直角坐標(biāo)機(jī)器人在食品行業(yè)的應(yīng)用
作者：李剛
職務(wù)：沈陽百格機(jī)器人有限公司總經(jīng)理
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產(chǎn)品：德國BergerLahr公司和Roboworker公司中國總代理
在很多產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，應(yīng)用機(jī)器人來完成一些生產(chǎn)工序，不僅能提高生產(chǎn)效率，降低成本，更能提高產(chǎn)品質(zhì)量。例如在食品生產(chǎn)過程中，機(jī)器人可以完成外觀檢驗(yàn)、搬運(yùn)、包裝、托盤化運(yùn)輸、分類和碼垛等任務(wù)，從而提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。 在食品行業(yè)的應(yīng)用中，由于機(jī)器人自身采用了便于清潔的不銹鋼材質(zhì)和多重防護(hù)措施，又避免了人工參與，所以易于保證食品衛(wèi)生及食品質(zhì)量。由于機(jī)器人工作時(shí)具有高度重復(fù)的一致性，因此一些生產(chǎn)工序由機(jī)器人來完成，會使產(chǎn)品的重量更加精確，外觀更加精美，減少浪費(fèi)，降低成本。機(jī)器人可以24小時(shí)高速高效工作，可以替代多名人工，隨著勞動力成本不斷上升，應(yīng)用高效經(jīng)濟(jì)的直角坐標(biāo)機(jī)器人會降低生產(chǎn)成本。直角坐標(biāo)機(jī)器人還被廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、化妝品、包裝、儀表裝配、繼電器生產(chǎn)等眾多行業(yè)。本文先概述直角坐標(biāo)機(jī)器人，再主要介紹直角坐標(biāo)機(jī)器人在食品行業(yè)的應(yīng)用案例。
一 直角坐標(biāo)機(jī)器人簡介
機(jī)器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個(gè)或3個(gè)以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動或轉(zhuǎn)動的軸。直角坐標(biāo)機(jī)器人是以直線運(yùn)動軸為主，各個(gè)運(yùn)動軸通常對應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機(jī)器人的各個(gè)直線運(yùn)動軸間的夾角為直角。
直角坐標(biāo)機(jī)器人主要由一些直線運(yùn)動單元，驅(qū)動電機(jī)，控制系統(tǒng)和末端操作器組成。針對不同的應(yīng)用，可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人。從簡單的二維機(jī)器人到復(fù)雜的五維機(jī)器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從食品生產(chǎn)到汽車裝配等各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)線中，都有各式各樣的多臺直角坐標(biāo)機(jī)器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作，可以說直角坐標(biāo)機(jī)器人幾乎能勝任幾乎所有的工業(yè)自動化任務(wù)。下面是其主要特點(diǎn)：
1任意組合成各種結(jié)構(gòu)樣式，多種帶載能力和不同尺寸的機(jī)器人，
2采用多根直線運(yùn)動單元級連和齒輪齒條傳動，可以組成幾十米的超大行程機(jī)器人。
3采用多根直線運(yùn)動單元平連或者各帶多個(gè)滑塊結(jié)構(gòu)時(shí)其帶負(fù)載能力可增加到數(shù)噸。
4 其最大運(yùn)行速度可達(dá)到每秒8米，加速度可達(dá)到每秒4米。
5 重復(fù)定位精度可達(dá)到0.01mm~0.05mm。
二 食品行業(yè)對于直角坐標(biāo)機(jī)器人的要求和工作原理
1 工作要求：
1）首先把從傳送帶傳送過來的糕點(diǎn)抓住，再保證糕點(diǎn)間部份重疊及裝入包裝紙盒內(nèi)。
2）每小時(shí)處理12000個(gè)糕點(diǎn)，每天可工作24小時(shí)，每周可工作六天。
3）機(jī)器人運(yùn)動軸要有相應(yīng)的防護(hù)措施，防止糕點(diǎn)屑掉到運(yùn)動軸上。
4）要能適用3種傳送糕點(diǎn)方式，5種不同形狀和體積的包裝盒以及對于不同形狀和體積的糕點(diǎn)的碼放。
5）更換不同品種糕點(diǎn)時(shí)機(jī)器人系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間最長不超過5分鐘。
6）裝滿糕點(diǎn)后由人工搬運(yùn)走。
2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)
由于行程小，負(fù)載輕，運(yùn)動速度高及不怕食品腐蝕，我們采用圖1所示的XZ高動態(tài)結(jié)構(gòu)機(jī)器人。該結(jié)構(gòu)機(jī)器人自身重量輕，使其具有很好的高動態(tài)特性，可以完成快速加速或減速的運(yùn)動及高速運(yùn)動。在工作過程中食品一直在X軸和Z軸的下方使糕點(diǎn)屑不易粘到機(jī)器人上，加之機(jī)器人本體不怕食品腐蝕，自身不產(chǎn)生污染和粉塵。
該機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用德國Berger Lahr公司的智能型伺服驅(qū)動系統(tǒng)TLC634。TLC6系列伺服驅(qū)動系統(tǒng)可任意修改運(yùn)動程序，以適應(yīng)新的產(chǎn)品。
對于大負(fù)載的應(yīng)用可以如圖2所示的選用帶防護(hù)帶的直線運(yùn)動單元。齒型帶已把里面的直線導(dǎo)軌全部蓋上，在最外面又加一個(gè)防護(hù)鋼帶。防護(hù)鋼帶被直線運(yùn)動單元內(nèi)部的磁行材料吸在齒型帶的外面，防止灰塵等接觸齒型帶和直線導(dǎo)軌。還可以采用絲杠和尺條傳動方式。
3 工作過程
機(jī)器人工作時(shí)從傳送帶上傳送來的糕點(diǎn)分兩排并列向機(jī)器人工作地點(diǎn)傳送。由于糕點(diǎn)形狀的原因，當(dāng)兩個(gè)糕點(diǎn)被最終點(diǎn)定位板擋住后，后面的兩個(gè)糕點(diǎn)會部分壓到前面的兩個(gè)糕點(diǎn)上。當(dāng)這一傳送帶上有8個(gè)糕點(diǎn)時(shí)其對應(yīng)的4個(gè)傳感器就都有輸出信號，機(jī)器人就可以快速運(yùn)動到其上方，然后Z軸下降使其吸盤完全壓到糕點(diǎn)上，再通過負(fù)壓把糕點(diǎn)吸住，然后先Z軸上升400mm，X軸再運(yùn)動到包裝盒上方，這時(shí)Z軸下降使糕點(diǎn)進(jìn)入包裝盒內(nèi)，吸盤充氣釋放糕點(diǎn)。這樣就完成了一次從抓取到裝入盒內(nèi)的過程，再開始完成從令一傳送帶上的抓取搬運(yùn)和裝盒過程。完成一次抓取搬運(yùn)和裝盒過程的時(shí)間是2.1秒，有0.3秒的剩余時(shí)間。在整個(gè)運(yùn)動控制過程中，要檢測抓取到位信號，壓力信號等。
三 注意點(diǎn)
1）由于在糕點(diǎn)生產(chǎn)過程中會有油物，易使運(yùn)動軸粘上糕點(diǎn)渣，所以機(jī)器人必須有相應(yīng) 的防護(hù)措施。在本項(xiàng)目中采取高密度雙刷去糕點(diǎn)渣辦法。
2）另外整個(gè)機(jī)器人上裸露處及內(nèi)部一些關(guān)鍵件全部采用無銹鋼材材料使其不上銹。
3）由于食品行業(yè)對衛(wèi)生要求很高，必須確保機(jī)器人在工作中不掉潤滑油，不產(chǎn)生任何灰塵。
四 展望
綜上所述的直角坐標(biāo)機(jī)器人近10年來一直高效的應(yīng)用在食品行業(yè)，并獲得國內(nèi)外客戶的好評。而在有的食品生產(chǎn)過程中濕度大，還有的機(jī)器人要在有類似海水或其它腐蝕性氣體和液體的環(huán)境下工作，因此機(jī)器人的防水防腐性能就變得很重要。百格拉公司的技術(shù)人員與用戶密切合作，成功地解決了這些難題。經(jīng)過的不斷完善，今天百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人已經(jīng)成功的應(yīng)用于很多食品生產(chǎn)加工行業(yè)。更多的應(yīng)用及相應(yīng)的詳細(xì)資料請與沈陽百格機(jī)器人有限公司聯(lián)系。
