摘要：本文以某食品企業(yè)的實(shí)際工況要求為例，介紹直角坐標(biāo)機(jī)器人在紙箱搬運(yùn)、碼垛中的應(yīng)用。

關(guān)鍵字：直角坐標(biāo)機(jī)器人，碼垛

前言：很多產(chǎn)品裝入紙箱后從傳送帶上被抓起來按一些規(guī)則碼放到托盤上，所要搬運(yùn)碼垛的紙箱尺寸和重量隨產(chǎn)品不同而變化，zui快每1~2秒就要搬運(yùn)一個紙箱。而托盤尺寸從歐洲標(biāo)準(zhǔn)尺寸到1.6*1.6m的幾種。如何采用機(jī)器人對這些紙箱快速，整齊，有序地碼垛是實(shí)現(xiàn)高效工廠自動化的關(guān)鍵之一。沈陽萊茵機(jī)電17年來從代理德國機(jī)器人產(chǎn)品到建立中德合資企業(yè)在國內(nèi)組裝多種型號的直角坐標(biāo)機(jī)器人。并借鑒德國BergerLahr和Roboworker公司的很多成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了多種紙箱，塑料箱，塑料桶等的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人。這些搬運(yùn)碼垛和拆垛機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、精益生產(chǎn)流程、設(shè)備的選型和生產(chǎn)節(jié)拍平衡上等，充分考慮了技術(shù)上的*性、生產(chǎn)上的實(shí)用性、在使用中的*可靠性，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性方面具有良好的性價(jià)比。本文以國內(nèi)一*生產(chǎn)食品企業(yè)的實(shí)際工況要求為例，介紹直角坐標(biāo)機(jī)器人在紙箱搬運(yùn)、碼垛中的應(yīng)用。

一、基本要求

1、適用產(chǎn)品（紙箱外形尺寸）

產(chǎn)品       長       寬      高

A      34.5CM 19.2CM 9.5CM

B      33CM 23.7CM 9.5CM

C       37.5CM 23CM 11.5CM

D        37CM 24.5CM 10CM

E        36.5CM 22.5CM 10CM

F        30.5CM 18.7CM 13CM

2、節(jié)拍分析搬運(yùn)碼垛的平均速度達(dá)到2.2秒/箱。

3、基本信息及要求

1） 單箱重量≤5KG，一次搬運(yùn)五箱，一次總搬運(yùn)重量≤25KG。

2） 托盤尺寸1100*1100，碼垛完了托盤上紙箱zui高處到地面≤1900mm。

3） 傳送帶高度為700mm, 上面zui矮紙箱正上面到地面高度為795mm。

4） 碼放方式的要求是在托盤尺寸內(nèi)每層盡可能多的擺放紙箱，托盤四周的紙箱僅可能平穩(wěn)，要保證運(yùn)輸過程中平穩(wěn)不倒。而碼好的托盤每兩層紙箱間要向砌磚墻那樣，盡可能相互壓住和咬和。這樣才能保證碼滿紙箱的托盤（zui高1.9米）在運(yùn)輸過程中平穩(wěn)。

二、技術(shù)方案

1、總體說明根據(jù)設(shè)計(jì)原則及產(chǎn)品生產(chǎn)概況，確定本機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1） 整套機(jī)器人系統(tǒng)采用龍門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中X、Y、Z三軸為直線運(yùn)動單元，A軸為吸盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，還包括吸盤系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（見圖1）。圖1：4軸直角坐標(biāo)機(jī)器人碼垛，綠色部分是傳送帶，粉色表示托盤傳送機(jī)構(gòu)。

2） 為確保機(jī)械強(qiáng)度要求，Y、Z采用雙直線單元，X軸采用雙滑塊直線單元。直線單元由高強(qiáng)度同步帶傳動，采用高精度伺服電機(jī)及減速機(jī)驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)，單軸的獨(dú)立運(yùn)動，以及在1450*1200*1900空間范圍內(nèi)的聯(lián)動，運(yùn)動精度0.1mm。Z軸負(fù)載總重25kg。

3） 吸盤旋轉(zhuǎn)軸可根據(jù)實(shí)際擺放要求，實(shí)現(xiàn)吸盤系統(tǒng)的-90~+90度旋轉(zhuǎn)、定位。

4） 吸盤系統(tǒng)由5個吸盤組構(gòu)成，每組有4個吸盤，吸取1個紙箱。每組吸盤均可通過電磁閥進(jìn)行分控，可單獨(dú)吸取或釋放紙箱。（布局圖如圖2）考慮到紙箱的透氣性，真空度一般在-40kPa~-50kPa之間，根據(jù)參數(shù)單個吸盤垂直的吸力為56.6N，4個吸盤的吸力226.4N,考慮運(yùn)輸過程中一定的加速度和安全系數(shù)，每1組吸盤*可以吸住單個重量≤5KG的紙箱，并高速運(yùn)動。吸取和釋放的時(shí)間小于200ms（ 吸盤的詳細(xì)選型可以與沈陽萊茵機(jī)電陳紹博）。

5） 設(shè)計(jì)帶抓取工作區(qū)，通過傳感器計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到待抓取數(shù)量時(shí)，擋板將傳送帶紙箱擋住，再由氣缸將紙箱推頂緊。如圖3所示： 圖2：每組吸盤安裝布局圖 圖3：紙箱定位以便吸盤抓取

6） 直線運(yùn)動單元都配有限位和零位開關(guān)，保證運(yùn)動安全和準(zhǔn)確。

7） 增加多個傳感器信號，檢測生產(chǎn)線及機(jī)器人的動作狀況，并及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)。

8） 設(shè)置安全隔離網(wǎng)（或光電對射傳感器），保證在機(jī)器人運(yùn)動范圍內(nèi)人員的安。

9） 在整個生產(chǎn)線設(shè)有總控制工作站，用于輸入生產(chǎn)數(shù)及記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)等。

2、工藝流程適應(yīng)不同尺寸的箱子，初步設(shè)計(jì)了5種不同的碼垛樣式，現(xiàn)在舉其中一例介紹工藝流程。

（1）機(jī)器人在初始位置等待抓取信號 初始位置設(shè)定：傳送帶或工作臺上待抓取5個紙箱的中心位置可以設(shè)為機(jī)器人的初始位，大約在1100*600*900mm處。工作過程描述：

1）包裝箱通過傳送帶輸送到位置，氣缸頂緊，通過傳感器給出控制系統(tǒng)到位信號。

2）控制系統(tǒng)得到機(jī)器人系統(tǒng)的零位信號后，發(fā)出抓取信號。

（2）紙箱的抓?。ㄎ。┰诔跏嘉恢?，Z軸下降50-100mm，接觸到紙箱后，電磁閥接通抽真空，真空度檢測信號反饋給系統(tǒng)，確保吸住紙箱，總用時(shí)400ms。

（3）紙箱的碼垛過程（多次釋放過程）*次釋放：紙箱被吸住后， X、Y、Z軸可聯(lián)動運(yùn)行到位置，隨后Z軸下降100mm，電磁閥斷開，根據(jù)要求釋放某幾個吸盤。第二次釋放：由于不同碼垛規(guī)格，5個紙箱不一定一次都放下，所以再*次釋放后還需提升Z軸，X、Y軸以及A軸聯(lián)動到位置，再釋放吸盤。根據(jù)實(shí)際情況，zui多可能需要3次釋放吸盤才能完成一次碼垛。

（4）機(jī)器人系統(tǒng)空載返回初始位置 機(jī)器人放下紙箱后，X、Y、Z快速聯(lián)動返回至初始位置，通過傳感器反饋給控制系統(tǒng)到位信號。

三、碼垛順序和時(shí)間節(jié)拍分析

1、碼垛順序分析由于紙箱的外形尺寸不同，萊茵公司設(shè)計(jì)了5種碼垛規(guī)格，現(xiàn)以其中一例詳細(xì)介紹碼垛的順序及過程。 1） 吸盤每次抓取5個紙箱，圖中數(shù)字代表第幾次抓取。 2） 按次序碼垛，從*層至第三層（位置可根據(jù)實(shí)際優(yōu)化） 3） 受托盤尺寸和紙箱尺寸的限制，有時(shí)一次抓取的5個紙箱要分兩到三次在不同的位置擺放。 4） 如此類推一層層碼放到總高度達(dá)到要求為止。

2、時(shí)間節(jié)拍分析 根據(jù)之前的分析，紙箱碼垛越高所用時(shí)間越多，那么我們把5個紙箱搬運(yùn)到托盤上紙箱的zui高層zui遠(yuǎn)處位置，并完成3次釋放，只要到達(dá)這個位置11秒內(nèi)順利完成，那么就能滿足其它所有位置的搬運(yùn)。下面是完成一次搬運(yùn)的完整運(yùn)動順序： 1） 機(jī)器人在初始位置，Z軸下降50mm，接觸到紙箱，用時(shí)200ms 2） 等待真空度檢測信號，確保吸盤吸牢紙箱，用時(shí)200ms 3） 在工作臺上方，Z軸從800mm需要先提升至zui高點(diǎn)。Z軸上升1050mm，zui高速度F = 620mm/s，加速度=2.06m/s2，平均速度F = 530mm/s， 用時(shí)2000ms 4） X軸，Y軸和Z軸聯(lián)動，同時(shí)運(yùn)動到zui遠(yuǎn)處。 其中X軸運(yùn)動1400mm，Y軸運(yùn)動少于800mm，Z軸升高100mm。由于X軸運(yùn)動距離遠(yuǎn)，速度高，這里僅分析X軸的運(yùn)動就可以。X軸運(yùn)動1400mm，zui高速度F = 820mm/s，加速度=2.75m/s2，用時(shí)2000ms 5） 吸盤釋放紙箱，到此完成*次放置紙箱， 用時(shí)200ms 6） Z軸上升100mm，zui高速度F = 670mm/s，加速度=4.44m/s2， 用時(shí)300ms 7） X軸、Y軸和A軸聯(lián)動，運(yùn)動到下一個位置，同時(shí)吸盤轉(zhuǎn)動90度。 其中X軸和Y軸運(yùn)動400mm（例子），運(yùn)動距離遠(yuǎn)，平均速度F = 500mm/s，用時(shí)800ms 8） Z軸下降100mm，zui高速度F = 670mm/s，加速度=4.44m/s2，用時(shí)300ms 9） 吸盤釋放紙箱，到此完成第二次放置紙箱，用時(shí)200ms 10） Z軸再上升100mm，zui高速度F = 670mm/s，加速度=4.44m/s2，用時(shí)300ms 11） X軸和Y軸聯(lián)動，運(yùn)動到下一個位置。其中X軸和軸運(yùn)動400mm（例子），平均速度F = 500mm/s，用時(shí)800ms 12） Z軸下降100mm，zui高速度F = 620mm/s，加速度=4.44m/s2，用時(shí)300ms 13） 吸盤釋放紙箱，到此完成第三次放置紙箱，用時(shí)200ms 14） X軸和Y軸同時(shí)運(yùn)動回到抓取紙箱處。其中X軸運(yùn)動大約800mm，運(yùn)動距離遠(yuǎn)，速度高，這類僅分析X軸的運(yùn)動就可以。X軸運(yùn)動800mm，zui高速度F = 1140mm/s，加速度=3.81m/s2，用時(shí)1000ms 由于已沒有負(fù)載了，所有運(yùn)動速度*可以塊些。 15） Z軸下降1050mm，返回初始位置。zui高速度F = 620mm/s，加速度=2.06m/s2，用時(shí)2000ms 在極限情況下，碼垛5個紙箱，總體用時(shí)10.6s，平均2.12s/箱，滿足要求。

3、實(shí)際優(yōu)化節(jié)拍： 1）第二次搬運(yùn)zui高層的位置時(shí)，由于運(yùn)動距離近了，搬去和運(yùn)動回來可以再節(jié)省1s 2）在工作臺一下區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)3軸聯(lián)動，可以節(jié)省Z軸上升或下降時(shí)間2-3s 3）碼垛5個紙箱，一般情況下，只需2次釋放就可以全部放置完畢，這樣還可以節(jié)約1.3s 四、結(jié)論經(jīng)過反復(fù)的抓取釋放及碼垛實(shí)驗(yàn)，本套機(jī)器人系統(tǒng)zui終實(shí)現(xiàn)平均1.94s/箱的搬運(yùn)碼垛速度。沈陽萊茵機(jī)電十幾年來為一些用戶做了一些搬運(yùn)和碼垛機(jī)器人，從中積累了一些經(jīng)驗(yàn)。從這些多年的搬運(yùn)和碼垛應(yīng)用中可以看出合資公司生產(chǎn)的機(jī)器人達(dá)到了德國原廠的質(zhì)量，不僅具有很好的性價(jià)比、易操控、易維護(hù)、貨期短、而且可靠性高、*穩(wěn)定運(yùn)行。今天萊茵機(jī)電能幾乎能提供各種紙箱，塑料箱，塑料桶等產(chǎn)品的搬運(yùn)，碼垛等。按要求提供各種結(jié)構(gòu)形式，多種規(guī)格，不同托盤供給方式的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人，可以應(yīng)用包裝、各種生產(chǎn)過程中物流、倉儲、機(jī)床上下料等行業(yè)。