饲料工业码垛机器人及配套生产线的设计

■王彩玲 王亭岭 马景义 刘国良

（1.河南牧业经济学院，河南郑州 450011；2.华北水利水电大学，河南郑州 450045；3.北京赛佰特科技有限公司，北京 100070）

随着现代科技的迅猛发展，机器人技术已广泛应用于人类社会的各个领域。在制造业中诞生的工业机器人是继动力机、计算机之后而出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具。工业机器人是最先产业化的机器人技术，是综合了计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能以及仿生学等多学科而形成的高新技术。工业机器人的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而取代人工作业[1]。工业机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。

随着我国装备制造产业的进一步发展，劳动力成本的日益增长将成为影响装备制造产业发展的瓶颈，“人口红利”的结束使国内装备制造企业纷纷转向智能化、自动化、无人化的工厂自动化和智能化的建设。中国正处于新的历史发展时期，经济发展进入关键的黄金发展机遇期、新型工业化进程加快和消费结构的升级，都给我国经济发展带来新的机遇。把握经济发展的规律，调整工业经济结构，促进产业升级，加快装备制造业向着以机器人、数控机床等为代表的先进装备制造业转变。中国的机器人市场是全球增长最快的市场，从2010年开始我国工业机器人需求量激增，较2009年增长了1.71倍。预计到2014年需求量将达到32 000台，我国将成为全球最大的需求国[2]。

近年来，工业机器人中的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。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，但是存在着很大的局限性，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。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。它使得很多劳动力从繁重而又单调的体力劳动中解放出来[3]。

1 CBT系列码垛机器人的特性

针对农牧行业的特点，北京赛佰特科技有限公司自主研发的CBT系列码垛机器人，包括CBT-90和CBT-160两款码垛机器人产品，能自动抓取90 kg和160 kg以下各类袋装饲料。公司拥有国内首家自主研发和生产的码垛机器人核心控制器，国家863项目支持的搬运机器人产业化基地。CBT系列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嵌入式控制器。CBT系列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。码垛机器人硬件部分主要由机器人本体、电控柜、人机交互器等组成。本体结构由公司研发团队自主完成，减速机采用进口RV减速机；电控部分采用国际主流的伺服电机及伺服电机驱动器，很好地完成插补、前馈的等功能，使工业机器人性能达到国际同行标准；人机交互器采用自主研发的示教盒，操作简单，功能齐全，已申请国家发明专利。CBT系列码垛机器人及配套生产线工作现场如图1所示。CBT系列码垛机器人技术参数如表1所示。

图1 CBT系列码垛机器人及配套生产线

北京赛佰特科技有限公司在搬运机器人控制器

表1 CBT系列型码垛机器人技术参数

软硬件系统设计等方面与北京航空航天大学开展了全面合作，为公司机器人控制系统后续研发与技术升级提供了保证。公司目前正在与田纳西大学在搬运机器人精密减速机、伺服电机等方面开展合作研究，以进一步提供搬运机器人产品性能，降低产品成本，提高产品市场竞争力。

2 自动化码垛生产线方案设计

河南华盟集团某饲料加工分厂现有四条生产线，要求实现饲料加工无人化操作和智能化管理。设计方案如图2所示。

图2 自动化码垛生产线设计方案鸟瞰

图2中自动化码垛生产线从左到右依次为：自动定量包装秤、下料口、缝包机、直线倒袋输送机、直角转弯输送机、振打整形输送机、压平整形输送机、复称测量及剔除装置、缓冲输送机、自动托盘库、待码平台和CBT-90码垛机器人。

自动定量包装秤采用双螺旋给料，生产能力300～350包/h、称量精度为±0.1%；左边的1号下料口对应的袋装饲料经缝包机缝包后，被直线倒袋输送机放平，经直角转弯机汇到2号下料口对应的输送线上；两条生产线合并到一起后，袋装饲料经振打整形输送机振平，经压平整形输送机压平，以方便码垛机器人抓取，码成规整的垛型；复称测量及剔除装置将重量不符合要求的袋装饲料加以剔除；待码平台上的传感器检测到袋装饲料到达指定位置后，码垛机器人会快速抓取袋装饲料码垛指定托盘上。1号和2号生产线并成一条输送线，3号和4号生产线并成一条输送线。码垛机器人从双线抓取袋装饲料并分别码成两垛。生产线合并输送线长15 m左右，码垛机器人活动半径为2.6 m，垛型采用2横3竖，也可根据生产要求及托盘大小设计不同垛型。

3 饲料加工全自动化趋势

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，而大部分中小饲料加工企业在饲料生产过程中仍然采用人工套袋、人工封口、人工搬运等形式，受到人力成本上涨的因素影响较大。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。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。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[4]。

CBT系列码垛机器人可执行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。此人力成本还不包还企业承担的福利、保险、管理等成本及每年劳动力成本10%的增长速度及意外工伤事故等付出费用等因素。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35～50万元左右。一套码垛机器人及配套生产线按50万计算，工作寿命12年，每年折旧费4万元左右，码垛机器人耗电3.5 kw/h，每天工作8 h计算，电费每年约8 000元，维修费每年2 000元，一台码垛机器人年使用费用是5万元，仅相当于1个码垛工人的工资，经济效益十分明显[5]。CBT系列码垛机器人维护成本见表2。

表2 CBT系列码垛机器人维护成本

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。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。采用码垛机器人明显达到减员增效，可节省一笔可观的人力资源成本；码垛机器人的应用大大提高了生产作业自动化的程度，企业生产和运行管理水平将提高到国际先进水平。先进的工艺，必将对客户产生积极的影响，同时会相应地提高企业的竞争优势；单台码垛机器人可以完成两条至四条包装线的码垛任务，更换抓手可搬运不同重量、不同产品的堆码任务。企业在变换产品或产量增产时，无需投入资金购取新设备，单台设备只需变换工作模式和搬运抓手便可完成作业。CBT系列码垛机器人及其配套生产线，可以实现饲料加工的无人化操作与智能化管理，性能稳定可靠，价格优势明显，对产品质量和生产效益都有较大的提高。