摘要：本文以某食品企業的實際工況要求為例，介紹直角坐標機器人在紙箱搬運、碼垛中的應用。
關鍵字：直角坐標機器人，碼垛

前言：很多產品裝入紙箱后從傳送帶上被抓起來按一些規則碼放到托盤上，所要搬運碼垛的紙箱尺寸和重量隨產品不同而變化，最快每1~2秒就要搬運一個紙箱。而托盤尺寸從歐洲標準尺寸到1.6*1.6m的幾種。如何采用機器人對這些紙箱快速，整齊，有序地碼垛是實現高效工廠自動化的關鍵之一。沈陽萊茵機電17年來從代理德國機器人產品到建立中德合資企業在國內組裝多種型號的直角坐標機器人。并借鑒德國BergerLahr和Roboworker公司的很多成功應用經驗，開發了多種紙箱，塑料箱，塑料桶等的搬運碼垛機器人。這些搬運碼垛和拆垛機器人系統設計、精益生產流程、設備的選型和生產節拍平衡上等，充分考慮了技術上的先進性、生產上的實用性、在使用中的長期可靠性，同時在經濟性方面具有良好的性價比。本文以國內一著名生產食品企業的實際工況要求為例，介紹直角坐標機器人在紙箱搬運、碼垛中的應用。

一、基本要求

1、適用產品（紙箱外形尺寸）

產品 長寬高
A34.5CM 19.2CM 9.5CM
B33CM 23.7CM 9.5CM
C37.5CM 23CM11.5CM
D37CM 24.5CM 10CM
E36.5CM 22.5CM 10CM
F30.5CM 18.7CM 13CM

2、節拍分析

搬運碼垛的平均速度達到2.2秒/箱。

3、基本信息及要求

1） 單箱重量≤5KG，一次搬運五箱，一次總搬運重量≤25KG。
2） 托盤尺寸1100*1100，碼垛完了托盤上紙箱最高處到地面≤1900mm。
3） 傳送帶高度為700mm, 上面最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每層盡可能多的擺放紙箱，托盤四周的紙箱僅可能平穩，要保證運輸過程中平穩不倒。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（最高1.9米）在運輸過程中平穩。

二、技術方案

1、總體說明

根據設計原則及產品生產概況，確定本機器人的設計參數如下：

1）整套機器人系統采用龍門式結構設計，其中X、Y、Z三軸為直線運動單元，A軸為吸盤旋轉機構，還包括吸盤系統和控制系統（見圖1）。

圖1：4軸直角坐標機器人碼垛，綠色部分是傳送帶，粉色表示托盤傳送機構

2）為確保機械強度要求，Y、Z采用雙直線單元，X軸采用雙滑塊直線單元。直線單元由高強度同步帶傳動，采用高精度伺服電機及減速機驅動，通過控制系統可實現，單軸的獨立運動，以及在1450*1200*1900空間范圍內的聯動，運動精度0.1mm。Z軸負載總重25kg。

3）吸盤旋轉軸可根據實際擺放要求，實現吸盤系統的-90~+90度旋轉、定位。

4）吸盤系統由5個吸盤組構成，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行分控，可單獨吸取或釋放紙箱。（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，根據參數單個吸盤垂直的吸力為56.6N，4個吸盤的吸力226.4N,考慮運輸過程中一定的加速度和安全系數，每1組吸盤完全可以吸住單個重量≤5KG的紙箱，并高速運動。吸取和釋放的時間小于200ms（ 吸盤的詳細選型可以與沈陽萊茵機電陳紹博13940002980聯系）。

5）設計帶抓取工作區，通過傳感器計數，當達到待抓取數量時，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：

6）直線運動單元都配有限位和零位開關，保證運動安全和準確。

7）增加多個傳感器信號，檢測生產線及機器人的動作狀況，并及時反饋給控制系統。

8）設置安全隔離網（或光電對射傳感器），保證在機器人運動范圍內人員的安。

9）在整個生產線設有總控制工作站，用于輸入生產數及記錄生產數據和檢測數據等。

2、工藝流程

適應不同尺寸的箱子，初步設計了5種不同的碼垛樣式，現在舉其中一例介紹工藝流程。

（1）機器人在初始位置等待抓取信號

初始位置設定：傳送帶或工作臺上待抓取5個紙箱的中心位置可以設為機器人的初始位，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指定位置，氣缸頂緊，通過傳感器給出控制系統到位信號。

2）控制系統得到機器人系統的零位信號后，發出抓取信號。

（2）紙箱的抓取（吸取）

在初始位置，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，確保吸住紙箱，總用時400ms。

（3）紙箱的碼垛過程（多次釋放過程）

第一次釋放：紙箱被吸住后， X、Y、Z軸可聯動運行到指定位置，隨后Z軸下降100mm，電磁閥斷開，根據要求釋放某幾個吸盤。

第二次釋放：由于不同碼垛規格，5個紙箱不一定一次都放下，所以再第一次釋放后還需提升Z軸，X、Y軸以及A軸聯動到指定位置，再釋放吸盤。

根據實際情況，最多可能需要3次釋放吸盤才能完成一次碼垛。

（4）機器人系統空載返回初始位置

機器人放下紙箱后，X、Y、Z快速聯動返回至初始位置，通過傳感器反饋給控制系統到位信號。

三、碼垛順序和時間節拍分析

1、碼垛順序分析

由于紙箱的外形尺寸不同，萊茵公司設計了5種碼垛規格，現以其中一例詳細介紹碼垛的順序及過程。

1）吸盤每次抓取5個紙箱，圖中數字代表第幾次抓取。
2）按次序碼垛，從第一層至第三層（位置可根據實際優化）
3）受托盤尺寸和紙箱尺寸的限制，有時一次抓取的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到要求為止。

2、時間節拍分析

根據之前的分析，紙箱碼垛越高所用時間越多，那么我們把5個紙箱搬運到托盤上紙箱的最高層最遠處位置，并完成3次釋放，只要到達這個位置11秒內順利完成，那么就能滿足其它所有位置的搬運。下面是完成一次搬運的完整運動順序：

1）機器人在初始位置，Z軸下降50mm，接觸到紙箱，用時200ms

2）等待真空度檢測信號，確保吸盤吸牢紙箱，用時200ms

3）在工作臺上方，Z軸從800mm需要先提升至最高點。Z軸上升1050mm，最高速度F = 620mm/s，加速度=2.06m/s2，平均速度F = 530mm/s， 用時2000ms

4）X軸，Y軸和Z軸聯動，同時運動到最遠處。 其中X軸運動1400mm，Y軸運動少于800mm，Z軸升高100mm。由于X軸運動距離遠，速度高，這里僅分析X軸的運動就可以。X軸運動1400mm，最高速度F = 820mm/s，加速度=2.75m/s2，用時2000ms

5）吸盤釋放紙箱，到此完成第一次放置紙箱， 用時200ms

6）Z軸上升100mm，最高速度F = 670mm/s，加速度=4.44m/s2， 用時300ms

7）X軸、Y軸和A軸聯動，運動到下一個位置，同時吸盤轉動90度。 其中X軸和Y軸運動400mm（例子），運動距離遠，平均速度F = 500mm/s，用時800ms

8）Z軸下降100mm，最高速度F = 670mm/s，加速度=4.44m/s2，用時300ms

9）吸盤釋放紙箱，到此完成第二次放置紙箱，用時200ms

10）Z軸再上升100mm，最高速度F = 670mm/s，加速度=4.44m/s2，用時300ms

11）X軸和Y軸聯動，運動到下一個位置。其中X軸和軸運動400mm（例子），平均速度F = 500mm/s，用時800ms

12）Z軸下降100mm，最高速度F = 620mm/s，加速度=4.44m/s2，用時300ms

13）吸盤釋放紙箱，到此完成第三次放置紙箱，用時200ms

14）X軸和Y軸同時運動回到抓取紙箱處。其中X軸運動大約800mm，運動距離遠，速度高，這類僅分析X軸的運動就可以。X軸運動800mm，最高速度F = 1140mm/s，加速度=3.81m/s2，用時1000ms 由于已沒有負載了，所有運動速度完全可以塊些。

15）Z軸下降1050mm，返回初始位置。最高速度F = 620mm/s，加速度=2.06m/s2，用時2000ms

在極限情況下，碼垛5個紙箱，總體用時10.6s，平均2.12s/箱，滿足要求。

3、實際優化節拍：

1）第二次搬運最高層的位置時，由于運動距離近了，搬去和運動回來可以再節省1s
2）在工作臺一下區域，可以實現3軸聯動，可以節省Z軸上升或下降時間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，這樣還可以節約1.3s

四、結論

經過反復的抓取釋放及碼垛實驗，本套機器人系統最終實現平均1.94s/箱的搬運碼垛速度。沈陽萊茵機電十幾年來為一些用戶做了一些搬運和碼垛機器人，從中積累了一些經驗。從這些多年的搬運和碼垛應用中可以看出合資公司生產的機器人達到了德國原廠的質量，不僅具有很好的性價比、易操控、易維護、貨期短、而且可靠性高、長期穩定運行。今天萊茵機電能幾乎能提供各種紙箱，塑料箱，塑料桶等產品的搬運，碼垛等。按要求提供各種結構形式，多種規格，不同托盤供給方式的搬運碼垛機器人，可以應用包裝、各種生產過程中物流、倉儲、機床上下料等行業。