吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)春卷煙廠 馬 亮中科院合肥物質(zhì)研究院常州先進(jìn)所 王玉東華大學(xué) 范瑞兆

減少拆垛過(guò)程中煙包損壞數(shù)量

吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)春卷煙廠 馬 亮
中科院合肥物質(zhì)研究院常州先進(jìn)所 王玉
東華大學(xué) 范瑞兆

隨著工業(yè)4.0計(jì)劃的提出與實(shí)施，其三大主題項(xiàng)目之一的 “智能物流”，被越來(lái)越多的企業(yè)所重視。在近幾年的煙草工業(yè)易地技改浪潮中，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)憑借其存儲(chǔ)能力、作業(yè)效率及現(xiàn)代化管理等優(yōu)勢(shì)，被更多企業(yè)所青睞。吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)春卷煙廠于2010年9月完成易地技改搬遷工作，新廠區(qū)的物流自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)成為了該廠建造“智能化工廠”的新亮點(diǎn)，其中成品件煙拆垛機(jī)器人作為該廠成品煙出庫(kù)系統(tǒng)的重要部分，大大提高了整個(gè)出庫(kù)過(guò)程的作業(yè)效率、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度及勞動(dòng)成本、增大了成品件煙出庫(kù)質(zhì)量。

工業(yè)4.0；自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng) ；拆垛機(jī)器人

1 前言

吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)春卷煙廠于2010年9月完成易地技改搬遷工作，物流自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)采用ABB機(jī)器人作為拆垛機(jī)器人，即利用穿梭車(chē)、巷道式堆垛起重機(jī)、鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)等設(shè)備，將碼垛好的煙包托盤(pán)移動(dòng)至機(jī)器人拆垛站臺(tái)，通過(guò)拆垛機(jī)器人將每一件煙包移動(dòng)至相應(yīng)輸送巷道。隨著設(shè)備的使用及2013年國(guó)家局逐步開(kāi)展回收煙箱再利用項(xiàng)目，長(zhǎng)春卷煙廠倉(cāng)儲(chǔ)處成品出庫(kù)系統(tǒng)，在拆垛過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)煙包掉落損壞現(xiàn)象，平均每月?lián)p壞煙包數(shù)量達(dá)到100件以上，造成了極大的浪費(fèi)。對(duì)此情況，部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)高度重視，組織相關(guān)人員對(duì)產(chǎn)生這一問(wèn)題的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，在此過(guò)程中，正壓力風(fēng)質(zhì)量、吸盤(pán)設(shè)備裝置及程序的設(shè)計(jì)漏洞均能導(dǎo)致抓取的煙包掉落、損壞，對(duì)可能造成的影響逐一進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和改造。

2　正壓力風(fēng)輸送系統(tǒng)

在機(jī)器人拆垛過(guò)程中，機(jī)器人需使用負(fù)壓力風(fēng)作用于煙包表面，使其克服自身重力，移動(dòng)至相應(yīng)輸送軌道，而負(fù)壓力風(fēng)由輸送至機(jī)械手臂的正壓力風(fēng)轉(zhuǎn)換而來(lái)，因此，清潔并足夠壓力的正壓力風(fēng)是機(jī)器人完成拆垛的前提保證。

2.1降低壓縮空氣中雜質(zhì)含量

雖然空壓機(jī)制造壓縮空氣后，已經(jīng)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行了過(guò)濾，且過(guò)濾后含水量較低，但由于長(zhǎng)春卷煙廠地處中國(guó)東北地區(qū)，全年室外溫差相差60攝氏度以上，較長(zhǎng)的輸送過(guò)程中，溫差變化較大，仍有可能產(chǎn)生冷凝水及管道雜質(zhì)，因此，選擇距離出庫(kù)拆垛區(qū)較近區(qū)域安裝獨(dú)立空壓機(jī)，對(duì)壓縮空氣的供給是非常重要的。

壓縮空氣在進(jìn)入機(jī)器人前，都需進(jìn)行油水分離器處理，確保壓縮空氣中不含有其他雜質(zhì)，長(zhǎng)春卷煙廠成品出庫(kù)區(qū)原配置型號(hào)為：LFR-D-MAXI (FESTO)油水分離裝置，由于管道冷凝水較多，并帶有部分管道雜質(zhì)，極易造成油水分離器堵塞。因此，對(duì)進(jìn)入機(jī)器人前壓縮空氣管道進(jìn)行了改造（如圖1所示），使用較為大型的油水分離雜質(zhì)，并定期進(jìn)行維護(hù)，改造后，油水分離器可定期自動(dòng)排出存裝置過(guò)濾的水分，并安裝維修通道，在新安裝的油水分離裝置出現(xiàn)故障或需要維護(hù)時(shí)，可切換為原通道模式，確保出庫(kù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2足夠正壓力風(fēng)供給

機(jī)器人拆垛用正壓力風(fēng)由空壓機(jī)產(chǎn)生、供給，但由于空壓機(jī)故障，正壓力風(fēng)壓強(qiáng)會(huì)降低或消失，因此，在正壓力風(fēng)進(jìn)入機(jī)器人前安裝了儲(chǔ)氣罐裝置（如圖2所示），在安裝儲(chǔ)氣罐裝置后，正常處于儲(chǔ)氣狀態(tài)，在正壓力風(fēng)壓降產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，確保供給機(jī)器人用風(fēng)仍能處于正常狀態(tài)，在正壓力風(fēng)消失時(shí)，仍能保證機(jī)器人完成當(dāng)前拆垛動(dòng)作。

對(duì)正壓力風(fēng)改造完成后，對(duì)設(shè)備的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，距離拆垛機(jī)器人最近的油水分離器中，沒(méi)有水分和雜質(zhì)的殘留，安裝在機(jī)械手臂的電子壓力表顯示，到達(dá)機(jī)械手臂的正壓力風(fēng)壓強(qiáng)可以滿足拆垛機(jī)器人風(fēng)力供給的需要。

圖1

圖2

3　機(jī)械手臂吸盤(pán)

機(jī)器人負(fù)責(zé)抓取的手臂吸盤(pán)為選配裝置，目前國(guó)內(nèi)選配的種類(lèi)和類(lèi)型較多，多為進(jìn)口電氣元件與機(jī)械件組裝而成，使用負(fù)壓力風(fēng)轉(zhuǎn)換器、電磁閥、壓強(qiáng)計(jì)等電氣元器件，將正壓力風(fēng)轉(zhuǎn)換為負(fù)壓力風(fēng)（吸風(fēng)），通過(guò)手臂下方的吸盤(pán)作用于煙包放置的上方，使其克服自身重力，移動(dòng)至相應(yīng)輸送通道。

拆垛機(jī)器人吸取煙包主要依靠機(jī)械手臂下方的吸盤(pán)作用于煙包上方，因此，吸盤(pán)的類(lèi)型對(duì)作用于煙包的負(fù)壓力值有著直接的關(guān)系，對(duì)硅膠、海綿兩個(gè)種類(lèi)的吸盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)分析，由于煙箱上側(cè)封口處使用膠帶粘貼，平整度較低，海綿吸盤(pán)的可變形度較大，因此更適合于頂部吸和，負(fù)壓力風(fēng)損失較小，能夠產(chǎn)生更大的壓強(qiáng)。因此選用海綿型吸盤(pán)（如圖3所示）。

圖3

4　程序維護(hù)

ABB拆垛機(jī)器人工作過(guò)程中看似流暢，其實(shí)每一步都是按照編程軟件按照坐標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行動(dòng)作的，系統(tǒng)參數(shù)可通過(guò)連接的筆記本電腦或機(jī)器人手持PDA進(jìn)行修改、查看，系統(tǒng)記憶初始設(shè)置的零點(diǎn)位置，通過(guò)X軸（機(jī)器人左右方向）、Y軸（機(jī)器人的前后方向）、Z軸（機(jī)器人的上下方向）的三維空間，判斷機(jī)器人每點(diǎn)所處位置，根據(jù)程序預(yù)先設(shè)計(jì)好的坐標(biāo)點(diǎn)間進(jìn)行動(dòng)作。因此，機(jī)器人編程系統(tǒng)就如同拆垛機(jī)器人的大腦，指引機(jī)器人按規(guī)定完成每一個(gè)動(dòng)作，但抓取位與放置位的X、Y、Z軸的每個(gè)小的偏差，都有可能導(dǎo)致此次拆垛過(guò)程中的煙包掉落，所以，機(jī)器人程序的設(shè)置，直接影響到拆垛過(guò)程是否可以正常完成。由于廠內(nèi)生產(chǎn)品牌較多，每種品牌的紙箱包裝尺寸不一，或每種品牌批次不同，外尺寸也會(huì)有所變化，目前長(zhǎng)春卷煙廠工藝執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為紙箱內(nèi)壁尺寸的允許范圍為±5mm，因此，由于煙箱類(lèi)型的不同、動(dòng)作的不同及機(jī)器人速度導(dǎo)致的慣性過(guò)大都有可能造成拆垛過(guò)程中的煙包掉落損壞。

4.1煙包類(lèi)型的分類(lèi)

長(zhǎng)春卷煙廠異地技改調(diào)試機(jī)器人調(diào)試時(shí)，碼垛機(jī)器人與拆垛機(jī)器人都將煙箱類(lèi)型設(shè)置為大煙箱（硬盒卷煙）和小煙箱（軟包卷煙）兩種尺寸，由于機(jī)器人在碼垛過(guò)程中，吸附煙包側(cè)面，而煙包側(cè)面積遠(yuǎn)大于煙包頂端面積，也大于機(jī)器人吸盤(pán)所需要吸附的面積，并且與煙包頂端相比較為平整，因此，可以非常好的完成煙包的碼垛入庫(kù)任務(wù)。而拆垛過(guò)程中，由于機(jī)械手臂吸盤(pán)吸附煙包頂端，吸盤(pán)面積與煙包頂端面積基本相同，因此大煙箱不同的品牌煙包或小煙箱不同品牌煙包的尺寸變化便有可能造成機(jī)械手臂吸盤(pán)吸取位置發(fā)生偏移，當(dāng)偏移量較大時(shí)，便會(huì)造成煙包的掉落。

針對(duì)這一問(wèn)題，將原有煙包類(lèi)型進(jìn)行了重新的分類(lèi)，使每一品牌的碼垛煙包類(lèi)型對(duì)應(yīng)一個(gè)屬性分類(lèi)，調(diào)整每一個(gè)品牌煙包抓取位置時(shí)，不會(huì)改變其他品牌煙包抓取的位置。在煙包入庫(kù)下達(dá)工單時(shí)，根據(jù)煙包品牌所定義編號(hào)（1～15），填寫(xiě)煙包屬性，在煙包出庫(kù)拆垛過(guò)程中，通過(guò)電控與機(jī)器人的通訊協(xié)議，將所需拆垛的煙包托盤(pán)屬性傳送至機(jī)器人程序，機(jī)器人程序再按照定義的煙包屬性，調(diào)用并執(zhí)行相應(yīng)的拆垛程序，從而不影響其他屬性煙包拆垛的位置。

目前，所設(shè)置的煙包類(lèi)型屬性達(dá)到了15個(gè)，而現(xiàn)使用的煙包類(lèi)型為9個(gè)，剩余6個(gè)煙包類(lèi)型（三個(gè)大煙包尺寸類(lèi)型、三個(gè)小煙包尺寸類(lèi)型）為預(yù)留，在需要新增品牌時(shí)，先定義新增煙包類(lèi)型屬性，再根據(jù)新增煙包尺寸的變化，修改相應(yīng)程序的位置，從而可以較為快速、方便、準(zhǔn)確地下達(dá)新品牌煙包的拆垛任務(wù)。

4.2動(dòng)作細(xì)化

機(jī)器人手臂吸盤(pán)面積與煙包頂端面積基本相同，因此，煙包位置的變化將導(dǎo)致拆垛機(jī)器人同一時(shí)期所抓起的煙包位置都發(fā)生變化，這一位置的改變將直接導(dǎo)致手臂吸盤(pán)作用于煙包頂端的負(fù)壓力風(fēng)的壓強(qiáng)值變化，產(chǎn)生掉落的危險(xiǎn)。

煙包從卷包車(chē)間生產(chǎn)后由碼垛機(jī)器人碼垛為1～28件（通常情況下煙包碼垛數(shù)量為28件，當(dāng)執(zhí)行強(qiáng)制入庫(kù)命令或當(dāng)班生產(chǎn)結(jié)束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生1～27件數(shù)量不等的煙包托盤(pán)）數(shù)量不等的煙包托盤(pán)，后經(jīng)穿梭車(chē)、鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、巷道式堆垛起重機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的成品自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中，需要完成出庫(kù)任務(wù)時(shí)，再由巷道式堆垛起重機(jī)、穿梭車(chē)、鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)等設(shè)備移動(dòng)至拆垛站臺(tái)，入庫(kù)后的煙包還有一定的可能需要在入庫(kù)區(qū)進(jìn)行抽檢處理，而每一次移動(dòng)都會(huì)對(duì)已碼垛好的煙包托盤(pán)造成不規(guī)則的位置偏移，這一偏移，就有可能導(dǎo)致，在拆垛過(guò)程中，拆垛機(jī)器人吸盤(pán)吸取煙包的位置發(fā)生偏移（如圖4所示）。因此對(duì)整個(gè)入、出庫(kù)過(guò)程中可能造成煙包位置發(fā)生改變的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在煙包入庫(kù)前鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)擋板，負(fù)責(zé)將沒(méi)有完全靜止的煙用托盤(pán)阻擋住，但阻擋煙用托盤(pán)停止時(shí)，托盤(pán)上的煙包由于受到慣性的作用，位置會(huì)發(fā)生不規(guī)則的變動(dòng)，因此，調(diào)整輸出給鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)停止的光電管的位置，使其能夠到達(dá)與擋板接觸后停止，但擋板產(chǎn)生在托盤(pán)上煙包的慣性在煙包間摩擦力的作用下，不會(huì)引起位置的偏移。

同時(shí)又根據(jù)每一種類(lèi)的煙包拆垛類(lèi)型對(duì)應(yīng)的拆垛程序進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)整，使其可以完整的吸附煙包的表面，減少因拆垛機(jī)器人吸盤(pán)吸附煙包上端位置發(fā)生偏移而產(chǎn)生煙包掉落的危險(xiǎn)。

4.3調(diào)節(jié)速度

圖4

成品出庫(kù)自動(dòng)化系統(tǒng)執(zhí)行煙包出庫(kù)任務(wù)時(shí)，煙包離開(kāi)最后一個(gè)設(shè)備的速度可視為出庫(kù)的效率。在整套成品出庫(kù)系統(tǒng)中，由各單體設(shè)備工序組成，由巷道式堆垛起重機(jī)負(fù)責(zé)取出貨物，單體直行穿梭車(chē)負(fù)責(zé)將煙用托盤(pán)移動(dòng)至拆垛站臺(tái)，由拆垛機(jī)器人拆垛后，將煙包輸送至分揀系統(tǒng)，再由伸縮鏈板機(jī)將煙包移動(dòng)至車(chē)中。根據(jù)木桶原理，在整個(gè)物流過(guò)程中，速度最慢的為制約整個(gè)物流速度的關(guān)鍵因素，為達(dá)到物流的連貫性，盡量減少上游設(shè)備工作速度大于下游速度而造成上游工序停機(jī)等待的概率，而各環(huán)節(jié)中巷道式堆垛起重機(jī)、穿梭車(chē)、分揀系統(tǒng)、伸縮鏈板機(jī)等設(shè)備的速度基本已經(jīng)達(dá)到最佳，下游設(shè)備速度均高于上游設(shè)備速度，因此，機(jī)器人的拆垛速度應(yīng)位于穿梭車(chē)與分揀系統(tǒng)中，即高于穿梭車(chē)的速度，低于分揀系統(tǒng)的分揀速度，而由于機(jī)器人拆垛速度過(guò)快將導(dǎo)致因慣性過(guò)大而造成的煙包掉落，因此，只需將機(jī)器人拆垛速度大于穿梭車(chē)速度即可。

目前機(jī)器人的運(yùn)行速度為150分鐘/整托盤(pán)，整托盤(pán)為28件煙的實(shí)托盤(pán)，經(jīng)測(cè)算，機(jī)器人可允許的最慢速度為163分鐘/整托盤(pán)，因此，我們對(duì)機(jī)器人拆垛過(guò)程中，每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行詳細(xì)分析，整托盤(pán)拆垛中，第1～8件煙為平躺放置，機(jī)器人吸取煙包側(cè)面，壓強(qiáng)較大，第9～28件煙為豎放，吸取煙包頂部，易造成煙包掉落，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，最終將機(jī)器人拆垛整托盤(pán)中煙包豎放的拆垛移動(dòng)速度參數(shù)由原來(lái)的1000降至600，速度降低為原有的40%，即將吸取第9～28件煙后， 機(jī)器人移動(dòng)煙包至相應(yīng)巷道的移動(dòng)速度降低40%，散盤(pán)托盤(pán)（托盤(pán)碼垛煙包數(shù)量小于28件煙）拆垛速度按照拆實(shí)托盤(pán)速度程序執(zhí)行，調(diào)整后機(jī)器人拆整盤(pán)煙的速度為156分鐘/整托盤(pán)，不會(huì)造成上游設(shè)備等待。系統(tǒng)調(diào)試后，降低了拆垛過(guò)程中，由機(jī)器人在X、Y、Z軸發(fā)生變速移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力，從而確保拆垛過(guò)程中煙包不會(huì)因機(jī)器人拆垛過(guò)程中移動(dòng)速度過(guò)快造成的煙包掉落。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)正壓力風(fēng)輸送系統(tǒng)、機(jī)器人手臂吸盤(pán)的改造及機(jī)器人系統(tǒng)程序的優(yōu)化、改進(jìn)，從根本上杜絕了機(jī)器人在拆垛過(guò)程中發(fā)生的煙包掉落、損壞這一現(xiàn)象。通過(guò)6個(gè)月的觀察，除煙包自身包裝缺陷等煙包自身原因外，拆垛過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生因設(shè)備自身故障造成的煙包掉落、損壞現(xiàn)象。使得整個(gè)物流自動(dòng)化出庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、暢通，減少了不必要的浪費(fèi)，縮短物流出庫(kù)系統(tǒng)故障時(shí)間，消除了拆垛機(jī)器人運(yùn)行中的煙包掉落故障，增加了設(shè)備運(yùn)行的可靠度，降低維修成本。

Reducing the Quantity of Tobacco-Pack Damage During Unstacking

In the wake of the promotion and carrying out of the Industry 4.0 project, intelligent logistics, as one of its three major themes, is receiving more and more attention from the enterprises. In recent years' wave of the technological improvement among different places, the auto-stereoscopic warehouse has won the good graces of more and more companies due to the excellent storage capacity, working efficiency and modernization management. Changchun Cigarettes Factory completed the relocation in September, 2010, and its auto-stereoscopic warehouse management system in the new factory district became the new highlight in building our "auto-factory". The breaking-jam robots of the finished tobacco product serve as the main force of our delivery of cargo from storage system. They have improved the delivery efficiency, decreased the labor load, saved cost, and finally enlarged the finished product output capacity.

Industry 4.0; Automated Storage and Retrieval System（AS & RS）; Unstacking Robot

馬亮（1985-），男，現(xiàn)任吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司長(zhǎng)春卷煙廠倉(cāng)儲(chǔ)處技術(shù)員，從事物流自動(dòng)化系統(tǒng)的維修、維護(hù)等相關(guān)工作。