烟草生产物流中机器人作业的应用

摘要：在烟草工业自动化物流系统中，成品件烟堆拆垛、卷烟辅料堆码搭配、烟包剪带拆膜去盖、烟丝箱堆叠等物料处理环节应用机器人技术，降低了人工劳动强度，提高了作业效率。

关键词：烟草工业、自动化物流、机器人技术

烟草工业对生产物流自动化技术的应用一直处于国内领先地位，目前，多数卷烟厂都已实施了生产物流自动化，从烟叶醇化到成品发货，从制丝分组加工到储叶储丝模块化精益生产，自动化物流系统工艺融入到卷烟生产装备工艺中，实现了工厂生产自动化(FA)。例如，红河烟厂自1998年开始陆续实施了烟叶配方、辅料、成品、备件等自动化物流系统，其设备性能、电气控制、计算机信息管理等方面都接近国际先进水平，并且在自动化物流作业环节中，成功采用工业机器人对卷烟成品进行堆码、拆垛作业，对木夹板烟包进行剪钢带、拆薄膜、去夹板作业，对辅料搭配在国内外率先开发使用带视觉识别的移动式机器人系统，能对多品种、多规格的卷烟辅料根据生产需要按不同的配方进行任意搭配，实现卷烟辅料的自动堆码搭配与供给。在这些物流环节采田机器人作业模式，大打降低了人工劳动强度，提高了作业效率，改善了作业环境。

工业机器人概述

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等技术于一体的现代制造业重要的自动化装备，目前，机器人技术及其产品已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(ClMS)的自动化工具。工业机器人的广泛应用，不仅可提高产能、保证质量，而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、节约原材料消耗，以及降低生产成本有着十分重要的意义。

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3－6个运动自由度，其中腕部通常有1－3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。

按执行机构运动的控制机能，工业机器人又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

具有触觉、力觉或简单视觉的工业机器人能在较为复杂的环境下工作。如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人，它能按照人工给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。

机器人在成品件烟码拆垛作业中的应用

在卷烟厂生产物流系统中，成品自动化物流系统是基于对成品收集、分类、储存、分发、销货环节进行一体化自动控制和实现调度管控信息智能化的系统，能够不同程度地实现产品的自动分类、自动码垛、自动出入存、自动移盘库、响应订单组配货、自动发货装车和相对应的产品信息的精确统计追踪。入库的基本流程为：卷接包生产线一装封箱线一分拣及机器人件烟码垛系统一立体仓库；出库的基本流程为：立体仓库一机器人件烟折垛系统一分拣组配发货。

成品件烟的堆码垛型一般为24、28、30件/托盘，如图1所示。

1　堆垛应用

机器人的标准堆垛工位一般由2－3个输入线和2－3个堆垛工位组成。作业时，件烟竖立姿态输入，对于非顶层件烟，机器人手腕以顶吸(或底托叉)方式一次吸3件或者吸2件，按“3纵2横+2横3纵”方式组成首层，第二层反之，直至顶层；在顶层机器人单件作业，手腕旋转90。以平放躺方式放置顶层件烟。图2为机器人件烟堆码三维示意图。

2　拆垛应用

机器人的标准拆垛工位由2个拆垛工位和1个输出线(包括翻转机构)组成。对于平躺姿态的件烟，在拆垛时，机器人平行吸取件烟，直接放置到输出线上输出。对于竖直姿态的件烟。拆垛时，机器人平行吸取件烟，放置到输出线上的翻转机构上，由翻转机构依次将件烟翻倒输出。图3为机器人件烟拆码三维示意图。

机器人在卷烟辅料搭配作业中的应用

在卷烟辅料自动化物流系统中，需要将不同品种规格的辅料堆码到托盘上完成物料组盘，然后存入立库系统，再根据卷接机组的需要配送到机组站台。在辅料组盘过程中，由于辅料品种的多样性，一般均采用人工作业，但人工劳动强度大，现场管理凌乱，因此红河、合肥烟厂等采用了ABB机器人完成辅料自动堆码搭配作业。

由于辅料品种规格形状各异，要实现自动堆码作业有较大难度，为此采用一套带有视觉识别系统的移动式机器人进行辅料搭配堆码作业。

视觉识别移动式机器人系统是集机器人手臂图像识别系统、手臂吸夹具系统、手臂找定位传感控制系统、机器人数控穿梭行走系统以及计算决策上位机为一体的开放柔性自动化系统。系统视觉识别部分对静态(随机出现的物品被输送到指定的站台位置)或动态(随机出现的物品在输送链上移动不停留)的不同物品以及静态或动态的同一物品不同的放置面、放置方向可实现视觉识别定位。已被识别和定位的物品，由机器人根据已获得的物品类型、位置信息选择夹具抓取物品，再根据物品需放置的站台位置行走至该站台，完成对物品的拆垛、搬运或码垛等任务，最终实现物品的自动搭配装盘。

计算决策上位机传输辅料信息给机器人，并发出工作指令，机器人根据辅料配方指令，通过数控有轨车移动到各个物料站台，利用光学视觉系统识别各种辅料的形状和位置，然后机器人自动调换相应夹具，对辅料进行自动拣取、堆码、搭配。图4为带有轨道的移动式机器人。

机器人在烟包拆带开箱作业中的应用

烟叶原料的外包装主要有纸箱和木夹板两种形式，并附有包装尼龙带、钢带、薄膜等。在制丝线烟包作业环节中，对于纸箱烟包，一般采用人工剪包装带、拿出箱内垫纸，再由烟包开包机倒出烟包实现烟包开包；对于木夹板烟包，一般采用人工剪钢带、撕掉塑料薄膜，再通过旋转开包输送机配合取木夹板。采用机器人自动拆带开箱，一般配置专用夹具、辅具实现全自动的烟包开包，对于纸箱烟可实现自动剪包装带、取垫纸，完成纸箱与烟包的分离；对于木夹板烟包，可实现自动剪钢带、拆薄膜、去夹板，完成夹板与烟包的分离。在机器人自动开包系统中，配置相关辅助装置，可实现纸箱、木夹板自动折叠、钢带自动剪断等作业，整个流程的自动化、智能化程度很高，充分体现了工业机器人对复杂轨迹运动的动态特性。图5为机器人自动开包系统配置方案。

机器人在烟丝箱码拆作业中的应用

近年来，随着烟草加工向精益化、精细化、个性化方向发展，传统的烟丝柜储方式逐渐转变为箱储模式，便于半成品烟丝小批量精确搀兑，并实现成品烟丝对制丝线小单元送丝。为了提高存储和输送效率，需要将烟丝箱进行堆叠和拆垛，除了专用堆码机外，可采用机器人进行堆拆作业。

基本流程为：烟丝箱输送到站台工位，机器人抓取后旋转搬运到堆码站台，堆叠在另一个烟丝箱上方，拆垛时动作顺序相仿。同时，机器人以单箱方式抓取箱体，可完成翻箱倒料作业，并在光学视觉系统和清扫装置的配合下，完成箱体内侧残留烟丝的清扫工作。由于箱体长宽高尺寸均大于1米，抓取重量超过150千克，开发了较大宽度尺寸的机器人夹具，并选用手腕持重和臂展半径较大的机器人本体型号。图6为机器人抓取烟丝箱的三维示意图。

工业机器人作为一种通用型的智能设备，其本体功能基本能满足烟草工业自动化物流物料处理的抓取及堆拆码要求，难点在于夹具、辅具的适应性和稳定性。通用型机器人在智能性方面能满足一些特殊的物料处理作业，但在大流量物流系统中动作节拍的效率逊于专机设备。随着烟草工业生产自动化水平的不断提高，工业机器人在卷烟自动化物流系统中的应用将会越来越深入和广泛，对于在物流系统工艺流程设计中如何有效集成和应用，以及机器人主机性能、夹具辅具功能等方面的完善提高将会有更多的研究和应用。