直角坐標機器人在食品行業的應用

作者：李剛

職務：沈陽百格機器人有限公司總經理

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產品：德國BergerLahr公司和Roboworker公司中國總代理

在很多產品的生產過程中，應用機器人來完成一些生產工序，不僅能提高生產效率，降低成本，更能提高產品質量。例如在食品生產過程中，機器人可以完成外觀檢驗、搬運、包裝、托盤化運輸、分類和碼垛等任務，從而提高了生產效率及產品質量。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      在食品行業的應用中，由于機器人自身采用了便于清潔的不銹鋼材質和多重防護措施，又避免了人工參與，所以易于保證食品衛生及食品質量。由于機器人工作時具有高度重復的一致性，因此一些生產工序由機器人來完成，會使產品的重量更加精確，外觀更加精美，減少浪費，降低成本。機器人可以24小時高速高效工作，可以替代多名人工，隨著勞動力成本不斷上升，應用高效經濟的直角坐標機器人會降低生產成本。直角坐標機器人還被廣泛應用在醫藥、化妝品、包裝、儀表裝配、繼電器生產等眾多行業。本文先概述直角坐標機器人，再主要介紹直角坐標機器人在食品行業的應用案例。

一 直角坐標機器人簡介

機器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動，能夠實現自動控制、可重復編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個或3個以上自由度內可編程的工業自動化設備。這里自由度就是指可運動或轉動的軸。直角坐標機器人是以直線運動軸為主，各個運動軸通常對應直角坐標系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數情況下直角坐標機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角。

直角坐標機器人主要由一些直線運動單元，驅動電機，控制系統和末端操作器組成。針對不同的應用，可以方便快速組合成不同維數，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機器人。從簡單的二維機器人到復雜的五維機器人就有上百種結構形式的成功應用案例。從食品生產到汽車裝配等各行各業的自動化生產線中，都有各式各樣的多臺直角坐標機器人和其它設備嚴格同步協調工作，可以說直角坐標機器人幾乎能勝任幾乎所有的工業自動化任務。下面是其主要特點：

1任意組合成各種結構樣式，多種帶載能力和不同尺寸的機器人，

2采用多根直線運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器人。

3采用多根直線運動單元平連或者各帶多個滑塊結構時其帶負載能力可增加到數噸。

4 其最大運行速度可達到每秒8米，加速度可達到每秒4米。

5 重復定位精度可達到0.01mm~0.05mm。

二 食品行業對于直角坐標機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抓住，再保證糕點間部份重疊及裝入包裝紙盒內。

2）每小時處理12000個糕點，每天可工作24小時，每周可工作六天。

3）機器人運動軸要有相應的防護措施，防止糕點屑掉到運動軸上。

4）要能適用3種傳送糕點方式，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的碼放。

5）更換不同品種糕點時機器人系統的停機時間最長不超過5分鐘。

6）裝滿糕點后由人工搬運走。

2 機器人結構

由于行程小，負載輕，運動速度高及不怕食品腐蝕，我們采用圖1所示的XZ高動態結構機器人。該結構機器人自身重量輕，使其具有很好的高動態特性，可以完成快速加速或減速的運動及高速運動。在工作過程中食品一直在X軸和Z軸的下方使糕點屑不易粘到機器人上，加之機器人本體不怕食品腐蝕，自身不產生污染和粉塵。

該機器人的控制系統采用德國Berger Lahr公司的智能型伺服驅動系統TLC634。TLC6系列伺服驅動系統可任意修改運動程序，以適應新的產品。

對于大負載的應用可以如圖2所示的選用帶防護帶的直線運動單元。齒型帶已把里面的直線導軌全部蓋上，在最外面又加一個防護鋼帶。防護鋼帶被直線運動單元內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軌。還可以采用絲杠和尺條傳動方式。

3 工作過程  

    機器人工作時從傳送帶上傳送來的糕點分兩排并列向機器人工作地點傳送。由于糕點形狀的原因，當兩個糕點被最終點定位板擋住后，后面的兩個糕點會部分壓到前面的兩個糕點上。當這一傳送帶上有8個糕點時其對應的4個傳感器就都有輸出信號，機器人就可以快速運動到其上方，然后Z軸下降使其吸盤完全壓到糕點上，再通過負壓把糕點吸住，然后先Z軸上升400mm，X軸再運動到包裝盒上方，這時Z軸下降使糕點進入包裝盒內，吸盤充氣釋放糕點。這樣就完成了一次從抓取到裝入盒內的過程，再開始完成從令一傳送帶上的抓取搬運和裝盒過程。完成一次抓取搬運和裝盒過程的時間是2.1秒，有0.3秒的剩余時間。在整個運動控制過程中，要檢測抓取到位信號，壓力信號等。

三 注意點

1）由于在糕點生產過程中會有油物，易使運動軸粘上糕點渣，所以機器人必須有相應 的防護措施。在本項目中采取高密度雙刷去糕點渣辦法。

2）另外整個機器人上裸露處及內部一些關鍵件全部采用無銹鋼材材料使其不上銹。

3）由于食品行業對衛生要求很高，必須確保機器人在工作中不掉潤滑油，不產生任何灰塵。

四 展望

綜上所述的直角坐標機器人近10年來一直高效的應用在食品行業，并獲得國內外客戶的好評。而在有的食品生產過程中濕度大，還有的機器人要在有類似海水或其它腐蝕性氣體和液體的環境下工作，因此機器人的防水防腐性能就變得很重要。百格拉公司的技術人員與用戶密切合作，成功地解決了這些難題。經過的不斷完善，今天百格拉公司的直角坐標機器人已經成功的應用于很多食品生產加工行業。更多的應用及相應的詳細資料請與沈陽百格機器人有限公司聯系。