机械手在自动包装领域的应用

董炜亮

（南京金陵塑胶化工有限公司，江苏 南京 210047）

20世纪60年代，人类历史上第一台工业机器人诞生，标志着人类工业发展进入了机器人时代。从那之后，欧美发达国家都把研究开发工业机器人，作为提升本国制造水平和科学发展水平的重要途径。机械手码垛机就是其中的典型代表，它可以模仿人手的部分动作，并按给定方向和轨迹，实现自动抓取、搬运和摆放，在包装领域和物流领域发挥着越来越大的作用。将机械手与包装流水线相结合，既提高了包装的工作效率，又减少了人力资源的开支，使当代企业迅速适应不断变化的市场需求，产生巨大的经济效益。

1 机械手的简介

机械手码垛机是专业的自动化搬运码垛设备，可部分或全部替代人工搬运码垛，既能提高企业的生产效率，又能节约大量人力资源成本，使企业达到减员增效的效果，因而深受制造业、化工、物流等行业的青睐。

机械手可用于袋装、瓶装、罐装、纸箱等各种形式的包装成品码垛，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及具有放射性污染物的场所，应用更为广泛。

在一些简单重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身伤害事故。

2 机械手的发展历史与应用现状

2.1 国外机械手的发展历史

国外在20 世纪60 年代开始研究工业机器人，机械手是伴随着工业机器人的发展而出现的。最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运的国家是日本和瑞典。20 世纪70 年代末，日本第一次将机器人技术应用于码垛作业。1974 年，瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要用于工件的取放和物料的搬运。随着计算机技术和人工智能控制等技术的发展，德国、美国、日本等国家进一步对机械手进行研究，并推出了自己的产品，如日本的FUJI 系列、瑞典的ABB系列、德国的KUKA系列等。

2.2 国内机械手的发展历史与应用现状

我国工业机器人的研究和应用开始于20 世纪70 年代，当时发展比较缓慢，研究和应用水平比较低。20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入和国家政策的鼓励，使得我国工业机器人技术达到了一定的水平，机械手技术也得到了快速的发展。在借鉴和学习国外先进的机器人技术的同时，积极地研究开发自主产品，涌现出了一大批代表企业，国外机械手在我国市场一统天下的局面已被打破。

但由于我国机械手的研究与应用起步较晚，总体看来，与国外相比还有很大的差距，如运行的可靠性、精度、适用性等方面都有待提高。我国机械手的发展规模仍然很小，产品规格较多，并没有形成一个相对统一的标准和专门的产业，现有厂家的零部件大多进口，供货周期长，成本高。因此我们要脚踏实地，对机械手系统及结构进行深入的研究，进一步完善机械手相关产品，努力提高我们工业机器人的发展水平。

3 机械手在聚丙烯生产中的应用

3.1 机械手的技术指标

我公司正在使用的是上海沃迪自动化装备股份有限公司的两台机械手，其技术指标为：（1）抓举重量120kg；（2）码垛次数≤800 次/小时（可调）；（3）运动轴数4 轴；（4）手臂旋转角度330°；（5）消耗功率4Kw/h。（数据厂家提供）

3.2 公司机械手具体使用情况

我公司现有两套间歇法聚丙烯生产装置，一共14 台聚合釜，产能可以达到107kt/a。是国内间歇法聚丙烯最大的生产装置之一，产量及主要技术指标均居同类产品前列。聚丙烯产品质量的好坏不仅仅只在生产环节，在包装环节也尤其重要。聚丙烯成品包装质量分为产品本身质量和产品外包装质量。下面将机械手与人工包装做对比，来阐述机械手在聚丙烯生产的应用。

3.2.1 原来的人工包装

人工码垛情况是第1-6层每层6包，第7层4包，共计40包。每包产品25kg，一托盘正好是1t。

人工码垛的弊端：①包装呈上空下实，水平放置时呈倾斜状，导致整个堆垛呈不规则形状。②每个托盘的每一面不整齐，会有部分料包凸出，造成码垛不整齐，容易在搬运过程中掉落或倒塌。③由于码垛的不规则，导致在叉车运输过程中造成碰擦致使破包，使聚丙烯外漏。破包既造成聚丙烯颗粒和编制袋的浪费，又造成产品净含量不足，容易引起顾客对于产品重量不够的投诉。④由于码垛不规则，由人工包装的堆垛只能在仓里摆放一层，上面不能再堆放产品，造成仓库空间不能充分利用。⑤员工高强度重复性劳动，容易造成疲劳，甚至腰部扭伤、摔倒、中暑等工伤事故。

3.2.2 现在的机械手包装

机械手码垛情况是每层5包，共8层，一托盘同样是1t。

机械手包装的好处：①由于产品在包装线上经过包装机、推倒机、整形机，再通过皮带传送到机械手的位置，整个包装呈长方形，码垛出来后整体方正、整齐，不容易掉落和倒塌。②破包率大幅度减少。由于产品规整，码放整齐，破包率由人工包装的0.47%降至现在的0.15%，使得运输过程中的破损达到最低点，并且也保护了作业环境，减少了包装现场及仓库的聚丙烯颗粒粉尘量。③机械手的抓取效率可以达到800包/小时，而人工包装效率为220 包/小时，其效率远远大于人工包装，提高了包装岗位的工作效率。下表是我公司机械手包装线与人工包装线各项数据的对比。

机械手与人工包装的数据对比

我公司现产能107kt/a，平均每天产量至少290t，若按照人工包装效率，将无法完成全年生产目标，由此可以看出机械手在聚丙烯生产中不可替代的作用。④机械手具有占地面积小、高负荷、高效率、高稳定性等特征，性能可靠加上便于维护保养，有利于企业生产线的布置，增加厂区空间的利用率。

4 机械手的未来发展前景

对于机械手接下来的研究，重点在智能作业和网络化等方面，挖掘其更深层次的潜力，使其功能更加强大，适应更多复杂的作业环境。

4.1 智能作业方面

现阶段各行业使用的机械手大多数采用触屏控制模式，虽然比传统的传感器控制模式有了很大进步，但仍然过多依赖人参与示教，其智能性还有待提高。研究和发展智能作业，可以实现机器人作业的高度柔性和对环境的适应性，同时降低操作人员参与的复杂性。智能作业借助多传感器技术，可以实现机械手码垛机的自我示教和自我完善。

4.2 网络化方面

网络化使机器人从独立系统向群体系统发展。机械手仅仅是在包装环节应用的工业机器人，未来企业发展将会使机器人技术推广的其他各个生产环节，若利用网络使这些独立的智能化系统能够联系起来，在企业生产中实现自我判断，相互协调，如此，操作人员实现远距离操作监控和维护将成为可能。

5 结语

机械手在自动包装领域发挥着重要的作用，它不仅能承受高负重，而且速度和质量远远高于人工，提高了包装的工作效率，减少了人力资源开支。在现今社会，若企业过多地使用人工生产，必然增加企业的用工成本。化工企业危险性较大，人员越多，所产生的不安全因素也会越多。人工长时间重复劳动，容易造成职业病，间接增加企业负担。利用机械自动化来代替人工是未来企业发展的必然趋势。随着自动化技术的进步，机械手将具有更加广阔的发展前景。