 位 作業(yè) 直線插 程序點 點 規(guī)避點 臨 置 PTP 點 補 近點 程序點1 程序點2 思 考 程序點3 練 習 程序點4 題4圖 產(chǎn)品生產(chǎn)供給線 小箱輸送包裝線 程序點5 大箱輸送包裝線 程序點6 程序點8 程序點8 程序點9 程序點10 程序點11 程序點12 程序點13