碼垛機(jī)器人及其在包裝行業(yè)中的應(yīng)用

在科技日新月異的時(shí)代背景下，自動(dòng)化和智能化已成為工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。物料搬運(yùn)和產(chǎn)品包裝作為生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，其規(guī)模和復(fù)雜性隨著制造業(yè)的快速發(fā)展而不斷增長。傳統(tǒng)以人工為主的包裝方式已無法滿足現(xiàn)代大規(guī)模生產(chǎn)的需求，因此，尋找一種高效、精準(zhǔn)、自動(dòng)化的解決方案成為行業(yè)迫切的需求。機(jī)器人技術(shù)，特別是碼垛機(jī)器人在包裝行業(yè)中的應(yīng)用，為解決這一問題提供有力的支持，不僅可提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，而且還能保證產(chǎn)品包裝的質(zhì)量和一致性，推動(dòng)包裝行業(yè)更健康、持久的發(fā)展。

1  碼垛機(jī)器人概述

1.1  碼垛機(jī)器人介紹

碼垛機(jī)器人，是機(jī)械和計(jì)算機(jī)程序有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種能夠自動(dòng)完成貨物碼垛任務(wù)的機(jī)器人，通過高精度的相機(jī)和圖像傳感器等來感知貨物的位置、形狀、大小和顏色等特征，再結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，根據(jù)預(yù)設(shè)的碼垛規(guī)則，將貨物準(zhǔn)確地堆疊在一起。

1.2 碼垛機(jī)器人技術(shù)組件

碼垛機(jī)器人的核心技術(shù)組件主要包括視覺系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)及軟件。

傳感器起著獲取物品信息和環(huán)境信息的關(guān)鍵作用，可以將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后傳輸給控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析，常用的傳感器類型包括激光傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器和力傳感器等。

視覺系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)精確定位和識(shí)別的重要組件，通過使用高分辨率攝像頭和先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，視覺系統(tǒng)能夠快速識(shí)別和定位物品的形狀、大小、顏色等特征。這一系統(tǒng)通常包括圖像采集、預(yù)處理、特征提取和識(shí)別等模塊，能夠提供物品的位置、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡等信息，為機(jī)器人的精確導(dǎo)航和操作提供重要依據(jù)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是負(fù)責(zé)實(shí)際操作的機(jī)械部分，包括夾爪、吸盤和移動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成部分，可根據(jù)物品的特性和碼垛要求進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)和控制，以確保物品能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地被抓取和放置。此外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)還具備一定的柔性和適應(yīng)性，以應(yīng)對(duì)不同形狀、大小和重量的物品。

控制系統(tǒng)是碼垛機(jī)器人的核心部分，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和指揮各個(gè)技術(shù)組件的工作。根據(jù)視覺系統(tǒng)提供的物品信息和環(huán)境信息以及傳感器的反饋數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)和操作進(jìn)行精確控制。為了確保機(jī)器人在高速、高負(fù)載和復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，通常采用高精度算法和優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

軟件是實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人功能的關(guān)鍵工具，負(fù)責(zé)集成和管理各個(gè)技術(shù)組件的數(shù)據(jù)和信息。通過友好的人機(jī)界面，軟件能夠提供直觀的操作和控制功能，使用戶能夠方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、任務(wù)規(guī)劃和監(jiān)控管理。此外，軟件還需要具備高度的可擴(kuò)展性和靈活性，以適應(yīng)不同應(yīng)用場景和用戶需求。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和完善，碼垛機(jī)器人在包裝行業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用，為企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低成本、提升競爭力提供有力支持。

2 碼垛機(jī)器人在包裝行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 提高生產(chǎn)效率

在傳統(tǒng)的包裝生產(chǎn)線上，人工碼垛通常會(huì)受到多種因素的影響，如疲勞、包裝速度限制等，一般工人需要定時(shí)休息，而且在長時(shí)間工作后，由于疲勞導(dǎo)致的工作效率下降是不可避免的。此外，人工碼垛的速度和準(zhǔn)確性也受到一定限制，無法實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的碼垛。相比之下，碼垛機(jī)器人可以連續(xù)工作，不受疲勞等因素的影響，始終保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，它可以在短時(shí)間內(nèi)完成大量的碼垛任務(wù)，大大提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，為企業(yè)節(jié)省寶貴的時(shí)間和資源，加快整體的生產(chǎn)流程。

2.2 降低人力成本

隨著人口紅利的消失和勞動(dòng)力成本的上升，許多企業(yè)面臨人力成本的壓力。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，碼垛機(jī)器人的引入成為一個(gè)有效的解決方案，可以替代部分人工碼垛的工作，減輕人力負(fù)擔(dān)，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，通過使用碼垛機(jī)器人，企業(yè)不再需要雇傭大量的工人來完成碼垛工作，從而減少人力開支。此外，碼垛機(jī)器人還具備在惡劣環(huán)境下工作的能力，如高溫、低溫、有毒等，不僅降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還有效地降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 保證包裝質(zhì)量

在傳統(tǒng)的包裝過程中，人工碼垛由于人為因素常出現(xiàn)不準(zhǔn)確堆疊情況，進(jìn)而引發(fā)一系列問題，如貨物倒塌、損壞等，影響包裝美觀度的同時(shí)，還會(huì)對(duì)產(chǎn)品的安全運(yùn)輸與存儲(chǔ)造成潛在威脅。而碼垛機(jī)器人能夠通過精確的計(jì)算和控制，實(shí)現(xiàn)高度一致的碼垛效果，確保每一件貨物都被準(zhǔn)確、整齊地放置在預(yù)定的位置上，避免這些問題的發(fā)生。

2.4 適應(yīng)多樣化需求

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于產(chǎn)品的種類繁多、尺寸不一，包裝要求也各不相同。傳統(tǒng)的人工碼垛方式很難應(yīng)對(duì)多樣化的產(chǎn)品特性，而碼垛機(jī)器人則可以根據(jù)不同的碼垛規(guī)則和包裝要求進(jìn)行靈活調(diào)整，可以通過更換夾具、調(diào)整程序等方式來適應(yīng)不同產(chǎn)品的碼垛需求，從而更好地適應(yīng)市場的變化和企業(yè)的生產(chǎn)需求，并為企業(yè)的生產(chǎn)提供更大的便利性。

3 碼垛機(jī)器人在包裝行業(yè)的應(yīng)用分類

在包裝行業(yè)中，碼垛機(jī)器人主要應(yīng)用于生產(chǎn)線末端，對(duì)成品進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的碼垛作業(yè)。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，碼垛機(jī)器人可以分為以下幾類：

第一，直角坐標(biāo)機(jī)器人。直角坐標(biāo)機(jī)器人也就是常見的龍門式機(jī)器人、衍架機(jī)器人，這種機(jī)器人主要由基于X、Y、Z三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)軸組成，以伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，通過精確控制這三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)平面內(nèi)任意點(diǎn)的定位。具體來說，X軸是水平方向的運(yùn)動(dòng)軸，控制機(jī)器人在水平方向上的移動(dòng)。Y軸是垂直方向的運(yùn)動(dòng)軸，控制機(jī)器人在垂直方向上的移動(dòng)。Z軸是垂直于X和Y軸的運(yùn)動(dòng)軸，控制機(jī)器人的升降運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，但在結(jié)構(gòu)影響下，其運(yùn)動(dòng)速度和范圍受到限制。

第二，關(guān)節(jié)式機(jī)器人。關(guān)節(jié)式機(jī)器人也被稱為多關(guān)節(jié)機(jī)器人，常見本體為四軸碼垛機(jī)器人，安裝在固定底座上，其水平臂的結(jié)構(gòu)類似于人類的手臂，設(shè)置有四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可自由的旋轉(zhuǎn)到任何一個(gè)方位，而且每個(gè)關(guān)節(jié)都可以進(jìn)行俯仰、抓取等運(yùn)動(dòng)。靈活性較高，機(jī)械手能夠適應(yīng)各種形狀和尺寸的貨物，完成各種復(fù)雜的碼垛任務(wù)。這種機(jī)器人主要由氣缸、夾爪、感應(yīng)器等構(gòu)成，可通過調(diào)節(jié)氣缸的壓力和夾爪的形狀，適用不用材質(zhì)和重量的物品。

4 碼垛機(jī)器人在包裝行業(yè)的應(yīng)用方式

4.1 箱式碼垛

箱式碼垛是包裝行業(yè)碼垛機(jī)器人最常用的應(yīng)用方式，可設(shè)置機(jī)器人每層放置的產(chǎn)品數(shù)量，以及每個(gè)產(chǎn)品之間的間隔距離，在進(jìn)行碼垛時(shí)，機(jī)器人會(huì)從產(chǎn)品堆放區(qū)域一個(gè)個(gè)取出產(chǎn)品，并按照預(yù)設(shè)的規(guī)則進(jìn)行碼垛，以確保產(chǎn)品穩(wěn)定且緊密的堆疊在一起。箱式碼垛方式的應(yīng)用范圍比較廣泛，適用于各種需要整理和包裝成箱的產(chǎn)品，如食品、飲料、日用品等，可以大大提高包裝效率，減少人工成本。此外，箱式碼垛還具有靈活性和可調(diào)整性，可根據(jù)不同產(chǎn)品的尺寸、重量和包裝要求，可以調(diào)整規(guī)則和算法，以滿足不同的碼垛需求。

4.2 托盤式碼垛

托盤式碼垛主要用于將產(chǎn)品按照一定的規(guī)則和層次碼垛在托盤上，形成穩(wěn)定的堆疊，適用于各種需要儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品，特別是那些重量較大、形狀不規(guī)則或易碎的產(chǎn)品，如建材、電子產(chǎn)品、汽車零部件等。在實(shí)際應(yīng)用中，碼垛機(jī)器人通過高精度的傳感器和控制系統(tǒng)，能夠快速識(shí)別產(chǎn)品的位置和姿態(tài)，并進(jìn)行精確的抓取和碼垛，并且根據(jù)產(chǎn)品的特性和要求，機(jī)器人可以自動(dòng)調(diào)整夾爪和移動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)，以確保穩(wěn)定、準(zhǔn)確地碼垛產(chǎn)品，防止產(chǎn)品在搬運(yùn)或存儲(chǔ)過程中發(fā)生傾倒或滑落，而且還能提高倉儲(chǔ)和物流的效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的批量處理和快速轉(zhuǎn)移，減少了人工搬運(yùn)和逐個(gè)放置的時(shí)間和成本。

4.3 定點(diǎn)碼垛

在一些特定的生產(chǎn)線上，企業(yè)需要將產(chǎn)品精確碼垛到指定的位置上，如生產(chǎn)線上的自動(dòng)化生產(chǎn)、定制包裝等，碼垛機(jī)器人可以根據(jù)指定的坐標(biāo)和位置，將產(chǎn)品精確碼垛到指定的位置上，以提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率。

5 碼垛機(jī)器人的未來發(fā)展方向

5.1 標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化

制定統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以確保機(jī)器人的互換性和兼容性，方便后期維護(hù)和管理。同時(shí)，規(guī)范化的硬件和軟件系統(tǒng)可以提高機(jī)器人的可靠性和穩(wěn)定性，減少故障和安全隱患。具體而言，可從以下幾個(gè)角度入手實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化建設(shè)：第一，制定統(tǒng)一的硬件規(guī)范，包括機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸規(guī)格、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等，使不同廠家生產(chǎn)的碼垛機(jī)器人具有相同的接口和互操作性，降低設(shè)備的整合成本，提高設(shè)備的可替代性。第二，制定統(tǒng)一的軟件規(guī)范，包括機(jī)器人的編程語言、通信協(xié)議、控制算法等，使不同廠家生產(chǎn)的碼垛機(jī)器人具有相同的編程環(huán)境和操作界面，降低人員培訓(xùn)成本，提高工作效率。第三，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人與其他設(shè)備（如生產(chǎn)線控制系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)交換和共享，實(shí)現(xiàn)信息的無縫集成和共享，提高生產(chǎn)線的智能化管理水平。第四，制定統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn)，包括機(jī)器人的安全設(shè)計(jì)、緊急停機(jī)系統(tǒng)、人機(jī)協(xié)作等，確保碼垛機(jī)器人在操作過程中不會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成傷害，提高工作場所的安全性。第五，制定統(tǒng)一的設(shè)備維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和維修流程，包括設(shè)備的保養(yǎng)、故障排除、備件更換等，以降低設(shè)備的故障率，延長設(shè)備的使用壽命，減少維修成本和停機(jī)時(shí)間。

5.2 國產(chǎn)化

國產(chǎn)化是實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人自主可控和降低成本的重要途徑，通過自主研發(fā)和生產(chǎn)機(jī)器人核心零部件，可以擺脫對(duì)進(jìn)口零部件的依賴，降低采購成本，并推動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和完善，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新。首先，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)國內(nèi)核心零部件的研發(fā)和生產(chǎn)力度，包括傳感器、控制器、伺服電機(jī)等關(guān)鍵零部件，以降低機(jī)器人的制造成本，提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。其次，加大對(duì)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研發(fā)投入，并加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，通過自主研發(fā)和持續(xù)創(chuàng)新，不僅可以提高機(jī)器人的核心競爭力，還可以避免知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛和技術(shù)依賴問題。最后，政府可以出臺(tái)相關(guān)政策，鼓勵(lì)企業(yè)加大對(duì)機(jī)器人國產(chǎn)化的投入。同時(shí)，提供金融支持，為企業(yè)提供貸款和資金支持，降低企業(yè)的融資成本，促進(jìn)國產(chǎn)化進(jìn)程。

5.3 智能化、模塊化

智能化是指機(jī)器人具備更高級(jí)的感知、學(xué)習(xí)和決策能力，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人可以通過傳感器獲取環(huán)境信息，并利用深度學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模式識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知和理解。同時(shí)，機(jī)器人還可以通過學(xué)習(xí)算法不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提高執(zhí)行任務(wù)的效率和準(zhǔn)確性，更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，為人們提供更高效、安全和便利的服務(wù)。模塊化設(shè)計(jì)是指將機(jī)器人的各個(gè)功能模塊進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造，以便于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行組裝和擴(kuò)展。模塊化的設(shè)計(jì)可以使機(jī)器人的不同部分進(jìn)行獨(dú)立升級(jí)和替換，從而快速適應(yīng)不同領(lǐng)域和行業(yè)的需求。例如，通過更換不同的末端執(zhí)行器，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)不同的操作功能；通過增加傳感器模塊，機(jī)器人可以獲取更多的環(huán)境信息。

5.4 高效、低耗、清潔等功能性能

隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，對(duì)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展提出更高要求。高效能、低能耗的機(jī)器人可以為企業(yè)節(jié)約能源成本，減少對(duì)環(huán)境的影響。同時(shí)，清潔能源的使用可以進(jìn)一步降低碳排放，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。此外，提高機(jī)器人的功能性能可以更好地滿足市場需求，提升企業(yè)的競爭力。

6 結(jié)語

綜上所述，碼垛機(jī)器人作為一種智能化、自動(dòng)化設(shè)備，在包裝行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其出現(xiàn)不僅能有效提高生產(chǎn)效率降低人力成本，還能進(jìn)一步保證包裝質(zhì)量。碼垛機(jī)器人根據(jù)結(jié)構(gòu)分類主要有直角坐標(biāo)機(jī)器人、關(guān)節(jié)式機(jī)器人兩種類型，在包裝行業(yè)中主要采用箱式碼垛、混合式碼垛、定點(diǎn)碼垛等應(yīng)用方式，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，碼垛機(jī)器人在包裝行業(yè)中的應(yīng)用前景將更加廣闊，相信在不久的將來，碼垛機(jī)器人將向著標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、國產(chǎn)化、智能化、模塊化等方向發(fā)展，而且具備高效、低耗、清潔等功能，為包裝行業(yè)企業(yè)帶來更多的競爭優(yōu)勢。

文章來源：  《上海輕工業(yè)》   http://m.00559.cn/w/kj/30978.html