工業機器人碼垛系統分析

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【摘要】工業機器人在碼垛生產線中的應用能大大提高生產效率。以碼垛對象出發，說明了碼垛系統的設計方法。主要包括碼垛工具的設計，機器人的選型方法，以及碼垛程序的編寫等內容。

【關鍵詞】機器人；碼垛；工具

在白色家電、食品加工等行業，需要對包裝好的產品進行碼垛作業。工人將單個包裝好的產品按照一定的垛型堆疊起來，方便下一步的叉車的運輸作業。這樣的工作對員工的體力要求高，并且具有一定的危險性。現在越來越多的企業開始使用工業機器人來進行碼垛作業。使用了工業機器人以后，生產效率可以得到極大的提高。

1碼垛工具設計

1.1什么是機器人的工具

工業機器人要完成不同的工作任務，需要安裝對應的工具。比如說焊接作業，會使用焊槍工具；噴涂作業會使用噴槍；搬運作業會使用夾爪。即使對于同種作業來說，由于工作對象的復雜度，工作環境的多樣性，很難有一款工具能夠勝任所有的工作需要。一般來說都需要更具實際情況進行工具的設計。

1.2工具的設計思路

碼垛作業的具體工作過程就是把產品從輸送線搬運到碼垛盤。設計工具的時候必須要分析產品的形狀、大小、重量、材質等因素。另外，碼垛方式也是工具設計的重要依據。下面對碼垛的對象進行具體的分析。在碼垛作業中最常見的是盒裝和袋裝兩種包裝形式。比如說，家用電器一般都是長方體的包裝盒，內部有填充的緩沖物，搬運時一般不會變形，比較容易搬運。而大米、化肥等，一般都是使用袋裝包裝。袋裝品在搬運時非常容易變形，搬運難度較大。針對這兩種情況，我們需要設計不同的碼垛工具。首先要知道工具的一些分類。其中按照抓取產品的方式來分，可以有夾爪式和吸盤式兩種。而夾爪式可以使用電動夾爪或者氣動夾爪。吸盤式也可以使用真空吸盤或者電磁吸盤。它們各有優缺點。盒裝產品：由于包裝盒表面光滑，材質較硬，不易變形，所以適合用氣動式的吸盤工具。對于重量較大的產品，可以使用吸盤組的形式來增加工具的吸附能力。對于表面積大，厚度小的扁平狀包裝盒使用這種方式是最為合適的，比如平板電視。對于一些接近于立方體，重量又很大的包裝盒，使用這種方式可能會不穩定。由于包裝盒厚度較大，導致包裝盒的重心距離吸盤遠，在搬運的運動過程中，可能會導致部分吸盤和包裝盒的接觸處分離。對于這類產品，使用夾爪式的工具能夠起到更好的抓取效果。將夾爪設計為平板式，增加和包裝盒的接觸面積，可以穩定的進行產品的搬運。在有些生產線上，需要一次性搬運多個包裝盒，大多數都會使用這種解決方式。袋裝產品：比如大米，面粉等，由于包裝物為粉末或顆粒，包裝袋容易形變。如果使用吸盤式的工具，基本無法完成吸附功能。所以一般都會采用夾爪式的工具。

1.3設計工具的主要因素

總體來說，工具一定要根據碼垛對象的特點來設計。主要包括工具的構型，驅動方式，材質等。除此以外還要考慮到一些輔助器件的安裝接口，比如傳感器，氣路，線纜等。

2工業機器人選型

2.1碼垛機器人的主要參數

負載能力：對于碼垛作業來說，首要考慮的肯定是機器人的負載能力。目前來說機器人的負載能力從3千克到1300千克范圍內都有。在選擇負載能力的時候，碼垛對象的重量是顯而易見的。而另外一個重要的因素是碼垛工具的重量。對于機器人來說，它所安裝的工具也是一種負載。工作空間：機器人的工作空間是指，機器人的末端所能到達的位置的集合。每一臺機器人的說明書中都會有工作空間的描述，但是這個工作空間是指機器人手臂末端所能到達了位置。在實際生產中，機器人手臂末端安裝著工具，工具上還抓取著工件。需要綜合考慮生產線的布局，工具和工件的構型，碼垛的垛型等因素，才能確定機器人的工作空間。

2.2碼垛機器人

所有的工業機器人品牌，都會有針對碼垛的專門型號機器人。這些機器人的硬件和軟件都會有特殊的設計。對于機器人的本體設計更注重穩定性，在構型上預留了線纜的安裝接口等。軟件算法上針對重負載情況做了優化，提高運行的穩定性。操作系統中都會增加碼垛功能模塊，如果使用廠家配套的碼垛工具，還可以快速方便的對垛型、速度等參數進行設置。

3碼垛控制系統設計

3.1系統功能分析

在設計控制程序之前，必須要對碼垛的流程進行全面的分析。以一個最常見的包裝箱碼垛任務為例。送貨傳送帶將工件運送到待運位置，機器人將工具運行到取工件位置，然后工具動作抓取工件，機器人將工件按照垛型放置到垛盤上，完成一次垛型以后輸送帶將垛盤運走。進入下一個工作循環。

3.2系統信號分析

系統中送料傳送帶上需要有工件到位信號。只要等到這個信號，傳送帶停止運行，同時通知機器人前來取工件。工件取走以后信號恢復，傳送帶運行。機器人等待工件到位信號，等到信號有效時，運行到取工件位置，取走工件并將工件擺放到垛盤上。然后重復工作，直到完成一次堆垛任務，將完成信號發送給垛盤的傳動帶。等待垛盤運走信號，開始進行一下個垛型的堆疊工作。托盤傳送帶一般處于停止狀態。等到機器人的碼垛完成信號以后，將垛盤運走，然后發送信號給機器人，告訴機器人可以開始進行下一個垛型的堆疊工作。

3.3程序程序設計

碼垛程序的復雜度不高，主要包括和外部設備的通信以及垛型計算兩部分。其中控制通信部分使用WaitDi指令來等待傳送帶的信號。當等到傳送帶的工件到位信號以后調用碼垛程序，完成碼垛程序以后，再使用set指令，控制輸出信號，控制托盤傳送帶將垛堆運走。碼垛程序中使用while循環指令來實現循環搬運工件程序。在循環中使用if指令判斷當前工件的擺放位置，然后控制機器人將工件放置到垛盤上。

4總結

本文對工業機器人碼垛系統中的主要環節進行了分析。最后再次強調工具的設計是碼垛任務中的重中之重。工具實際直接影響到碼垛生產線的布局，機器人的選型，程序的編寫等方面。

參考文獻

[1]程啟良.碼垛機器人在工業生產中的應用研究綜述[J].機電技術,2016(2):135-138.

[2]張業鵬.基于PLC與工業機器人的全自動化碼垛系統設計[J].制造業自動化,2015,37(11):108-110.

作者：朱巍峰 單位：蘇州工業職業技術學院