工業機器人碼垛功能的設計與實現

崔久好

（山東萊茵科斯特智能科技有限公司,山東 淄博 255000）

1 引言

《中國制造2025》戰略提出之后，國內諸多現代化生產企業開始引入先進技術、先進工藝，更新升級先進制造以及高端裝備，工業自動化水平逐步趨向于智能化、網絡化以及集成化。在此過程之中，工業機器人發揮著不可替代的重要作用，企業在工業機器人方面的需求也日益提高。在工業生產過程之中，碼垛主要是指把一些形狀、大小基本相似的產品按照特定路徑放置于特定位置，有效提升空間利用率，便于貨物運輸以及存儲，提高貨物的安全性[1]。對于一些外形尺寸較大的產品，可以通過托盤操作機或者機械臂實現碼垛功能，對于此種傳統碼垛方式，已經無法適應快節奏的生產方式。為了進一步提高碼垛效率，降低工人的工作強度，碼垛機器人順勢而生，但是由于各方面因素的影響，國內碼垛機器人仍未大范圍推廣應用，所以開發設計一套合理完善、高效智能的碼垛機器人具有重要價值，同時也是一項刻不容緩的任務[2]。

2 工業機器人碼垛功能設計與實現的意義

隨著我國工農產業的蓬勃發展，工業生產需求日益增長，所以提高生產效率、降低生產成本成為國內各大企業發展過程中必須要解決的一個問題。國內諸多企業在生產加工的過程中，均存在碼垛需求、運輸需求等?，F階段，國內諸多企業均采取人工的方式進行碼垛、裝車，人工操作模式雖然具備適應性強的特點，但是工作效率非常低，并且存在一定的危險性，當處于惡劣的環境之下時，還會對人身體造成巨大損傷。隨著工業生產規模逐步擴大[3]，運輸中的碼垛過程也逐步趨向于自動化，極大地提升了物流速度，可以切實滿足實際生產需求，提高了工業生產的安全穩定性，并且不會受到環境方面的影響，有效降低了生產成本。從二十世紀七十年代以來，碼垛機器人的各方面性能均在逐漸趨向于完善化，運行速度飛速提升，機械手爪對貨物的適應性也日益增強，定位更加清晰、精準。碼垛機器人的綜合性能越來越完善，應用效率也顯著提升，應用范圍逐步擴大，也得到了越來越多人的關注。本文圍繞工業機器人碼垛功能設計以及實現展開了深入、全面的剖析，旨在進一步提高碼垛效率以及碼垛工作的安全性。

3 工業機器人碼垛功能的設計與實現

3.1 工業機器人碼垛系統的構成

通常情況下，機器人碼垛系統主要是由機器人和傳輸裝置兩大部分構成，其內部包含多個機構，如安全防護裝置、傳輸裝置等。其中碼垛機器人夾具是碼垛作業過程中的末端執行機構，主要作用是在碼垛過程之中對工件進行夾取、固定等。高性能夾具對于工業機器人的碼垛工作來講，具有十分重要的現實意義，比較常用的碼垛機器人末端夾具包括多種，例如組合式、吸附式、夾板式等。在具體應用的過程之中，必須要結合產品的各種類型，選取不同的夾具[4]。例如吸附式夾具一般應用在質量小，并且表面相對比較平整的工件之上；抓取式夾具一般應用在袋裝物的碼放上。應用夾具之后，可以有效擴寬碼垛的應用范圍。在機器人電氣柜之中，包含了碼垛機器人的大腦，即運動控制器，其不但需要對機器人運動進行精準控制，同時還要對碼垛過程中工件位置、手抓開閉信號等各個方面進行全面檢測。碼垛機器人控制器通常與普通機器人控制器類似，所以在具體應用的過程之中，一般會根據要求對碼垛控制器進行二次開發。

3.2 工業機器人碼垛功能需求分析

通過對國外工業機器人碼垛功能設計發展狀況進行分析發現，碼垛作業由傳統的人工方式逐步向智能化、高效化轉變已經成為工業發展過程中的必然趨勢。首先，工業化生產規模日益擴大，自動化設備的應用范圍越來越廣，人工碼垛方式已經無法適應現代化發展需求，行業發展需求均推動碼垛自動化，從而滿足現代化生產加工的實際要求。其次，現代社會工業品種類別日益多樣化，一些大型或者對人體生命安全產生一定危害的工業產品已經不適宜運用人工碼垛方式，而引入自動化碼垛則可以更好地解決這些相對比較危險、復雜的工況，提高生產加工的安全可靠性[5]。再次，應用自動化碼垛還可以有效提升工作效率，降低產品存儲、搬運過程中所產生的損耗，有效降低企業的生產成本。在生產加工過程之中，碼垛條件存在較大差異，其中最為核心的一點便是產品、生產人員、生產環境存在差異。生產產品可能是針管，也可能是汽車零配件；對于生產環境來講，其同樣會隨著生產產品的變化而產生相應的變化，例如一些對生產環境要求相對較高的產品等?；趪鴥韧庵T多廠家的碼垛機器人應用，可以歸納出工業機器人碼垛功能需求，主要可以歸結為以下三點：

其一，目前應用相對比較廣泛的機器人碼垛功能一般為四軸、六軸碼垛機器人，這兩種機器人的綜合性能最佳，是實現碼垛功能的主流；其二，碼垛功能的性能與機器人自身性能存在直接關聯，例如碼垛過程中的半徑、負載、定位精度等一系列參數，均會對碼垛質量產生嚴重影響；其三，為了提高碼垛效率，工件必須要有兩個相對的平面平行，才可以更好地進行碼垛，提高碼垛效率以及安全性[6]。

3.3 工業機器人碼垛功能實現方案設計

從碼垛功能方面進行分析，若想在同一時間內實現堆垛、卸垛這兩個不同的功能，并且把大部分應用者的需求進行有效統一，提高軟件的利用率，那么必須要設計合理化的功能實現方案。通過對具體實現流程進行深入、全面分析發現，工業機器人碼垛功能的實現主要包括以下五個方面：

（1）碼垛條件與配置。碼垛條件、配置均為人機交互界面設計過程中的重要構成部分，碼垛功能設計之初主要是為了提供給使用者進行應用，所以在生產過程中的不同場合，對碼垛的需求也存在較大差異，所以在對碼垛功能進行設計分析的過程之中，必須要充分考慮使用者的操作空間，可以對不同碼垛條件進行合理化配置。在對軟件進行分析設計的過程之中，必須要對用戶的碼垛需求以及碼垛條件等進行調研分析，然后以此為重要基礎，把碼垛條件與控制軟件進行融合，利用人際交互界面的形式把接口留給用戶，然后對其進行合理化設置。按照碼垛定義，在人機交互界面，一般會開展兩方面工作，第一是采集位置數據，第二是設置碼垛參數。

（2）碼垛指令設計。碼垛指令的合理性以及科學性與碼垛功能是否可以順利完成存在直接關聯。工業機器人在進行碼垛的過程之中，主要是通過人機交互界面實現對程序的調用，進而順利實現機器人碼垛自動化的最終目的。設計編寫碼垛程序時，要盡可能地使程序簡單且能準確快速實現工藝生產要求，這就要用到跳轉指令、條件指令、判斷指令、偏移指令、多維數組的應用等，這樣能提高代碼的應用率，使機器人程序處于最優狀態，盡可能地減少重復工作，提高生產效率。值得強調的一點是，要想快速準確地進行碼垛程序的編寫，偏移指令、數組的創建是必須要熟練掌握的[7]。

（3）工件序號定義。工件序號主要是指在碼垛過程之中工件的具體順序，一般情況下可以利用工件的層數、行數、列數等對工件序號進行描述，同時還可以把此工件在此層碼垛的順序作為工件序號，比如第6行第9個工件。與此同時，引入工件序號之后，可以直接“告訴”機器人從何處開始、從何處結束。一般情況下，根據人們的思維習慣，把工件層數由下至上分別定義為1、2、3……在對工件序號進行定義的過程之中，把第一個工件的編號為1、第二個工件編號為2，以此類推，機器人將會按照此順序進行碼垛。

（4）工件位置的分析運算。在碼垛控制過程之中，碼垛點位置的運算分析是至關重要的一項內容，對工件序號進行定義的目的是明確工件在碼垛過程中的位置，但是工業機器人在具體操作過程之中會進行抓取動作，所以必須要求出工件相對于機器人的坐標，必須要通過合理化的方式準確求出點位，才可以確保整個自動碼垛過程順利完成。碼垛點位運算共包括三大部分：一是工件尺寸，二是代表性點位，三是垛型設定。具體運算方式為：首先，結合實際情況，確定參考工件，找出參考工件在機器人坐標之中的具體位置以及姿態；其次，根據工件序號以及垛型選取合理化、科學化的預算方式，求出工件相對于參考工件的具體位置；再次，依據參考工件位置、碼垛工件相對于參考工件的位置，求出工作坐標[8]。

（5）安全防護檢查。為了避免碼垛過程中工件、工件之間的干涉對機器人自身或者周邊物體產生影響，必須要對碼垛過程中的安全性進行全面檢測，一般情況下，主要是通過兩種方式進行。一是工件靜態干涉檢測法。當應用該種算法時，在進行碼垛之前，檢測碼垛剁型參數、工件參數的設定是否合理科學，判定碼垛過程之中是否會產生干涉，其核心思想便是把工件假定為一個長方體，結合實際情況，對碼垛參數進行合理化設定，然后分析工件參考位置、工作尺寸等，并依據這些參數計算出工件位置，最后再對工件進行投影處理，使其投影到二維平面，觀察二維平面中的投影是否存在重疊之處，如果投影存在重疊，那么表明工件將會發生干涉，反之，工件不會發生干涉[9]。二是機器人碰撞檢測法。此種算法在具體應用過程之中，主要是對機器人運行時是否會與固定物體產生碰撞進行檢測，此種算法無需外部傳感器，僅需對機器人運行過程中的理論位移、實際位移進行對比分析，然后判定碼垛過程之中是否會產生干涉，當機器人與物體產生碰撞之后，機器會自動檢測出錯誤，并且立即停止工作，以免產生意外事故，如此一來，操作人員將不會由于程序錯誤等而發生意外事故，同時也便于后期的維修、保養等，有效提高了碼垛工業機器人在工作過程中的安全穩定性[10]。

4 結語

綜上所述，本文從不同層面、不同維度對碼垛機器人系統的構成、各構成設備的基本特點等進行了詳細介紹與分析，并對工業機器人在施工過程中在碼垛功能方面的要求進行了歸納，即碼垛需求，同時還詳細闡述了工業機器人碼垛功能設計與實現總體方案。