工业机器人码垛系统分析

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【摘要】工业机器人在码垛生产线中的应用能大大提高生产效率。以码垛对象出发，说明了码垛系统的设计方法。主要包括码垛工具的设计，机器人的选型方法，以及码垛程序的编写等内容。

【关键词】机器人；码垛；工具

在白色家电、食品加工等行业，需要对包装好的产品进行码垛作业。工人将单个包装好的产品按照一定的垛型堆叠起来，方便下一步的叉车的运输作业。这样的工作对员工的体力要求高，并且具有一定的危险性。现在越来越多的企业开始使用工业机器人来进行码垛作业。使用了工业机器人以后，生产效率可以得到极大的提高。

1码垛工具设计

1.1什么是机器人的工具

工业机器人要完成不同的工作任务，需要安装对应的工具。比如说焊接作业，会使用焊枪工具；喷涂作业会使用喷枪；搬运作业会使用夹爪。即使对于同种作业来说，由于工作对象的复杂度，工作环境的多样性，很难有一款工具能够胜任所有的工作需要。一般来说都需要更具实际情况进行工具的设计。

1.2工具的设计思路

码垛作业的具体工作过程就是把产品从输送线搬运到码垛盘。设计工具的时候必须要分析产品的形状、大小、重量、材质等因素。另外，码垛方式也是工具设计的重要依据。下面对码垛的对象进行具体的分析。在码垛作业中最常见的是盒装和袋装两种包装形式。比如说，家用电器一般都是长方体的包装盒，内部有填充的缓冲物，搬运时一般不会变形，比较容易搬运。而大米、化肥等，一般都是使用袋装包装。袋装品在搬运时非常容易变形，搬运难度较大。针对这两种情况，我们需要设计不同的码垛工具。首先要知道工具的一些分类。其中按照抓取产品的方式来分，可以有夹爪式和吸盘式两种。而夹爪式可以使用电动夹爪或者气动夹爪。吸盘式也可以使用真空吸盘或者电磁吸盘。它们各有优缺点。盒装产品：由于包装盒表面光滑，材质较硬，不易变形，所以适合用气动式的吸盘工具。对于重量较大的产品，可以使用吸盘组的形式来增加工具的吸附能力。对于表面积大，厚度小的扁平状包装盒使用这种方式是最为合适的，比如平板电视。对于一些接近于立方体，重量又很大的包装盒，使用这种方式可能会不稳定。由于包装盒厚度较大，导致包装盒的重心距离吸盘远，在搬运的运动过程中，可能会导致部分吸盘和包装盒的接触处分离。对于这类产品，使用夹爪式的工具能够起到更好的抓取效果。将夹爪设计为平板式，增加和包装盒的接触面积，可以稳定的进行产品的搬运。在有些生产线上，需要一次性搬运多个包装盒，大多数都会使用这种解决方式。袋装产品：比如大米，面粉等，由于包装物为粉末或颗粒，包装袋容易形变。如果使用吸盘式的工具，基本无法完成吸附功能。所以一般都会采用夹爪式的工具。

1.3设计工具的主要因素

总体来说，工具一定要根据码垛对象的特点来设计。主要包括工具的构型，驱动方式，材质等。除此以外还要考虑到一些辅助器件的安装接口，比如传感器，气路，线缆等。

2工业机器人选型

2.1码垛机器人的主要参数

负载能力：对于码垛作业来说，首要考虑的肯定是机器人的负载能力。目前来说机器人的负载能力从3千克到1300千克范围内都有。在选择负载能力的时候，码垛对象的重量是显而易见的。而另外一个重要的因素是码垛工具的重量。对于机器人来说，它所安装的工具也是一种负载。工作空间：机器人的工作空间是指，机器人的末端所能到达的位置的集合。每一台机器人的说明书中都会有工作空间的描述，但是这个工作空间是指机器人手臂末端所能到达了位置。在实际生产中，机器人手臂末端安装着工具，工具上还抓取着工件。需要综合考虑生产线的布局，工具和工件的构型，码垛的垛型等因素，才能确定机器人的工作空间。

2.2码垛机器人

所有的工业机器人品牌，都会有针对码垛的专门型号机器人。这些机器人的硬件和软件都会有特殊的设计。对于机器人的本体设计更注重稳定性，在构型上预留了线缆的安装接口等。软件算法上针对重负载情况做了优化，提高运行的稳定性。操作系统中都会增加码垛功能模块，如果使用厂家配套的码垛工具，还可以快速方便的对垛型、速度等参数进行设置。

3码垛控制系统设计

3.1系统功能分析

在设计控制程序之前，必须要对码垛的流程进行全面的分析。以一个最常见的包装箱码垛任务为例。送货传送带将工件运送到待运位置，机器人将工具运行到取工件位置，然后工具动作抓取工件，机器人将工件按照垛型放置到垛盘上，完成一次垛型以后输送带将垛盘运走。进入下一个工作循环。

3.2系统信号分析

系统中送料传送带上需要有工件到位信号。只要等到这个信号，传送带停止运行，同时通知机器人前来取工件。工件取走以后信号恢复，传送带运行。机器人等待工件到位信号，等到信号有效时，运行到取工件位置，取走工件并将工件摆放到垛盘上。然后重复工作，直到完成一次堆垛任务，将完成信号发送给垛盘的传动带。等待垛盘运走信号，开始进行一下个垛型的堆叠工作。托盘传送带一般处于停止状态。等到机器人的码垛完成信号以后，将垛盘运走，然后发送信号给机器人，告诉机器人可以开始进行下一个垛型的堆叠工作。

3.3程序程序设计

码垛程序的复杂度不高，主要包括和外部设备的通信以及垛型计算两部分。其中控制通信部分使用WaitDi指令来等待传送带的信号。当等到传送带的工件到位信号以后调用码垛程序，完成码垛程序以后，再使用set指令，控制输出信号，控制托盘传送带将垛堆运走。码垛程序中使用while循环指令来实现循环搬运工件程序。在循环中使用if指令判断当前工件的摆放位置，然后控制机器人将工件放置到垛盘上。

4总结

本文对工业机器人码垛系统中的主要环节进行了分析。最后再次强调工具的设计是码垛任务中的重中之重。工具实际直接影响到码垛生产线的布局，机器人的选型，程序的编写等方面。

参考文献

[1]程启良.码垛机器人在工业生产中的应用研究综述[J].机电技术,2016(2):135-138.

[2]张业鹏.基于PLC与工业机器人的全自动化码垛系统设计[J].制造业自动化,2015,37(11):108-110.

作者：朱巍峰 单位：苏州工业职业技术学院