摘要：为实现工厂无人化生产，采用工业智能机器人在粉尘污染、有毒、易爆等恶劣环境下进行工业自动化生产。分析现代化工厂普及无人化生产设备应用、流程改进及物联网云端控制的发展趋势，从液体自动灌装机、粉体称重包装机器人和改进称重码垛机器人包装生产线3个方面介绍工业机器人融合半自动设备，实现全自动化、智能化的生产；介绍全自动称重包装生产线的应用情况；给出了全自动称重生产线在物联网及远程云网络控制方面的扩展应用。

　　关键词：工业机器人；智能化；自动称重；生产线

　　0引言

　　随着经济增长，人民生活水平不断提高，改善工作环境及减少工作强度的呼声也越来越高，近几年，随着个人的价值提升，“用工荒”出现，同时生产的“高成本”等因素也交织叠加在一起。例如过去人工码垛是大部分原材料公司采用的主要方式，而通过机械式码垛或采用自动化码垛装备的公司不足15%。但是近年来一些效益好的大公司开始选用工业机器人来提高生产效率、降低生产成本[1]。对原材料生产工厂而言，机器人包装集成属于先进制造专业的工程应用，也是液体及粉体物料称重系统的应用。这个新兴的智能制造自动化时代迎来了春天，无人化生产模式广泛应用于劳动强度大、工作环境差、污染严重、粉尘多、易燃、易爆等危险度大的工作。当前应用的主流机器人是面向工业领域的关节机器人或多自由度的机械设备，在程序控制下能自动进行复杂的工业生产。进入21世纪20年代后，机器人系统经过历次迭代后主要根据物联网、人工智能、机器学习、深度学习等技术融合多传感器协同工作。

　　本研究为解决先进制造业在无人化生产中存在的痛点，根据实际的工业化环境，基于工业物联网研究，介绍利用机器人智能化先进制造技术设计制造液体自动灌装机、粉体称重包装机器人和改进称重码垛机器人包装生产线，实现无人化称重包装生产线。该生产线可应用于新能源、医药、食品、化工、液晶玻璃基板等原材料行业，实现产品的全自动化和规模化生产。

　　1液体自动称重灌装机

　　1.1液体自动灌装机的特点

　　液体自动灌装机结构简单，因流体的流速恒定，呈线性关系，所以编程容易，自动化控制精度高。在现场车间实际应用时，为防止液体在出料口滴液，导致罐装液体不能完全进入包装容器进而滴落在不锈钢输送机上对车间产生污染，给操作人员带来不便，南京某公司依托南京大学及东南大学产学研专门设计制造了食用油灌装机、化工用品防爆型及隔爆型灌装机，提高了生产效率，有效解决了液体原料储存和分装的难点及痛点[2]。所设计的液体自动灌装机如图1所示。现场生产总装图如图2所示，重仪表通信及控制端口如图3所示。

　　主要工艺流程：自动空桶供应→空桶动力自动输送→视觉寻址定位桶口→机器人自动视觉寻址开盖→桶盖自动向后输送→进入封闭灌装室→机器人视觉寻址自动灌装→质量复检→机器人自动视觉寻址关盖→输出封闭灌装室→自动贴标→人工锁盖→自动重桶分桶码垛。

　　1.2粉体称重包装机器人

　　从20世纪60年代起，机器人开始涉足重复性高或者危险性大的工业领域。80年代，随着Unimation公司PUMA工业机器人的诞生，美国兴起了工业机器人热。90年代，工业机器人的价格不断下降，被广泛地应用于程序化、繁重或者对人体有害的工作中，如完成焊接、喷涂、码垛、简单装配等工序[4-5]。国产称重包装码垛机器人价格比较进口设备具有一定优势，有较大利润空间养活工人及研发人员。但是，由于对部件稳定性的苛求，国内机器人选择的都是国际品牌的原装进口零部件，零部件的选择优于同类进口产品，这也是产生利润的关键所在[1]。国外从事称重包装码垛机器人质量高的发达国家有美国、德国、日本。主要以日本为重要参考方向，日本的称重包装码垛机器人机械技术含量高，可靠性强，在品种和产量方面均居世界前列。其依靠自身雄厚的研发能力和独特的技术，在世界的包装领域占有一席之地，最初的生产线采用人工上袋，这是大多数工厂仍然在采用的生产方式。这种方式投资少、见效快，市场份额大。但是，随着机器人价格下降，人工成本上升，采用全自动生产线是不可改变的趋势。称重包装码垛机器人是工业机器人的一种，是应用在称重包装工业领域的自动执行工作的机械设备。目前，称重包装码垛机器人多用于大物件的称重计量包装和搬运，因此码垛、捆扎、装箱、堆放等机器人相继问世。工业机器人越来越多地走入车间，替代工人进行枯燥繁重的劳动。南京某公司基于南京大学产学研的合作模式，分别针对石化、医药、食品、饲料、建材及各类化工行业劳动环境差、劳动强度大等特点，开发了一套自动称重、上袋、装料、封口、码垛、缠绕等一体化的全自动包装机器人码垛生产线。称重包装码垛机器人高速运行码垛速度高达1 500~2 400袋/h，精度可达0.2%。该公司与国内浙大中控、北京和利时等主流DCS软件公司组建工厂集散分布控制网络，其产品在各项性能指标尤其可靠性上已达到国内领先、接近国际先进水平，甚至在某些技术方面其指标略超国际先进水平。全自动包装机器人码垛生产线基于柔性控制，利用伺服电机高速驱动后三秤并行称重计量，生产效率最高可达1 600袋/h，满足生产厂家的最高要求。以国内某公司为例，分析利用该称重包装码垛机器人前后的经济效益，结果如下(皆为2016年实际数据)：

　　(1)目前包装岗位共有人员18人，称重包装码垛机器人系统上线后，至少可以节约16人，每人每月工资3 500元，年节约人员工资67.2万元；(2)称重包装码垛机器人系统运行动力70 kW，按每天运行10 h计算，电价0.66元/kW·h，运行费用15 246元(3)日常维护费用按每年5万元计算(4)年节约费用47万元(5)投资收回周期：200万元/47万元=4.26年。可见国内厂商投资生产设备的经济效益极为可观，这也是机器人应用市场的关键切入点。图4为所示为日本发那科机器人本体三维立体图[3]。

　　由于称重包装码垛机器人行业属于工业机器人低端应用领域，还未引起足够的重视。国内很多工厂均需根据自身实际情况定制称重包装码垛机器人生产线及后端成品包装配套设备，这些均属于非标定制产品，并且都不是核心或者决定性的工艺设备，所以此类设备在工厂设备预算中的占比较小。技术创新是产业发展壮大的最关键环节，但它必须有市场应用，有社会必需的项目支撑。高新技术产业能否被应用于实际是重要指标，高新技术产业要造福社会，造福人类，就必须广泛地应用于实际社会生产，否则就难以称之为成功的高新技术产业，创新也是如此。任何产业只要大批量应用就会带来可观利润，流水线作业，智能自动化的无人生产线，可以摊薄其研发成本及初期投入成本，这样可以让工厂获得使用该技术带来的红利，如智能手机和电脑就是高新技术产品广泛应用后效益极佳的范例。同时，生产制造业及其母工厂也会获利颇丰。

　　2改进称重码垛机器人包装生产线

　　自动上袋机两个主要动作采用真空压力作为动力源，利用真空吸盘直接吸取空的包装袋。工业机器人取袋动作由2只长气缸承担，操作工人将一叠空包装袋整齐叠放于袋架上，初始状态时取袋机构的升降气缸位于该叠包装袋上方，3组并联的真空吸盘由垂直运动气缸往下运动时将3个盘压紧在上层的第1只包装袋口下方1/3处。气缸上的“下降到位”磁性开关到位后使真空选择阀动作，将真空管路接通，气缸上升时便提起包装袋。“上升到位”磁性开关动作后气缸运动使肘关节转向，将已吸持提起的包装袋转向90°，并使其袋口对准下料口，当该转向气缸上的“转向到位”磁性开关动作时，使得自动撑袋机构的真空系统起动。撑袋机构是由气缸通过曲柄连杆带动的两组面对面相向运动的机构。该机构上也装有真空吸盘。每组2只并联。转向以后的空包装袋袋口处于这2组真空吸盘的中间。当空袋到位后，这2组机构同时将真空吸盘向中心移动直到相对地吸持空包装袋的袋口两侧[6]。图7所示为全自动称重包装码垛机器人流程。

　　日本纽朗工业株式会社在包装机、缝纫机、制袋机和印刷机等方面均有独到研究。纽朗自动上袋机的高效性及可靠性取代了工艺复杂的流水线作业人工上袋。自动上袋机的工作顺序：取空袋一撑开袋口→将袋套在秤的下料口上→夹紧袋口→定量灌装物料→释放袋→夹持并平移输送一下道工序[7]。全自动的化工生产流程一般是连续运行模式，作为成品粉料的最后一道包装工序，其自动化程度较高[6]。随着称重包装码垛机器人售价的下降，人工成本的逐步上升，生产制造工厂必须根据市场需求、与时俱进，批量制造工业机器人来降低生产成本使得产品具有良好经济意义。称重包装码垛机器人已不再是简单的单机运行，智能化多机器人、多传感器融合、物联网是大势所趋[8]。

　　在当前的工业基础和技术条件下，根据国内机器人应用场合的市场份额看，掌握核心客户资源并具备非标设计能力的集成商、产品定位准确的工业机器人主机生产厂商是未来相当长一段时间里国产品牌的核心力量。具有国际竞争力的龙头企业应该以系统集成和主机生产制造为主要突破口，那些拥有国内首屈一指的系统集成能力、丰富的主机产品储备、以国内第一流的自动化科研平台为支撑的公司最有希望成为世界级品牌[9]。从专业化程度看，目前国内包装设备厂专业化程度整体不高，仅长三角、珠三角、环渤海一带，主要是东南沿海及北京、上海、天津大城市专业厂较多。建国以来，我国包装生产线只做到把物料包装好为止，至于后续的搬运码垛工作，因设备价格昂贵，劳动力便宜，完全由搬运工人完成。造成这种局面的原因较多，但主要是由于我国生产力水平及研发能力较低，企业小富即安，不敢冒风险投入研发资金，导致企业有经验的研发工程师收入低、研发内在动力不足所造成的[10]。图8所示为全自动称重包装码垛机器人三维图。

　　3称重机器人包装生产线工业物联网

　　机器人远程云网络[11]如图9所示，Remote Service Embedded的概念是在控制器内部实现一个虚拟的RSE代理，由代理通过互联网与ABB远程服务中心进行安全的通信。通信采用HTTPS(安全HTTP)方式，并仅限从控制器连接到ABB RSC连接器，以确保客户网络与任何外部互联网访问隔离。根据这一设想，所有的机器人都可以在云端进行数据交换和在线监控，这样在电脑上就可以随时随地了解机器人工作状况，无需现场查勘，极大地方便了生产管理，降低人工成本。

　　国外学术界通过将机器人从一个工具转变成为物联网中的一个“物”来实现与众多外设的交互[12]。现有网络可以粗略分为三层：(1)设备网络将低级设备与工厂设备直接连接，无需输入输出模块构成总线执行系统；(2)控制网连接自动化系统即车间的各种机器的高级网络，含机器人、机床、人机界面(HMI)和可编程逻辑控制器(PLC)；(3)以太网是在可编程逻辑控制器(PLC)、监控与数据采集系统(SCADA)、工厂MES三者间快速交换数据的标准化信息网络。物联网、网络物理系统、传感器和大数据实施是可持续发展的驱动力[13]。最为方便的开源MATLAB工具箱可以用Eth.RSIXML通信协议让计算机对KUKA机器人远程控制[14]。利用Robweb⁃Cam和RobwebLink两个系统，通过互联网进行机器人系统和其他外设的远程操作、监视及诊断[15]。工业机器人凭借其高效稳定、精细制造加工、柔性生产三大优势成为智能制造装备技术的关键[16]。在实际全自动生产线建立适合CAN总线特点的合理通信协议，对机器人控制器中主计算机与运动控制器的实时通信进行二次开发，形成可靠的机器人控制通信程序，也是一条艰难但非常有用的道路。图10所示为机器人通用网络总线。

　　4结束语

　　本文介绍了机器人在液体及粉体称重包装自动化中的应用，分析了现代化工厂逐步普及无人化生产要解决的人工上袋及物联网云端控制的难点。这些技术改造升级伴随着国家对节能减排、环境保护及安全生产等许多强制措施的出台，促使现有生产企业必须与时俱进，大力改造和更新现有的生产工艺和设备，跟上时代发展，使智能自动化控制手段和现代化检测技术更加广泛应用于无人生产，提高生产效率。综上所述，国产智能称重包装机器人行业方兴未艾，是国家的朝阳产业，发展前景优秀，并且这些产品在自动化行业的技术发展水平也是判断一个国家先进制造业的智能化程度高低的主要标志。

　　参考文献：

　　[1]冉宏旭.沃迪搬运码垛机器人营销策略研究[D].咸阳:西北农林科技大学,2014.

　　[2]常州梅特勒-托利多技术手册[Z].2021.

　　[3]大型物流智能机器人Intelligent Palletizing Robot FANUC Ro⁃bot M-410iB使用手册[Z].FANUC LTD,2006.

　　[4]马娟娟.全自动包装机器人系统的研制[D]南京:南京航空航天大学,2011.

　　[5]ONAQA E.High speed packaging robot[J].Robot,1997(119):12-17.

　　[6]刘建平,杨继航.自动化技术在粉体工程上的应用[M].北京:清华大学出版社,2012.

　　[7]日本纽朗全自动上袋机3CM-P高速型3CM-6-LG型使用手册[Z].NEWLONG工业公司,2007.

　　[8]SPENCER R.Robots offer speed and flexibility in packaging ap⁃plications[J].Robotics World,2003,21(8):8-9.

　　[9]常州科教城.常州市万台机器人进企业计划[Z].2014.

　　[10]卢志珍.基于全自动包装码垛生产线控制系统设计[D].无锡:江南大学,2008.

　　[11]ABB使用手册Documentation-RobotWare-OS[Z].ABB上海工程有限公司.

　　[12]TURCU C,TURCU C,GAITAN V.Integrating robots into the internet of things[J].International Journal of Circuits,Systems and Signal Processing,2012,6(6):430-437.

　　[13]NARA E,COSTA M,BAIERLE I C,et al.Expected impact of industry 4.0 technologies on sustainable development:a study in the context of brazil′s plastic industry[J].Sustainable Produc⁃tion and Consumption,2020.

　　[14]CHINELLO F,SCHEGGI S,MORBIDI F,et a1.KuKA control toolbox[J].Robotics and Automation Magazine,201l,18(4):69-79.

　　[15]REGUEMRA P,DOMINGUEZ M,ALAIZ H,et al.Remote oper⁃ation of ABB IRB 1400 S4 robot over the intenet[J].1FAC Pro⁃ceedings VoIumes,2006,39(6):505-510.

　　[16]金晓宁,郑丽华.发动机装配中的柔性机器人螺栓拧紧系统[J].机械工程与自动化,2006(2):75-77.