Паллетирование: что это и как роботизировать укладку грузов на поддоны

Паллетированием заканчивается производственная или складская линия. Штучные грузы укладывают на поддон рядами и слоями по схеме укладки, а затем скрепляют. Получается транспортный пакет. Его перевозят железнодорожным, автомобильным и водным транспортом и хранят в стеллажах и штабелях как одну единицу.

Слово образовано от «пал(л)ета»: так в профессиональной речи называют поддон, на котором грузы перевозят пакетами. Разнобой в написании идёт от языков-источников: англ. pallet, нем. Palette, фр. palette.

В нормативной терминологии эта операция называется пакетированием. ГОСТ 21391-84 (англоязычное название «Means for the palletization») введён с 1 января 1986 года. Пакетирование он определяет так: грузы формируют и скрепляют в укрупнённую грузовую единицу, она сохраняет их целостность при доставке и позволяет механизировать погрузочно-разгрузочные и складские работы. Слово «пакетизация» тот же стандарт считает недопустимым синонимом. Среди средств пакетирования ГОСТ 26663-85 называет плоские и специализированные поддоны, подкладки и бруски. Паллетирование поэтому входит в пакетирование как частный случай: основанием пакета служит поддон.

Чтобы паллетировать груз, решают три задачи: выбирают поддон и схему укладки, укладывают груз без повреждений в заданной геометрии и закрепляют пакет так, чтобы он выдержал перевозку. Для последней ГОСТ 26663-85 называет конкретную величину: сформированный пакет должен оставаться целым при инерционных нагрузках с ускорением 3g.

Словарь и отрасль здесь расходятся. Академический «Русский орфографический словарь» с 2005 года фиксирует существительное «палета» с одной «л». В отрасли же чаще удваивают согласную, и в самом слове, и в производных: «паллетирование», «паллетайзер», «паллетообмотчик».

О. Е. Иванова в заметке на орфографическом ресурсе «Академос» Института русского языка им. В. В. Виноградова РАН пишет, что как термин это слово, насколько ей известно, в государственных и межгосударственных стандартах не закреплено: стандарты предписывают слово «поддон». Специалисты-орфографы, по её словам, считают, что лингвистических оснований менять нормативное написание на «паллета» пока недостаточно. В ГОСТ 21391-84 слово «палета» стоит с пометой «Ндп.», то есть числится недопустимым синонимом термина «поддон». Энциклопедия «АзатРоботикс» пишет «паллетирование», как принято в отрасли. В цитатах остаётся написание источника, например «депалетизация» у «Яндекс Роботикс».

Открытые источники не называют единой даты, когда появился первый робот-паллетайзер. Производители приводят собственные вехи. Японская Fuji Yusoki Kogyo, основанная в 1944 году, по собственным данным выпустила первый роботизированный паллетайзер в 1982 году, а её установленная база превышает 16 000 систем. FANUC сообщает, что была одним из первых поставщиков, которые разработали серию роботов специально для паллетирования. Сегодня отдельные серии роботов-паллетайзеров выпускают многие производители промышленных роботов.

Геометрию пакета и его допустимую массу задаёт поддон. Для плоских деревянных поддонов в России действует межгосударственный ГОСТ 33757-2016: его ввели с 1 мая 2017 года взамен ГОСТ 9078-84 и ГОСТ 9557-87. Стандарт распространяется на поддоны, на которых формируют транспортные пакеты и которые используют в механизированных погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских операциях.

Габаритная длина поддона составляет 1200, 1600 или 1800 мм, ширина 800, 1000 или 1200 мм, высота 100, 150 или 180 мм, а отклоняться от габаритов поддон может не более чем на ±5 мм. Стандарт различает однонастильные и двухнастильные, двух- и четырёхзаходные поддоны (типы П2, П4, 2П2, 2П4, 2ПО4, 2ПВ2). Поддоны 1200 × 800 и 1200 × 1000 мм предназначены для всех видов транспорта внутри страны, внешнеторговых перевозок и складских операций. Для линии важен и тип поддона: от числа заходов зависит, с каких сторон в него можно ввести вилочный захват. По ГОСТ 21391-84 вилочный захват вводят в двухзаходный поддон только с двух противоположных сторон, а в четырёхзаходный можно ввести с любой из четырёх.

Программа укладки берёт эти значения как исходные данные. Допустимая масса брутто ограничивает число слоёв и массу пакета, а от допуска на габариты зависит, насколько точно система должна находить положение поддона. Параметры и размеры самих пакетов ГОСТ 26663-85 отсылает к ГОСТ 24597.

На автоматизированном участке паллетирования обычно выстраивается цепочка операций. Конвейер подаёт продукцию, единицы ориентируют, собирают в ряд или слой и укладывают на поддон по схеме. Затем меняют поддон: заполненный выводят, пустой подают. Пакет скрепляют, паллету маркируют и затем отправляют на склад.

Пример: фасовка красок Sun Chemical

IFR описывает участок фасовки печатных красок Sun Chemical во Франкфурте-на-Майне. Готовую краску разливают в вёдра по 3 кг, запечатывают и автоматически этикетируют. Дальше робот Kawasaki RD080N с вакуумным захватом переносит вёдра на поддон: 8–10 вёдер в минуту, до 12 000 кг краски в сутки. Когда поддон заполнен, сотрудник выводит его по роликовому конвейеру на обмотку плёнкой и ставит пустой, и робот сразу продолжает работу. Ячейку заказали в апреле 2019 года, а в эксплуатацию ввели в октябре того же года.

Кроме производительности, проект решал и эргономическую задачу: сотрудникам было тяжело вручную перемещать вёдра и поддоны. Слабым местом оказалась смена поддона. Пока полный поддон не убран, ячейка стоит, и в отдельных случаях простой доходил до 30–40 минут. Поэтому следующую ячейку компания планировала с двумя параллельными подачами и двухъярусным паллетайзером (double-deck palletizer), чтобы робот продолжал укладку и при заполненном поддоне; ввести её собирались в конце 2020 года.

Паллетайзером называют машину, которая сама укладывает груз на поддон. Для паллетирования выпускают слоевые паллетайзеры, в том числе низкоуровневые, шарнирных роботов-паллетайзеров, портальных роботов и коллаборативных роботов.

Паспортную производительность разных типов напрямую не сравнивают. Производители указывают её в разных единицах (мешках в час, циклах в час при заданной массе груза, единицах груза в минуту) и при разных условиях. Робота-паллетайзера и портальный паллетайзер сравнивает статья «Робот-паллетайзер или портальный паллетайзер».

Специализированные роботы-паллетайзеры из примеров этой статьи устроены как четырёхосевые или пятиосевые шарнирные манипуляторы. Четыре оси у ABB IRB 460, у моделей серии ESTUN для паллетирования и у FANUC M-410iB/700. Серию FANUC M-410 выпускают в четырёх- и пятиосевом исполнении с кинематикой параллельного звена. У Kawasaki RD080N пять осей.

Серийные модели берут груз массой в десятки и сотни килограммов. Серия FANUC M-410 рассчитана на коробки, мешки и даже бетонные плиты массой до 700 кг. Четырёхосевые модели ESTUN для паллетирования поднимают 60–180 кг при вылете 2000–3100 мм.

Захваты

Захват подбирают под тару. Вёдра в ячейке Sun Chemical, например, переносит вакуумный захват. Под мешки ставят захваты-«клешни»: ABB комплектует IRB 460 захватом FlexGripper Claw, чтобы паллетировать мешки.

Программное обеспечение

Производители поставляют ПО, которое рассчитывает схемы укладки и проверяет ячейку, не останавливая линию. В ABB RobotStudio с Palletizing PowerPac систему паллетирования конфигурируют, а не программируют; производитель заявляет, что время программирования сокращается до 80%. В FANUC PalletPRO приложение паллетирования собирают, отлаживают и тестируют полностью офлайн.

Робот-паллетайзер работает в составе роботизированной ячейки. В неё входят подающий конвейер, одна или несколько позиций поддона, подача пустых поддонов, вывод заполненных и средства защиты. От числа позиций зависит, простаивает ли робот, пока меняют поддон: в ячейке Sun Chemical укладка стоит, пока сотрудник не уберёт полный поддон.

Ячейку с промышленным роботом защищают внешними средствами: IFR перечисляет лазерные сканеры, блокируемые защитные двери и защитные коврики. Требования безопасности при интеграции роботизированных систем задаёт ГОСТ Р 60.1.2.2-2016, и они касаются проектирования, установки и обслуживания.

Коботы работают рядом с человеком, потому что функции безопасности встроены в них самих. IFR относит паллетирование на конце линии к типичным задачам коботов наряду со сваркой, обслуживанием станков и bin picking, прежде всего там, где серии мелкие, а номенклатура широкая. В 2023 году коботы составили 10,5% установленных в мире промышленных роботов.

UR20, например, поднимает 20 кг (25 кг в расширенном режиме) при вылете 1750 мм, и производитель предлагает эту модель в том числе для паллетирования в пищевой промышленности. В России требования к роботизированным комплексам, где оператор работает вместе с роботом, устанавливает ГОСТ Р 60.1.2.3-2021, дополняя требования ИСО 10218-1 и ИСО 10218-2.

Для тяжёлых грузов и высоких темпов IFR указывает другой путь: промышленных роботов с внешними средствами защиты, которым не приходится жертвовать скоростью и грузоподъёмностью. Как выбрать между подходами, разбирает статья «Отличие кобота от промышленного робота».

Короба

Короба, ящики и групповую упаковку укладывают рядами и слоями. Серия FANUC M-410, например, рассчитана в том числе на коробки. ГОСТ 33757-2016 допускает на поддоне 1200 × 800 мм до 1250 кг брутто, если ящики не скреплены между собой, а на поддоне 1200 × 1000 мм до 1350 кг, если скреплены. Отраслевые варианты: паллетирование в пищевой промышленности и в фармацевтике.

Мешки

Мешки с сыпучими продуктами берут захватами-«клешнями». ABB предлагает для этой задачи связку IRB 460 и захвата FlexGripper Claw, FANUC называет мешки среди типовых грузов серии M-410. Большие однородные потоки отдают слоевым машинам: Möllers заявляет для слоевого паллетайзера стройматериалов до 5000 мешков в час. На поддоне 1200 × 800 мм масса брутто пакета из мешков по ГОСТ 33757-2016 не должна превышать 1000 кг.

Депаллетирование идёт в обратную сторону: пакет разбирают, а единицы груза подают на производственную линию, в упаковку или в складскую систему. Однородный пакет с известной схемой робот разбирает по программе. Для смешанных паллет с разными коробками применяют машинное зрение: камера находит, где лежит каждая единица.

«Яндекс Роботикс», например, предлагает депалетайзер с роборукой и искусственным интеллектом для миксованных и немиксованных палет. По заявлению производителя, он делает 300–450 циклов в час и не требует перенастройки на новый ассортимент. На складе «Лемана ПРО» такой депалетайзер с компьютерным зрением работает на одной из восьми станций, и станция выдаёт до 300+ коробов в час.

Смежные темы: «Депаллетирование», «Депаллетайзер», bin picking.

После укладки пакет скрепляют, чтобы он не рассыпался в пути: ГОСТ 26663-85 требует, чтобы сформированный пакет выдерживал инерционные нагрузки с ускорением 3g. Пакет обматывают стретч-плёнкой, в том числе с помощью самоходных роботов-обмотчиков, или надевают на него стретч-колпак.

Самоходный обмотчик Robopac Robot S7 рассчитан на паллетированные грузы любой формы, размера и массы. Одного заряда свинцово-кислотной батареи 110 А·ч ему хватает больше чем на 250 паллет, а в базовом исполнении он обматывает груз высотой до 2200 мм. Предварительное растяжение плёнки обмотчик регулирует: каретка PVS задаёт его от 0 до 500%. Производитель связывает точное управление плёнкой с наименьшим расходом плёнки и энергии. У Möllers есть машина PHS, которая объединяет низкоуровневый паллетайзер и автомат, надевающий стретч-колпак.

Об этих операциях подробнее рассказывают статьи «Паллетообмотка» и «Паллетообмотчик». За скреплением следует стикеровка паллет.

Паллетировать приходится везде, где продукция уходит на склад или к покупателю на поддонах. По данным IFR, в 2024 году в мире установили 542 076 промышленных роботов, и на пищевую промышленность с производством напитков из них пришлось 4%. НАУРР со ссылкой на Росстат пишет, что в 2024 году на пищевых производствах России работал 3751 робот (промышленные и логистические). По оценке НАУРР, роботы в пищевой отрасли в основном перемещают изделия (79% операций) и паллетируют (63% операций).

Выбор начинают с продукта и потока: сколько весит единица и в какой таре идёт, сколько артикулов и как часто перенастраивают линию, какой нужен темп, какие площадь и высота помещения, будут ли рядом работать люди. Таблица ниже сводит типовые ориентиры из открытых данных производителей.

Паллетирование регулируют две группы документов: стандарты на пакет и поддон и стандарты безопасности робототехнических систем. ГОСТ 33757-2016 отсылает к ГОСТ ISO 445-2013 с терминами для поддонов и к ГОСТ ISO 8611-3-2014, посвящённому максимальным рабочим нагрузкам плоских поддонов.

ГОСТ Р 60.1.2.2-2016/ИСО 10218-2:2011 введён с 1 января 2018 года. Он задаёт требования безопасности при интеграции промышленных роботов и робототехнических систем: при проектировании, установке, обслуживании и выводе из эксплуатации. Если человек работает в ячейке рядом с роботом, действует ГОСТ Р 60.1.2.3-2021, введённый 1 ноября 2021 года. Как это выглядит на практике, показывает страница «Ограждения роботизированных ячеек».

В источниках этой статьи нет открытых цен с полным составом поставки, которые можно было бы сравнить, поэтому здесь перечислены статьи затрат. В бюджет ячейки входят робот с контроллером, захват под конкретную тару, подающие конвейеры и устройства, которые ориентируют продукцию, позиции и магазин поддонов. Туда же относятся средства безопасности (ограждения, сканеры, блокировки; требования к интеграции ячейки задаёт ГОСТ Р 60.1.2.2-2016), ПО для схем укладки, проектирование, монтаж, пусконаладка и обучение персонала. Если в поставку входят обмотка и маркировка, добавляются паллетообмотчик и принтер-аппликатор этикеток.

Окупаемость зависит от загрузки. Мануэль Краузе, руководитель по инжинирингу и обслуживанию Sun Chemical в Германии, формулирует это так: при двух сменах роботизация окупается, при трёх она обязательна. Ячейка Sun Chemical при этом работает на 50–80% максимальной мощности, так что запас под рост объёмов у неё остаётся.

• Очень высокие потоки однородного продукта. На большие потоки рассчитаны механические слоевые паллетайзеры: Möllers указывает для слоевой машины до 5000 мешков в час. Паспортные показатели роботов и слоевых машин приводят в разных единицах, поэтому выбор делают по расчёту конкретной линии.
• Помещение. Ячейка занимает площадь, и её нужно ограждать. В проекте Sun Chemical проектировщикам пришлось учитывать ограниченное пространство старого здания, местами неровный пол и низкий потолок.
• Смена поддона. Если свободной позиции для поддона нет, ячейка стоит, пока полный поддон не убран; в Sun Chemical такой простой в отдельных случаях доходил до 30–40 минут. Без второй позиции или автоматического вывода поддона робот не выйдет на заявленную производительность.
• Качество поддонов. Стандарт допускает отклонение габаритов поддона до ±5 мм, а повреждённые или нестандартные поддоны приходится проверять на входе в ячейку.
• Ограничения коботов. Грузоподъёмность у коботов ограничена: у UR20 это 20–25 кг. Для тяжёлых грузов и высоких темпов IFR указывает промышленных роботов с внешними средствами защиты.
• Смешанные паллеты. Схема укладки, записанная в программе, здесь не работает: паллеты с разнородными коробками разбирают с помощью машинного зрения.
• Роботизация не заменяет скрепление. Пакет должен оставаться целым при ускорении 3g, поэтому обмотку или колпак предусматривают при любом способе укладки.