码垛机器人在饲料工业的研究及应用

■王亭岭 王彩玲 马景义 刘国良 牛 军

（1.华北水利水电学院，河南郑州 450011；2.郑州牧业工程高等专科学校，河南郑州 450001；3.北京赛佰特科技有限公司，北京 100000；4.辽宁省农牧业机械研究所有限公司，辽宁沈阳 110036）

中国作为世界工厂，以加工附加值低的劳动密集型产品为主，在技术密集型制造业领域则明显落后。随着我国人口红利的减少，劳动力成本的暴涨加速了工业机器人的需求。国家政策的逐步调整，促使我国由“中国制造”向“中国创造”不断转变。工业蓬勃发展及对产品质量的更高要求，促使机器人加工成为一种最具潜力的加工方法。危险环境及恶劣加工条件下，机器人将作为一种标准设备而得到广泛应用。

近年来，码垛机器人在机械结构、适用范围、设备占地空间、灵活性、成本以及维护等方面的突出优势使其应用渐为广泛。目前，码垛机器人搬运码垛作业在现代企业的物流管理过程中占有重要的地位，以避免用人工来完成这些工作而存在的劳动强度大、效率低、安全性差等诸多弊端，因此采用自动化的操作手段已成为必然的发展趋势。早在80年代中、后期，日本、德国等发达国家已在推广搬运、码垛的自动化、机器人化方面取得了显著进展，最近几年我国的机器人搬运技术也得以较快地发展，应用日益广泛[1]。

码垛机器人具备码垛和搬运两种功能。码垛的过程就是把一定大小的规整产品按照一定排列样式码放在托板上[2]。传统码垛是以人工方式完成的，利用人力把托盘先放置在地面上，再逐次地把产品按照一定顺序放置在托盘上。这种方式简单易行，没有初期设备投资，同时有一定灵活性。但是这种方法存在着很大的局限性，如当生产线的速度过高或产品重量过大时，人工码垛就比较困难了。另外，很多产品有严格的卫生要求，需要尽量避免和人体接触。同时，一些工作条件恶劣、危险性大的产品也不适合采用人工方式码垛。由于人工码出的垛重复性差、码垛质量低、在运输过程中容易出现倒垛现象，从而增加了产品的破损。在各行各业随着生产线的普及，码垛与产品搬运显得尤为重要。码垛机器人的特点是在不需人工参与的情况下，按照预定的排列样式自动地进行码垛和搬运。它使得很多的劳动力从繁重而又单调的体力劳动中解放出来。码垛机器人是按照人们编排的程序进行工作的，因此在码垛速度提高的同时，码垛的精度和重复性也得到了大大的提高。这样的垛既便于存储和运输，同时又增加产品的美感。经过几十年的发展，码垛机器人的性能有了很大提高，其适用范围也越来越广。

1 码垛机器人的发展

纵观世界各国发展工业机器人产业的过程，可归纳为三种不同的发展模式，即日本模式、欧洲模式和美国模式。日本模式的特点是：各司其职，分层面完成交钥匙工程，即机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标，并由其子公司或社会上的工程公司来设计制造各行业所需要的机器人成套系统，并完成交钥匙工程；欧洲模式的特点是：一揽子交钥匙工程。即机器人的生产和用户所需要的系统设计制造，全部由机器人制造厂商自己完成；美国模式的特点是：采购与成套设计相结合。美国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要时机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套的外围设备，完成交钥匙工程。

目前国际上有代表性的产品化码垛机器人有日本的FUJI ACE（不二）公司的垂直关节型码垛机器人、德国KUKA公司的垂直关节型码垛机器人、德国BERGER LAHR公司的直角坐标型码垛机器人，日本安川公司的水平关节型码垛机器人及瑞典ABB公司的机器人等。其中日本的占有率最高，绝大数码垛作业由码垛机器人完成。

我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持，“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。我国在80年代引进的大型石化装置，首次应用了机器人码垛。随后在90年代初，我国开始了码垛机器人的研发，并在“863计划”的支持下进一步加强了全自动包装机器人码垛生产线的开发，使科研成果更好地实现产业化[3]。

2 码垛机器人的结构

根据机械结构的不同，码垛机器人包括如下三种形式：笛卡耳式、旋转关节式和龙门起重架式。笛卡耳式码垛机器人主要由四部分组成：立柱、X向臂、Y向臂和抓手，以四个自由度（包括三个移动关节和一个旋转关节）完成对物料的码垛[4]。这种形式的码垛机构造简单，机体刚性较强，可搬重量较大，适用于较重物料的码垛。旋转关节式机器人码垛机绕机身旋转，包括四个旋转关节：腰关节、肩关节、肘关节和腕关节。这种形式的码垛机是通过示教的方式实现编程的，即操作员手持示教盒，控制机器人按规定的动作而运动，于是运动过程便存储在存储器中，以后自动运行时可以再现这一运动过程。这种机器人机身小而动作范围大，可同时进行一个或几个托盘的同时码垛，能够灵活机动地对应进行多种产品生产线的工作[5]。将机器人手臂装在龙门起重架上称为龙门架式码垛机器人，这种码垛机器人具有较大的工作范围，能够抓取较重的物料。

针对饲料行业的特点，北京赛佰特科技有限公司自主研发的CBT-90型码垛机器人，能自动抓取90 kg以下各类袋装饲料。北京赛佰特科技有限公司位于北京中关村科技园核心区域，是由国际物联网与机器人领域知名专家学者发起成立的高科技企业。公司在物联网与智能机器人技术领域拥有多项核心专利技术，形成了工业机器人和智能服务机器人等多种具有自主知识产权的产品及应用解决方案。CBT-90型码垛机器人的特点：

①结构简洁、易于维护：使用圆柱坐标型设计，大量使用标准部件，保养维修简单；

②适用性强、灵活多变：多关节的直线式运动轨迹更合适于码垛作业，传动效率高、运动轨迹清晰明了；多种抓手和码垛方式可供选择，适用于不同的产品特性；

③降低能耗、可靠性强：通常机械式码垛机的功率在26 kw左右，而CBT-90的功率为3.5 kw左右；大部分零部件均集中在本体底座上，手臂结构轻盈结实，在高速运行情况下能耗更低，可靠性更强；

④示教简化、简单易学：对操作界面进行了简单化编译，只需对抓取位置及堆放位置做示教后，其他轨迹均由机器人自动计算，便可完成码垛作业，消除了人们对机器人的高级、难解的印象；

⑤量身定制、服务周到：可根据客户现场位置、包装物特性、码垛能力等实际因素，因地制宜，量身定制，设计最科学合理的码垛方案；集雄厚的实践经验和强大的技术实力于一身，为客户提供及时、周全的服务。

CBT-90型码垛机器人采用独特的四连杆执行机构，具有刚度大、速度高、工作空间大等优点。机器人控制核心采用自主研发的多轴运动控制卡。CBT-90型码垛机器人机构主要由三大部分组成：腰部、并联部分和腕部。腰部是整个机构的基础，驱动其余部分绕腰部旋转轴回转；并联部分为码垛机器人的手臂，固定在腰部上，在该部分内小臂通过前大臂、后大臂与导轨滑块铰接在一起，通过滚珠丝杠的驱动实现小臂位姿的调整；腕部安装在小臂上。码垛机器人由4个关节组成，能实现以下4种运动：腰座旋转，水平前后运动，垂直上下运动和腕部回转运动。4种运动全部由交流伺服电机驱动，可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求。腰座电机、腕部电机通过谐波减速器驱动腰座、机械手旋转，水平关节电机、垂直关节电机通过同步带轮减速后带动水平关节丝杠、垂直关节丝杠旋转，而丝杠通过其上的滑块驱动前大臂、后大臂沿各自导轨作水平前后运动、垂直上下运动。CBT-90型码垛机器人结构框图如图1所示。图2为CBT-90型码垛机器人在河南华盟集团驻马店饲料分厂生产现场。

图1 CBT-90型码垛机器人结构

图2 CBT-90型码垛机器人工作现场

3 码垛机器人在饲料工业的应用前景

目前，全国饲料加工企业的总数超过上万家，采用码垛机器人的企业所占比例不足1%。大部分饲料加工企业在饲料生产过程中都采用人工套袋、人工封口、人工搬运等形式。就目前饲料行业的技术装备发展水平而言，许多饲料企业在产品包装及运输过程中完全可以实现少人化甚至无人化作业。

当今饲料加工企业正朝着大型化、集团化方向发展，很多中小企业将被兼并或淘汰。大型饲料企业自动化程度很高，受到人力成本上涨的因素影响较小，生产成本有着明显的优势，生产成本的高低决定着企业的命运。目前饲料企业中的搬运工种已很少有人愿意长期从事下去，仅靠提高搬运工种的工资并不是有效的解决办法。很多大型企业已逐步尝试利用码垛机器人来代替繁重的人工搬运工作。未来3～5年内，码垛机器人将会在大型饲料加工企业得到广泛使用。对于众多中小型饲料加工企业来说，由于生产成本较高，企业利润率相对较低，在自动化设备投入上压力较大。并且很多中小企业在固定资产投入与成本上无法做出有效分析，无法得出合理的投入产出成本分析数据[6]。

通过如下简单的成本核算，能够得出每月生产1 000 t的企业已可以使用码垛机器人来降低成本为企业赢得效益。以某中型饲料厂为例，通常情况下，1条饲料成品包装线1班（8 h）码垛工人需2名，人工码垛能力为400包/h（40～50 kg/包），如使用码垛机器人，1条包装线至少可节约码垛工人2名。而码垛机器人的码垛能力在800～1 000包/h。

以每名码垛工人工资0.3万元/月计算，人工码垛的用工成本如表1所示。

表1 单/双线人工码垛用工成本

此人工成本还不包括企业承担的福利、保险、管理等成本，也不包含每年劳动力成本10%的增长速度及意外工伤事故等付出费用等因素。CBT-90码垛机器人可执行24 h不间断双线码垛任务，即每年至少可为企业节省14.4～43.2万元的人力成本。根据饲料生产线的不同码垛机器人及其附属设备的价格在35～50万元人民币左右。一台码垛机器人按40万计算，工作寿命15年，每年折旧费3万元左右，码垛机器人耗电3.5 kw/h，每天工作8 h计算，电费每年约7 000元，维修费每年3 000元，一台码垛机器人年使用费用是4万元，仅相当于1个码垛工人的工资，经济效益十分明显。

4 结语

机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺经济技术制高点。根据发达国家生产发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势，预计到2015年中国机器人市场的容量约达十几万台套，这是中国发展机器人及其自动成套装备产业的良好机遇。从国外码垛机器人的研究现状来看，目前的研究正处在实用推广阶段，我国在这方面的研究正处在自主研发的起步阶段。

随着我国工业自动化的发展及劳动成本的提高，自动化设备在饲料工业的应用越来越广泛。使用自动化设备可以实现多批次、连续生产，既减轻了工人的劳动强度，又保证了产品的质量[7]。针对饲料行业的特点，北京赛佰特科技有限公司自主研发的CBT-90型码垛机器人价格优势明显，性能稳定可靠。该系统在河南华盟集团投运以来，运行效果良好，极大地提高了生产效率，降低了劳动强度，对产品质量和生产效益都有较大的提升。