滚筒回复式层码机器人在药箱码垛过程中的应用

倪志强 林树茂0 引言随着物流高架立体库的普及应用，国内医药生产企业的成品库越来越多地采用工业机器人进行码垛入库。工业码垛机器人的种类很多，近年来，随着国内医药行业的快速发展，德国的KUKA系列和瑞典的ABB 系列[1]已成功应用在医药码垛机器人领域。根据功能和作业要求不同，可分为直角坐标码垛机器人、直线水平多关节码垛机器人、平行四边形架构码垛机器人和全关节架构码垛机器人等[2]，本文采用KUKA 六轴全关节架构码垛机器人。码垛末端的执行机构，根据码垛的品种、方式、数量和效率的不同，一般分为夹具式（单码）、吸盘式（单码）、钩挂式（排码），这些方式仅适用于低产量、箱型单一的药箱码垛。本文所述执行机构是滚筒回复式层码，一次可以码一层，而且适应不同箱型码垛需求，可大大提高码垛效率。1 码垛系统结构1.1 KUKA 机器人主体可实现6 轴运动控制，精度达到±0.15 mm，运动半径3.15 m，负载0.3 t，故障率低。1.2 旋转回复式机器人抓具采用铝合金旋转式滚筒网罩式抓具配合KUKA 机器人，结合气动式推送装置排推药箱（3-4箱），形成单层药箱（9-10 箱），配合机器人坐标算法，单层码垛，实现三工位码垛作业。工业机器人应用于物体的码放和搬运[3]，通过主体结构与夹具实现在药业领域药箱的自动化垛。见图1 和图2。图1 全关节架构层码机器人夹具图2 KUKA 机器人主体1.3 KCP 控制系统KUKA 编程控制器KCP 控制系统通过数字编程，实现对程序的编程和控制，支持三位人体学。通过6D空间鼠标可实现四种工作模式的切换，支持多语言菜单模式和VGA 模式。见图3。图3 机器人控制器KRC41.4 推箱装置采用往复式气动推杆和转向机械结构，可以实现与机械手无缝对接。往复式气动推杆效率高，气压传动，方便快捷。转向机构实现对药箱方向的控制，实现不同箱型的码垛。推箱装置附带药监码扫码及复核装置，实现与托盘条码的绑定。同一个机械手可能会对应多个推箱装置，实现多对一，各个推箱装置为独立结构，机械手利用推箱间歇实时切换，从而提高了码垛效率。层码垛机器人结构紧凑，工作范围大，自身空间小；具有很高的可达性、没有移动关节、无需导轨等优势[4]。机器人的本体结构主要由主体结构（底座+ 机械臂）、末端执行器（旋转回复式抓具）和推箱装置组成。底座是机器人的基础部分，固定在地面或支架上，整个执行机构和驱动系统都安装在底座上。整个机器人的主体部分可细分为底座、腰部、大小臂腰部是手臂的支撑部件，可以基于底座进行旋转，实现机器人的回转功能。大臂是小臂的支撑部件，大臂的摆动可以使小臂在水平方向上达到更远的距离，而小臂的俯仰则可以实现机器人在垂直方向上的移动[5]。末端执行器的旋转关节可实现在药箱码垛过程中每隔一层旋转90°，另外旋转回复式抓具系统则通过旋转驱动进行水平方向推送；而推箱装置附加有转向机构，可以实现每排码3 箱和4 箱两种转向。推箱装置为气压传动，平稳高效。2 作业形式与流程2.1 控制方式两种控制方式：支持手动/ 自动截批 ；同时支持手动和自动截批功能。见图4。图4 KUKA 编程控制器KCP2.2 码垛形式1）传统升级：由排升级为层 ；2）多工位：一个机械臂对应3 个码垛位；3）抓具可适应2 或3 种码垛箱类型。大输液行业码垛机器人的抓取方式：排抓取形式（一次抓取一排）和层抓取形式（一次抓取一层），其形式和优缺点[6] 见表1。3 码垛流程与步骤3.1 空托盘准备提供空托盘至机械手码盘位，记住条码号，空托盘准备就绪。3.2 生产计划将每条线在该时段的生产品种输入库存管理系统WMS，或由企业生产管理系统ERP 经接口自动传输给库存管理系统WMS（无ERP 时在包装间电脑WMS 中输入生产计划），药箱输送线支持灵活的修改生产品种，不用停止药箱输送线。输送、扫描：成品箱从包装车间封箱机封箱后输送到箱式输送线上，自动喷电子监管码，阅读识别后，不合格的剔出处理，药监码合格的药箱输送到分拣区进行条码阅读，并记录在系统中。药箱输送线将扫描的电子监管码、包装线及顺序信息同时上传WMS；药箱由输送线按照WMS 下达的品种信息对应的码垛方式，将指定数量的药品箱直行或旋转，就位后通知机械手，机械手根据相应的节拍码垛，并将药箱条码（或药监码）与托盘条码绑定，实现自动注册。3.3 层码垛具体流程层码垛具体流程如下：1）箱输送线分道，进入待码缓冲区；2）待码缓冲区有序进入推箱装置；3）数量达到3 或4 个后开始推箱；4）第二排推箱到相应位置；5）开启转向装置，准备第三排4 箱的码垛；6）第三排推箱到相应位置，与前两排形成层，一次性推入滚筒抓具；7）机器人向输送机码垛申请；8）空托盘就位，输送机发出可码信号；9）机器人收到码垛信号，准备码垛；10）机器人程序启动，开始码垛；11）机器人运行至码垛位，回复式滚筒抓具旋转开启，药箱下放；12）药箱下放到位，机器人完成卸货；13）机器人抓具旋转回位，回到装货位置；14）开始下一层码垛流程；15）完成第4 或5 层的码垛流程；16）机器人码垛完成；17）机器人向输送机发送码垛完成信号；18）输送机确认码垛完成；19）实物托盘被穿梭车接走；20）新的空托盘就位；21）开始下一空托盘垛码垛。4 滚筒回复式层码垛夹具在实际使用中的应用效果石家庄某药厂是国内大输液生产企业，其自动化高架立体库设计要求：共设计11 条生产线，5 台机械手，每台机械手对应2 或3 个工位进行码垛，每托盘49 箱，一台机械手对应供给三个码垛位，对应3 条生产线，机器人码垛5 次/min，系统输送能力可达到2 400 箱/h。箱输送能力较高，要求机器人码垛效率高。推箱装置采用气动，反应迅速灵敏，效率高。抓具采用铝合金材质滚筒，轻便美观实用。机器人主体采用KUKA 机器人坐标系，定位准确无误。考虑到层码多机器人夹具可以一次码一层，实现多工位切换，以提高机器人码垛效率。 采用这种滚筒回复式层码垛机器人夹具的码垛入库方式，实际应用中，对层码垛机器人的码垛需求为3.18次/min，其最大速度可达到1 050 箱/h。经过实际测试，机器人抓取一次（1 层3 排10 箱）的时间是35 s（包含推箱和放箱两个过程），加上中间等待5 s，其实际综合码盘能力可达到15 箱/min，超过12 箱/min 的设计需求。自2014 年投入生产，使用回复式滚筒层码垛机器人夹具进行码垛模式已运行约3 年，设备故障率低，可靠性高，完全满足机器人码垛入库的设计要求。5 结论综上所述，码垛机器人使用回复式滚筒层码垛夹具在高产量的大输液药业生产领域多生产线码垛入库的实际应用中具有实用性、可靠性、整体方案成本较低等优点，在实际项目中得到成功应用，值得在大输液领域及其他行业应用推广。举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章计算机行业深度报告：智能花开，AI满天下目前虽落后，但印度正计划成为全球无人机和机器人制造中心？现在国内机器人和自动化方面比较火旷视科技获机器之心新基建领军企业TOP30、最强人工智能公司TOP30等奖项企业安全的“暗网”：机器工人

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