智能机器人在全自动称重生产线的应用研究_赵深学.pdf

收稿日期：20221111智能机器人在全自动称重生产线的应用研究赵深学1,2（1.南京司迈特称重系统有限公司，南京210096；2.东南大学国家大学科技园四牌楼双创基地，南京210096）摘要：为实现工厂无人化生产，采用工业智能机器人在粉尘污染、有毒、易爆等恶劣环境下进行工业自动化生产。分析现代化工厂普及无人化生产设备应用、流程改进及物联网云端控制的发展趋势，从液体自动灌装机、粉体称重包装机器人和改进称重码垛机器人包装生产线3个方面介绍工业机器人融合半自动设备，实现全自动化、智能化的生产；介绍全自动称重包装生产线的应用情况；给出了全自动称重生产线在物联网及远程云网络控制方面的扩展应用。关键词：工业机器人;智能化;自动称重；生产线中图分类号：TP24文献标志码：A文章编号：10099492（2023）03023605Applied Research of Intelligent Robot in Fully Automatic Weighing Production LineZhao Shenxue1,2（1.Nanjing Smart Weighing System Co.,Ltd.,Nanjing 210096,China；2.Southeast University National Science Park Innovation and Entrepreneurship Base(Sipailou),Southeast University,Nanjing 210096,China）Abstract:In order to realize unmanned factory production,industrial intelligent robots were used to automate industrial production in dustpollution,toxic,explosive and other harsh environment.The development trends of modern factory popularization of unmanned productionequipment application,process improvement and cloud control of Internet of Things were analyzed,the integration of semi-automaticequipment of industrial robots was introduced from three aspects,such as automatic liquid filling machine,powder weighing and packing robotand improved weighing and palletizing robot packaging production line to realize fully automatic and intelligent production;the application ofautomatic weighing and packing production line was introduced;the extended application of automatic weighing production line in Internet ofThings and remote cloud network control was presented.Key words:industrial robot;intelligence;automatic weighing;production line2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.049赵深学.智能机器人在全自动称重生产线的应用研究 J.机电工程技术，2023，52（03）：236-240.0引言随着经济增长，人民生活水平不断提高，改善工作环境及减少工作强度的呼声也越来越高，近几年，随着个人的价值提升，“用工荒”出现，同时生产的“高成本”等因素也交织叠加在一起。例如过去人工码垛是大部分原材料公司采用的主要方式，而通过机械式码垛或采用自动化码垛装备的公司不足15%。但是近年来一些效益好的大公司开始选用工业机器人来提高生产效率、降低生产成本1。对原材料生产工厂而言，机器人包装集成属于先进制造专业的工程应用，也是液体及粉体物料称重系统的应用。这个新兴的智能制造自动化时代迎来了春天，无人化生产模式广泛应用于劳动强度大、工作环境差、污染严重、粉尘多、易燃、易爆等危险度大的工作。当前应用的主流机器人是面向工业领域的关节机器人或多自由度的机械设备，在程序控制下能自动进行复杂的工业生产。进入21世纪20年代后，机器人系统经过历次迭代后主要根据物联网、人工智能、机器学习、深度学习等技术融合多传感器协同工作。本研究为解决先进制造业在无人化生产中存在的痛点，根据实际的工业化环境，基于工业物联网研究，介绍利用机器人智能化先进制造技术设计制造液体自动灌装机、粉体称重包装机器人和改进称重码垛机器人包装生产线，实现无人化称重包装生产线。该生产线可应用于新能源、医药、食品、化工、液晶玻璃基板等原材料行业，实现产品的全自动化和规模化生产。1液体自动称重灌装机1.1液体自动灌装机的特点液体自动灌装机结构简单，因流体的流速恒定，呈线性关系，所以编程容易，自动化控制精度高。在现场车间实际应用时，为防止液体在出料口滴液，导致罐装液体不能完全进入包装容器进而滴落在不锈钢输送机上对车间产生污染，给操作人员带来不便，南京某公司依托南京大学及东南大学产学研专门设计制造了食用油灌装机、化工用品防爆型及隔爆型灌装机，提高了生产效236赵深学：智能机器人在全自动称重生产线的应用研究率，有效解决了液体原料储存和分装的难点及痛点2。所设计的液体自动灌装机如图1所示。现场生产总装图如图2所示，重仪表通信及控制端口如图3所示。主要工艺流程：自动空桶供应空桶动力自动输送视觉寻址定位桶口机器人自动视觉寻址开盖桶盖自动向后输送进入封闭灌装室机器人视觉寻址自动灌装质量复检机器人自动视觉寻址关盖输出封闭灌装室自动贴标人工锁盖自动重桶分桶码垛。1.2粉体称重包装机器人从 20 世纪 60 年代起，机器人开始涉足重复性高或者危险性大的工业领域。80 年代，随着 Unimation 公司PUMA 工业机器人的诞生，美国兴起了工业机器人热。90 年代，工业机器人的价格不断下降，被广泛地应用于程序化、繁重或者对人体有害的工作中，如完成焊接、喷涂、码垛、简单装配等工序4-5。国产称重包装码垛机器人价格比较进口设备具有一定优势，有较大利润空间养活工人及研发人员。但是，由于对部件稳定性的苛求，国内机器人选择的都是国际品牌的原装进口零部件，零部件的选择优于同类进口产品，这也是产生利润的关键所在1。国外从事称重包装码垛机器人质量高的发达国家有美国、德国、日本。主要以日本为重要参考方向，日本的称重包装码垛机器人机械技术含量高，可靠性强，在品种和产量方面均居世界前列。其依靠自身雄厚的研发能力和独特的技术，在世界的包装领域占有一席之地，最初的生产线采用人工上袋，这是大多数工厂仍然在采用的生产方式。这种方式投资少、见效快，市场份额大。但是，随着机器人价格下降，人工成本上升，采用全自动生产线是不可改变的趋势。称重包装码垛机器人是工业机器人的一种，是应用在称重包装工业领域的自动执行工作的机械设备。目前，称重包装码垛机器人多用于大物件的称重计量包装和搬运，因此码垛、捆扎、装箱、堆放等机器人相继问世。工业机器人越来越多地走入车间，替代工人进行枯燥繁重的劳动。南京某公司基于南京大学产学研的合作模式，分别针对石化、医药、食品、饲料、建材及各类化工行业劳动环境差、劳动强度大等特点，开发了一套自动称重、上袋、装料、封口、码垛、缠绕等一体化的全自动包装机器人码垛生产线。称重包装码垛机器人高速运行码垛速度高达1 5002 400袋/h，精度可达0.2%。该公司与国内浙大中控、北京和利时等主流DCS软件公司组建工厂集散分布控制网络，其产品在各项性能指标尤其可靠性上已达到国内领先、接近国际先进水平，甚至在某些技术方面其指标略超国际先进水平。全自动包装机器人码垛生产线基于柔性控制，利用伺服电机高速驱动后三秤并行称重计量，生产效率最高可达 1 600 袋/h，满足生产厂家的最高要求。以国内某公司为例，分析利用该称重包装码垛机器人前后的经济效益，结果如下（皆为2016年实际数据）：（1）目前包装岗位共有人员18人，称重包装码垛机器人系统上线后，至少可以节约16人，每人每月工资3500元，年节约人员工资67.2万元；（2）称重包装码垛机器人系统运行动力70 kW，按每天运行10 h计算，电价0.66元/kWh，运行费用15 246元（3）日常维护费用按每年5万元计算（4）年节约费用47万元（5）投资收回周期：200万元/47万元=4.26年。可见国内厂商投资生产设备的经济效益极为可观，这也是机器人应用市场的关键切入点。图4为所示为日本发那科机器人本体三维立体图3。图1液体自动灌装机图2液体自动灌装机现场生产总装图图3称重仪表通信及控制端口2372023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期由于称重包装码垛机器人行业属于工业机器人低端应用领域，还未引起足够的重视。国内很多工厂均需根据自身实际情况定制称重包装码垛机器人生产线及后端成品包装配套设备，这些均属于非标定制产品，并且都不是核心或者决定性的工艺设备，所以此类设备在工厂设备预算中的占比较小。技术创新是产业发展壮大的最关键环节，但它必须有市场应用，有社会必需的项目支撑。高新技术产业能否被应用于实际是重要指标，高新技术产业要造福社会，造福人类，就必须广泛地应用于实际社会生产，否则就难以称之为成功的高新技术产业，创新也是如此。任何产业只要大批量应用就会带来可观利润，流水线作业，智能自动化的无人生产线，可以摊薄其研发成本及初期投入成本，这样可以让工厂获得使用该技术带来的红利，如智能手机和电脑就是高新技术产品广泛应用后效益极佳的范例。同时，生产制造业及其母工厂也会获利颇丰。2改进称重码垛机器人包装生产线自动上袋机两个主要动作采用真空压力作为动力源，利用真空吸盘直接吸取空的包装袋。工业机器人取袋动作由2只长气缸承担，操作工人将一叠空包装袋整齐叠放于袋架上，初始状态时取袋机构的升降气缸位于该叠包装袋上方，3组并联的真空吸盘由垂直运动气缸往下运动时将 3 个盘压紧在上层的第 1 只包装袋口下方 1/3处。气缸上的“下降到位”磁性开关到位后使真空选择阀动作，将真空管路接通，气缸上升时便提起包装袋。“上升到位”磁性开关动作后气缸运动使肘关节转向，将已吸持提起的包装袋转向90，并使其袋口对准下料口，当该转向气缸上的“转向到位”磁性开关动作时，使得自动撑袋机构的真空系统起动。撑袋机构是由气缸通过曲柄连杆带动的两组面对面相向运动的机构。该机构上也装有真空吸盘。每组2只并联。转向以后的空包装袋袋口处于这2组真空吸盘的中间。当空袋到位后，这2组机构同时将真空吸盘向中心移动直到相对地吸持空包装袋的袋口两侧6。图7所示为全自动称重包装码垛机器人流程。日本纽朗工业株式会社在包装机、缝纫机、制袋机和印刷机等方面均有独到研究。纽朗自动上袋机的高效性及可靠性取代了工艺复杂的流水线作业人工上袋。自动上袋机的工作顺序：取空袋一撑开袋口将袋套在秤的下料口上夹紧袋口定量灌装物料释放袋夹持并平移输送一下道工序7。全自动的化工生产流程一般是连续运行模式，作为成品粉料的最后一道包装工序，其自动化程度较高6。随着称重包装码垛机器人售价