所謂碼垛就是按照集成單元化的思想，將一件件的物料按照一定的模式堆碼成垛，以便使單元化的物垛實現物料的存儲、搬運、裝卸運輸等物流活動⑴。作為物流自動化領域的一門新興技術，近年來，機械手碼垛技術獲得了前所未有的發展，在線式碼垛機的吞吐量在不斷地提高，機械手碼垛機的柔性、處理速度以及抓取載荷在不斷地升級，應用場合在不斷地擴大。

近幾年，在大米加工領域，由於能源成本激增，勞動力市場的人員緊缺，人力成本逐年攀升，不可預見風險因素，為企業的包裝和儲存帶來了變革，促進了機械手碼垛在大米加工企業中的廣泛應用。

大米加工業行業向集團化、產業化、規模化發展,競爭日趨激烈，高利潤時代已悄然過去。日本、美國及泰國，大米加工企業的規模都在日產500t以上，最大的達到單產5000t/(24h)o近年來我國大米加工業也逐漸走向規模化生產,集約化經營，特別是中糧集團、北大荒米業、益海嘉裏集團等大型企業為代表。包裝和碼垛問題越來越彰顯了其在大米加工企業中的地位，技術的改進以及設備的更新也是提升競爭力的法寶之一。而機械手等智能化產品在國內每年保持20%〜25%的增長勢頭已經說明社會進步與技術革新是企業發展永遠的命題，機械手碼垛係統在大米加工行業中得到越來越多的應用和發展。

1我國大米加工廠的碼垛現狀

經過對我國日加工能力100t以下的企業、日加工能力100〜200t的企業、日加工能力200~400t的企業、日加工能力400-1000t的企業、日加工能力1000t以上的企業包裝、碼垛方式的調研,其形式主要有以下幾種。①人工搬運；②手推車推送;③利用輔助包裝平台的人工碼垛;④利用皮帶輸送機輔助輸送的人匸碼垛;⑤橋式碼垛機;⑥機械手及托盤叉車配合碼垛;⑦全自動包裝秤包裝、自動封口及機械手碼垛。

人工搬運碼垛形式是最原始的、最不安全的碼垛形式，需要大量的勞動力，並且在碼垛過程中容易出現安全事故，造成生產和生命的損失。隨著社會的發展和科技的進步，人們發明了小推車，碼垛形式產生了革命性的創新，從此碼垛由人工的平動模式進步到轉動模式，這樣大大解放了勞動力，也提高了工業生產的效率。隨著米廠生產能力的增加，對碼垛能力的需求也提岀了新的要求，人們為了解決這個問題就利用輔助平台進行人工碼垛，這在當時的確解決了碼垛能力的問題，但並沒有從根本上解決碼垛能力低下的問題。隨著科技的進步和碼垛生產能力需求的增加，開始逐漸在大米加工廠岀現了皮帶輸送機輔助輸送的人工碼垛和橋式碼垛機，這才從根本上開辟碼垛的新時代，機械裝置代替部分人力，這樣大大地提高了碼垛的速度和能力，同時也為大米行業的生產向大型化、規模化和集團化發展奠定了基礎。

大米加工企業的發展、勞動力成本、能源消耗已成為推動機械手、托盤叉車配合碼垛和全自動包裝秤包裝、自動封口及機械手碼垛發展的重要力量。

大米企業發展方麵，經過這些年的發展，大米生產在中國已經成為微利行業。加入WT。以後，中國大米生產企業在國內就麵臨著國際競爭，國外的大米生產企業具有豐富的生產管理經驗和技術優勢.並且經曆了市場競爭的充分洗禮，國內企業雖然走岀了一條成功的發展道路，但是在和國際上大規模的大米生產商進行競爭時還是有很多的欠缺。走規模化經營以獲得生存和發展無疑是國內大米生產企業的一種必然的選擇，這也是大米機械製造商必須考慮的問題。

勞動力成本方麵，中國人民大學宏觀經濟研究所副所長包明華認為，我國經濟過熱導致勞動力成本增加，而工業勞動力成本是與農業生產收入相聯係的，過去，大量農村富餘的廉價勞動力湧入城市，由於我國的這種第一產業與二、三產業之間巨大的收入差異，使我國在工業化和城市化建設中，能保持較長時間的低成本優勢,特別是在製造業方麵，勞動力成本遠遠低於發達國家水平。經過農業結構調整，農業逐步向生產質量高、有利於出口的髙附加值的產品轉變，農民收入相應增加。包明華說:“現在，農村的城鎮化、城市化以及國家對農業發展的保護、刺激措施，使得務農收入提高，所以農村剩餘勞動力減少，勞動成本相應就有所增加。”清華大學經濟管理學院教授華如興判斷“中國的勞動力價格優勢將在5~8年之後消失。”這也印證了德國紐倫堡調査研究中心所分析出的結果——中國勞動力價格優勢起碼還能持續3~5年。雖然華如興給出的年限推遲了一些,但其觀點的本質沒變，中國的勞動力優勢正悄悄離我們遠去。

能源方麵，ABB公司機械手工業消費部門的經理RichardTallian也認為，“我注意到行業內非常關注貨物倉儲和分銷,並且這種關注仍在延伸。我們為降低能源成本和包裝材料成本付出了大量的努力，特別是非常注重降低托盤、紙箱用紙板和收縮薄膜的能源和包裝成本。環保因素還將繼續對包裝和托盤堆垛卸垛機械手的發展產生深遠的影響”。高位的能源成本將改變包裝和托盤堆垛卸垛行業的本質，而機械手的應用有利於平穩地實現這種變革。

2機械手碼垛在大米加工廠的應用

近年來,機械手碼垛技術發展甚為迅猛.這種發展趨勢是和當今大米加工廠的大型化、規模化和集團化發展趨勢相適應的。物料被定量包裝成袋後，如何能有效地將料袋高速、規則地碼成垛，越來越成為滿足大批量生產，合理利用庫存空間的迫切需要，所以料袋碼垛機的高效、可靠運轉就成了生產正常運行的基本保證。機械手碼垛機以其柔性T.作能力和小的占地麵積，能夠同時處理多種物料和碼垛多個料垛.愈來愈受到廣大用戶的青睞並迅速占據碼垛市場。

2.1機械手碼垛機的原理⑵

機械手碼垛機是由轉位機、編組機、碼垛機械手、托盤倉、碼垛平台、垛盤輸送機等幾個重要部分組成。其工作原理如圖1所示。

當料袋由緩停輸送機送到轉位機後，轉位機根據轉位要求將料袋轉過0°或90°,然後將料袋送到編組機，由編組機將料袋按縱向3袋、或橫向2袋這兩種形式進行編組，編組後的料袋經碼垛機械手在碼垛平台上按5袋/層進行整形及碼垛，當碼完層後由垛盤輸送機輸送到叉車工作位置，最後由叉車運至倉庫。

例如機械手碼垛機可以釆用西門子ES7-226PLC進行控製，用西門子觸摸屏對畫麵進行組態，通過和PLC的數據通訊，來控製和顯示碼垛自動循環全過程。

電氣控製係統有以下特點：當碼垛機用於包裝、碼垛生產時，可用其自動控製係統根據需要使其處於“自動”或“手動”狀態。當設備出現電機過載、出垛積壓、夾包、空托盤不到位等任何一種故障時，碼垛機將停機或聲光報警，具有自動化保護功能。消除異常後，能重新在原停機狀態下恢複運行。當碼垛機停機、停電時，可由PLC保持原運行狀態，避免重複記憶。

2.2機械手碼垛機的分類

根據機械結構的不同，機械手碼垛機包括如下3種形式:笛卡耳式、旋轉關節式和龍門起重架式。

笛卡耳式機械手碼垛機主要由4部分組成：立柱、X向臂、丫向臂和抓手，以4個自由度（包括3個移動關節和1個旋轉關節）完成對物料的碼垛。這種形式的碼垛機構造簡單,機體剛性較強，可搬重量較大，適用於較重物料的碼垛。

旋轉關節式機械手碼垛機繞機身旋轉，包括4個旋轉關節：腰關節、肩關節、肘關節和腕關節。這種形式的碼垛機是通過示教的方式實現編程的，即操作員手持示教盒，控製機械手按規定的動作而運動，於是運動過程便存儲在存儲器中，以後自動運行時可以再現這一運動過程。這種機械手機身小而動作範圍大,可同時進行一個或幾個托盤的同時碼垛，能夠靈活機動地對應進行多種產品生產線的工作。

通過將機械手手臂裝在龍門起重架上形成了龍門架式機械手碼垛機，這種碼垛機具有較大的工作範圍，能夠抓取較重的物料。

2.3機械手碼垛機的特點

機械手碼垛機的特點主要表現在：

（1）結構簡單、零部件少。因此零部件的故障率低，性能可靠,保養維修簡單,所需庫存零部件少。

（2）占地麵積少。有利於客戶廠房中生產線的布置,並可留出較大的庫房麵積。碼垛機械手可以設置在狹窄的空間，即可有效的使用。

（3）自動化水平高⑴。從進袋、轉向、編碼直到碼垛全過程，可實現全自動連續運行。該機除具有正常開停車功能外，同時還具有自診、報警、打印、通信、故障連鎖等功能，並留有與中央控製室通信的軟件和接口。

（4）操作運行平穩可靠⑴。釆用低慣量、大功率運行方法,使操作運行平穩可靠，性能良好，並可提高設備元器件的使用壽命。控製係統主要元件與敏感元件采用日本。MRON和FUJI公司產品，氣動係統主要元件采用日本SMC產品。

（5）適用性強。當客戶產品的尺寸、體積、形狀及托盤的外形尺寸發生變化時隻需在觸摸屏上稍做修改即可，不會影響客戶的正常生產。而機械式碼垛機的更改相當麻煩甚至是無法實現的。

（6）能耗低。通常機械式碼垛機的功率在26kW左右，而碼垛機械手的功率為5kW左右。大大降低了客戶的運行成本。

（7）全部控製可在控製櫃屏幕上操作，操作非常簡單。

（8）隻需定位抓起點和擺放點，教示方法簡單易懂。

2.4機械手碼垛機在大米加工廠應用的優勢

2.4.1機械手碼垛機與人力碼垛相比在大米加工企業中的應用優勢

現在整個大米加工企業碼垛勞動力的現狀是勞動力成本比較高，搬運人工費以每年5%的速率遞增；大多數大米企業搬運工的年齡平均在40歲以上，麵臨著搬運人員年齡老化的問題;80後、90後一代人更不願意從事這樣高強度、簡單重複性工作，更加凸顯了大米行業勞動力缺乏的問題。機械手碼垛技術不僅可以改善勞動條件、節約能源、提高勞動生產率,還可以降低人工成本（見表1）

2.4.2機械手碼垛機與機械式碼垛機相比在大米加工企業中的應用的優勢

機械手碼垛機與高低位機械式碼垛機相比具有較大的優勢，從結構上看，機械手碼垛機具有結構簡單，零部件少，故障率低，性能可靠，保養維修簡單等優點。從建造的角度上看，機械手碼垛機占地麵積少，有利於客戶廠房中生產線的布置，並可留出較大的庫房麵積。從使用性的角度看，可根據客戶產品的尺寸、體積、形狀及托盤的外形尺寸發生變化時隻需在觸摸屏上稍做修改即可，不會影響客戶的正常生產，而機械式的碼垛機更改相當麻煩甚至無法實現。能耗方麵，機械式碼垛機的功率在26kW左右，而機械手碼垛機的功率為5kW左右。大大降低了運行成本。同時機械手碼垛機還具有操作非常簡單、簡單易學、安裝方便等優點，幾乎在現有任何大米加工廠均可進行改造升級。

3機械手碼垛技術的發展與展望

3.1滑托板或碼成立方體代替托板垛

一個古老的趨勢正在複興：用滑托板產品垛或碼成立方體的產品垛來代替托板作為一種傳統的碼垛方法。這使得國際之間的貨運不再因為托板而占用更多的空間。同時也節省了托板的成本。

3.2碼垛機的改進

這些新的包裝趨勢導致很多傳統自動碼垛方法需要重新審視和改變。此外，這也令碼垛機變得更為模塊化，一係列的模塊可以加到碼垛機上以適應所生產產品的需求。

3.3塑料輸送帶代替托舞輸送機

Intralox和其他生產廠家已經率先使用了塑料帶或“墊麵”輸送機來解決上述挑戰,墊麵代替了傳統的托相。墊麵輸送機作為碼好的垛的輸送麵，對於碼成立方體的產品垛或隻用滑托板的垛來說也是理想的。它不但為產品垛提供一個完全平坦的表麵，而且因為頭部和尾部的齒鏈較小，輸送機之間可以靠得非常近，從而將縫隙縮到最小。

3.4輕柔的處理理念

核心的理念包括產品到達後減速和啟動時加速，以及產品改換方向時的平穩過渡。輕柔的處理理念還包括一些機械問題和電子控製問題。機械方麵的主要問題是：當使用碰撞旋轉器和停止板使氣缸處於氣墊運動狀態時，機械轉換點也發生改變以允許在各段之間的平滑流動。從電子控製的角度來說，在主發動機上使用變頻驅動能夠更好地控製產品的加速和減速。

轉動袋子的時候需要特別小心，需要輕柔的轉動或釆用差壓輻旋轉器。要造成碼垛層式樣就需要轉動袋子。傳統的方法是碰撞旋轉。袋子進入到一塊板上，這塊板延伸到袋子傳送的路徑，包裝的角接觸到板，托輻推動包裝的後部轉動'90\

輕柔的轉動或差壓輻旋轉器使用變頻驅動成套反向托輻。一個袋子居中位於反向托輻上，一邊比反向的那邊駆動得更快。最簡單的操作是在一個區內完成。一邊的托編由變頻驅動，另一邊的是固定的驅動器。袋子進入輸送帶的中間區域，袋子的一半是由變頻驅動的托轆支撐，另一半則由固定速度的托棍支撐。如果不需要轉動袋子，那麽變速驅動的一邊就會配合定速驅動的那邊，從而使袋子的方向保持不變。如果需要轉動袋子，變速驅動的這一邊就會加速，使袋子的一邊圍繞速度更快的托根方向旋轉。箱子旋轉90°後，兩邊的速度再次保持一致，袋子的方向也保持恒定。

更先進的技術設計能夠滿足更高產量的要求。通過在兩邊增加變速驅動，箱子可以順時針旋轉90°,逆時針旋轉90°和180°,容許產品垛上的袋子和標簽定位。

4結論

碼垛機具有操作簡單、故障率低、能耗低、升級改造方便等優點。在大米加工企業中，碼垛機被用於成品庫堆包和原料庫堆包及上車等工序。碼垛機在正常運行時,進包、轉包、排包、推包、編碼、卸包、空托盤輸入、承載托盤輸岀等工序均按設定的程序進行，並有顯示信號，操作人員僅做監護即可。由於釆用了旋轉機構、雙向開啟的卸包台及自動對中等機構,垛層編碼合理、包裝袋封口朝裏，使垛形四周整齊,具有較高的碼垛質量。

機械手碼垛技術不僅可以改善勞動條件、節約能源、提高勞動生產率，還訂以降低人工成本，節省碼垛成本和管理成本，使倉庫堆包現場井然有序，提升了企業形象。近年來，機械手碼垛技術發展甚為迅猛，這種發展趨勢是和當今大米加工廠的大型化、規模化和集團化發展趨勢相適應的。

綜上所述，隨著當今勞動力市場人員的緊缺，人力成本的逐漸增高，不可預見的勞動風險，大米加工廠會逐漸走向自動化生產，而機械手碼垛逐漸代替人工搬運也是必然趨勢。

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