3.6.2 包装工业机器人工作站
1.任务要求
近年来我国包装行业发展迅速，相关的包装机械设备和技术得到了越来越快的发展。工业机器人作为最具竞争力的自动化技术，适合重复、快速、要求准确性和危险性的工作。利用工业机器人生产线不仅能够大大增强企业的竞争力，也给用户带来了显著的效益。随着企业自动化水平的不断提高，工业机器人生产线的市场越来越大，逐渐成为自动化生产线的主要形式。食品、化工、医药、粮食、饲料、建材和物流等行业已经大量使用工业机器人生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。另外，生产厂商希望寻求更低的生产成本。包装工业机器人被越来越多的企业所知悉，它代替许多传统的设备，成为包装领域的重要助手。
全球诸多国家近半个世纪的包装工业机器人的使用实践表明，包装工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。包装工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流，包装工业机器人在我国的普及指日可待。
包装工业机器人技术先进、精密和智能，可增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是包装机械自动化水平的高度体现。包装工业机器人是全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。包装工业机器人使用量在过去5年几乎翻了一番，由此可见包装工业机器人在工业中的发展前景可观。
2.任务目标
1）知识目标
（1）了解包装工业机器人的分类与组成。
（2）理解包装工业机器人的结构。
2）技能目标
熟练使用包装工业机器人。
3）素养目标
培养学生对专业及以后从事职业、岗位的认同感，树立职业自信。
3.任务分析
包装工业机器人的优点如下。
（1）适用性强。当企业生产产品的尺寸、体积、形状及托盘的外形尺寸发生变化时，只需在触摸屏上稍做修改即可，不会影响企业的正常生产。而传统机械式包装机的更改相当麻烦，甚至是无法实现的。
（2）可靠性高。包装工业机器人的重复操作能够始终维持同一状态，不会出现类似人的主观性干扰，因此其操作的可靠性比较高。
（3）自动化程度高。包装工业机器人的操作由程序控制，无须人工参与，自动化程度高，节省了大量的劳动力。
（4）准确性好。包装工业机器人的操作控制精确，其位置误差基本处于毫米级以下，准确性好。
（5）能耗低。通常机械式包装机的功率在26 kW左右，而包装工业机器人的功率为5 kW左右，大大降低了运行成本。
（6）应用范围广。包装工业机器人的用途非常广泛，可以完成抓取、搬运、装卸和堆垛等多项作业。
（7）效率高。包装工业机器人的工作速度比较快，而且没有时间间断，因此工作效率较高。
（8）占地面积小。包装工业机器人可以设置在狭窄的空间中，有利于厂房中生产线的布置，并可留出较大的库房面积。
4.相关知识
1）包装工业机器人工作站的结构组成
包装工业机器人工作站以装箱工业机器人、码垛工业机器人为核心，将控制柜、安全防护系统、托盘库、输送轨道、平移机械手和缠绕包装机等设备结合，具有较高的生产效率和智能控制能力。
（1）装箱工业机器人。
装箱工业机器人对包装件进行抓取或吸附，然后送到指定位置的包装箱或托盘中。装箱工业机器人的方向和位置可自动调节。
（2）码垛工业机器人。
码垛工业机器人是机械与计算机程序有机结合的产物，为现代生产提供了更高的生产效率。码垛工业机器人能准确地对产品进行抓取和堆码，稳定性和平衡性较好。
（3）缠绕包装机。
缠绕包装机主要完成箱子的缠绕紧固任务，广泛应用于玻璃制品、五金工具、电子电器、造纸、陶瓷、化工、食品、饮料和建材等行业，能够有效提高物流包装效率，减少运输过程中的损耗，具有防尘等功能。
（4）平移机械手。
平移机械手主要由手爪、手臂、机身、基座、升降台和丝杠等组成，具备平移、搬运等多种功能。根据设计所需，如升降台上下移动、机身旋转、臂的伸缩等3自由度动作，需要3个电动机的驱动。利用电动机带动减速器。电动机驱动控制精度高，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制。
实践证明，工业机械手可以代替人手进行繁重劳动，可以显著降低工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业机械手在推动工业生产的进一步发展中所起的作用越来越重要，而且在地质勘测、深海探索和太空侦测等方面显示出其优越性，有着广阔的发展前途。
（5）安全防护系统。
安全防护系统的作用是减少包装过程对工作人员和周边环境的伤害，提高作业安全系数。安全防护系统可与工业机器人通信，完全以自动模式工作，保护工作人员与工业机器人所产生有害物质隔离。
安全防护系统一般由以下部分组成。
①门体结构。
采用高强度抗氧化工业铝合金导轨，门头罩及电动机罩采用2 mm冷钢板，表面经高温粉末喷涂处理。
②驱动装置。
高速变频制动电动机效率更高，频率设定在最低点6 Hz即可达到输出额定转矩；大孔径输出轴直径为35 mm，适合超宽门自重过大的情况，可增加运转过程中滚筒的承受力。(https://www.daowen.com)
③电控系统。
采用变频控制元件，具有高性能、高可靠性、高稳定性及高精准定位等特点；运用变频控制技术，有软启动、缓停止功能，保证门体运转平稳，延长使用寿命；可与工业机器人通信；以航空插头连接，安装方便，调试简单。
④限位控制装置。
采用旋转式编码器，整体调试无须登高攀梯，在地面即可完成门体上下到位动作定位。
⑤安全装置。
a.门帘底端装有安全气囊，门体在下降过程中与物体轻微的碰撞会使门体停止并反向上升。
b.门框下部可选装红外线光电保护开关一对，当门体下面停留人与物体，挡住光电保护开关时，门体不下落。
2）包装工业机器人的功能与分类
（1）包装工业机器人的功能。
包装工业机器人主要用于体积大而笨重物件的搬运、装卸和堆码等，人体不能接触的洁净产品（如食品、药品），特别是生物制品和微生物制剂及对人体有害的化工原料的包装。随着工业机器人技术的成熟和产业化的实现，包装工程领域中应用工业机器人的范围越来越广，主要如下。
①集合包装装箱：将多个包装件进行一次装箱。
②粉料大袋的装袋：一次性将粉料装入特定软袋，同时完成特定位置的堆码，例如水泥及化工产品粉剂的集装袋包装。
③高速装盒装箱、折边封合的多工位包装：对一些大型纸箱和托盘进行多工位快速包装，如在纸箱中装填货物后的折边、压边及封合等。
④重物的搬运捆扎：靠人工搬运难以实现的重型产品的包装、搬运和捆扎，如金属铸件的堆码、捆扎及包裹，尤其是贵重有色金属中的铝锭、铜锭和锌锭等，还有大型冷库中的冻肉及制品的搬运与堆码等。
⑤易脆物品的包装：一次性将成组的瓶装产品进行装箱，如瓶装啤酒、瓶装汽水饮料等物品的装填包装等。
⑥有害液体的包装：化学和农药等有害液体的灌装。
⑦识别和检测：对一些包装产品和包装货物进行不同条件下不同部位的自动识别和多种信息检测（同时还具有分级和分类的功能）。
（2）包装工业机器人的分类。
工业机器人技术在包装工程领域的应用有很长的历史。在美国、日本及德国等国家，许多包装工序是用工业机器人来完成的。每年一度的国际包装机器展览会上，都会推出新的包装工业机器人。包装工业机器人的作业内容有很多方面，其中最为成熟的是堆码、装箱和灌装工业机器人。其配合多功能手爪可以适用于组合工作，如抓瓶式、夹钳式、抓纸箱的真空吸盘式、装瓶和码垛一体式手爪等。根据实际生产过程的需求，工业机器人可以更换安装不同的手爪，以满足柔性生产的需要。包装工业机器人还可以配合激光视觉检测系统，识别工件种类，进行定位。
包装工业机器人分类如下。
①装袋工业机器人。
装袋工业机器人是代替装袋的工人进行工作的工业机器人，它是一种智能化较高的包装工业机器人。
a.技术指标。
包装物料：化肥、乙烯和碱等物料。
额定称量：25.000～50.000 kg/包，连续可调。
称量显示分辨率：0.001 kg。
累计误差：趋于零。
定量包装精度：≤±50 g，占95%以上。
称量精度： ±0.01%。
上袋速度：18～20包/min。
上袋成功率：≥99%。
b.主要部件介绍。
机械手：磁林公司发明的机械手包括多级嵌套式防旋转气缸技术、弹簧气缸技术、气关节技术和包装专用吸头技术等，可依次连续完成吸取袋、张袋口和套袋的工作，具有先进性、实用性和可靠性。
全新的技术路线、颠覆性的技术创新，使包装速度更高、设备维护量更小、环境适应能力更强。
整袋机构可实现不同规格包装袋的逐一整理工作，为后续机械手上袋做好准备。
控制器主要由主板、触摸屏构成，实现装袋工业机器人的智能自动控制、故障监测和部件运行状态监测等功能。各个信号的状态在触摸屏上指示，警告和故障提示代码以图文并茂的形式体现，使用户的操作与维护变得轻松简单。
推包机为全自动定量包装设备，不影响机械手抓袋与套袋时间，且能将包装袋平稳、高速地送入折边机中。
c.MF2012SD机器人上袋装置主要技术创新。
磁林公司独创的MF2012SD机器人自动上袋装置，有效解决了目前包装行业存在的问题，其实现的技术创新有：一是不覆膜的软包装袋也能自动上袋；二是实现了腐蚀性粉尘环境的实用化；三是大幅度简化系统。
②装箱工业机器人。
与装袋工业机器人类似，装箱工业机器人对包装件进行抓取或吸附，然后送入指定位置上的包装箱或托盘中。它具有方向性和位置自动调节的功能，可实现无箱（托盘）不卸货和方向调节。装箱工业机器人是一种较为成熟的包装工业机器人，应用很广，可用于饮料、啤酒、化妆品和香烟等的装箱。
装箱工业机器人应用范围广，占地面积小，性能可靠，操作简便，机身小巧，能集成于紧凑型包装机械中，满足到达距离和有效载荷方面的所有要求。它具有运动控制和跟踪性能，非常适合应用于柔性包装系统，大大缩短了包装周期。装箱工业机器人具有极高的精度和卓越的输送带跟踪性能，在固定位置和运动中操作，拾放精度均为一流；体积小、速度快，专门根据包装应用进行优化；配有全套辅助设备（从集成式空气与信号系统至抓料器），可配套使用包装软件，机械方面集成简单，编程方便；采用先进的4轴、6轴设计，最高具有3.15 m到达距离和250 kg有效载荷，适合在恶劣环境中应用，防护等级达到IP67；通用性、到达距离以及承重能力几乎可满足任何装箱应用的需求。
装箱工业机器人更换抓手夹具就能适用于化工、医药、制盐、食品、糖酒和饮料等行业的各种产品的全自动装箱。
③堆码工业机器人。
堆码工业机器人是一种功率较大的包装工业机器人，能够准确地对产品进行抓取和堆码，稳定性和平衡性较高。
堆码工业机器人是一种专业化、集成化的工业设备，它将包装袋按照预定的编组方式，逐个逐层码放在托盘或箱体内，通常作为包装线的后续设备，能提高生产能力和转运能力。
堆码工业机器人的特点为：结构简单，专业化程度高；故障率低，性能可靠；保养维修简单，所需库存零部件少；占地面积小，节省空间；操作简单，适用性强；编组方式灵活。
④罐装工业机器人。
罐装工业机器人是一种将包装容器充满液体物料后，进行计量、输盖、压盖（旋盖）和识别的包装工业机器人。它具有无瓶不输料、无盖不输瓶、破瓶报警和自动剔除等功能。
⑤包装输送工业机器人。
包装输送工业机器人在包装工业中主要用于包装输送，广泛应用于化工、水泥、饲料和食品等行业的粉料/粒料产品的自动包装、输送和码垛，可大大提高生产效率并降低用工成本，也可通过计算机远程控制，避免产品气味、粉尘对环境及工人健康的影响，实现清洁环保的自动化生产。其目前可实现600～1 200包/h的作业能力，也可据用户需求定制，如双包抓取等。
⑥识别检测工业机器人。
识别检测工业机器人是一种智能化系统，具有包装成品的识别检测和产品（如水果等）分级识别检测功能。识别检测工业机器人使用了许多先进技术，主要是识别与检测技术。
在工业4.0智能工厂实验室中，工业机器人将杂乱无章的待检部件按便于自动处理的空间方位自动定向排列，随后顺利输送到后续的检测机构中。装有射频识别读写装置的工业机器人在进行夹取、装配等过程前先对物料状态进行识别，再自行判断下一步动作，可以做到真正的智能化。控制系统通常采用PLC控制，PLC要接收各种输入信号，向各执行机构发出指令。各模块配备多种传感器来监视每个执行机构的运行情况，经判断后发出下一步执行指令。
5.任务评价
任务评价见表3-7。
表3-7 任务评价
续表
