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　　很多产品装入纸箱后从传送带上被抓起来按一些规则码放到托盘上，所要搬运码垛的纸箱尺寸和重量随产品不同而变化，最快每1~2秒就要搬运一个纸箱。而托盘尺寸从欧洲标准尺寸到1.6*1.6m的几种。如何采用机器人对这些纸箱快速，整齐，有序地码垛是实现高效工厂自动化的关键之一。本文以国内一著名生产食品企业的实际工况要求为例，介绍直角坐标机器人在纸箱搬运、码垛中的应用。

　　一、基本要求

　　1、适用产品(纸箱外形尺寸)

　　产品 长宽高

　　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、节拍分析

　　搬运码垛的平均速度达到2.2秒/箱。

　　3、基本信息及要求

　　1) 单箱重量≤5KG，一次搬运五箱，一次总搬运重量≤25KG。

　　2) 托盘尺寸1100*1100，码垛完了托盘上纸箱最高处到地面≤1900mm。

　　3) 传送带高度为700mm, 上面最矮纸箱正上面到地面高度为795mm。

　　4) 码放方式的要求是在托盘尺寸内每层尽可能多的摆放纸箱，托盘四周的纸箱仅可能平稳，要保证运输过程中平稳不倒。而码好的托盘每两层纸箱间要向砌砖墙那样，尽可能相互压住和咬和。这样才能保证码满纸箱的托盘(最高1.9米)在运输过程中平稳。

　　二、技术方案

　　1、总体说明

　　根据设计原则及产品生产概况，确定本机器人的设计参数如下：

　　1)整套机器人系统采用龙门式结构设计，其中X、Y、Z三轴为直线运动单元，A轴为吸盘旋转机构，还包括吸盘系统和控制系统(见图1)。

　　2)为确保机械强度要求，Y、Z采用双直线单元，X轴采用双滑块直线单元。直线单元由高强度同步带传动，采用高精度伺服电机及减速机驱动，通过控制系统可实现，单轴的独立运动，以及在1450*1200*1900空间范围内的联动，运动精度0.1mm。Z轴负载总重25kg。

　　3)吸盘旋转轴可根据实际摆放要求，实现吸盘系统的-90~+90度旋转、定位。

　　4)吸盘系统由5个吸盘组构成，每组有4个吸盘，吸取1个纸箱。每组吸盘均可通过电磁阀进行分控，可单独吸取或释放纸箱。(布局图如图2)

　　考虑到纸箱的透气性，真空度一般在-40kPa~-50kPa之间，根据参数单个吸盘垂直的吸力为56.6N，4个吸盘的吸力226.4N,考虑运输过程中一定的加速度和安全系数，每1组吸盘完全可以吸住单个重量≤5KG的纸箱，并高速运动。吸取和释放的时间小于200ms( 吸盘的详细选型可以与沈阳莱茵机电陈绍博13940002980联系)。

　　5)设计带抓取工作区，通过传感器计数，当达到待抓取数量时，挡板将传送带纸箱挡住，再由气缸将纸箱推顶紧。如图3所示：

　　6)直线运动单元都配有限位和零位开关，保证运动安全和准确。

　　7)增加多个传感器信号，检测生产线及机器人的动作状况，并及时反馈给控制系统。

　　8)设置安全隔离网(或光电对射传感器)，保证在机器人运动范围内人员的安。

　　9)在整个生产线设有总控制工作站，用于输入生产数及记录生产数据和检测数据等。

　　2、工艺流程

　　适应不同尺寸的箱子，初步设计了5种不同的码垛样式，现在举其中一例介绍工艺流程。

　　(1)机器人在初始位置等待抓取信号

　　初始位置设定：传送带或工作台上待抓取5个纸箱的中心位置可以设为机器人的初始位，大约在1100*600*900mm处。

　　工作过程描述：

　　1)包装箱通过传送带输送到指定位置，气缸顶紧，通过传感器给出控制系统到位信号。

　　2)控制系统得到机器人系统的零位信号后，发出抓取信号。

　　(2)纸箱的抓取(吸取)

　　在初始位置，Z轴下降50-100mm，接触到纸箱后，电磁阀接通抽真空，真空度检测信号反馈给系统，确保吸住纸箱，总用时400ms。

　　(3)纸箱的码垛过程(多次释放过程)

　　第一次释放：纸箱被吸住后， X、Y、Z轴可联动运行到指定位置，随后Z轴下降100mm，电磁阀断开，根据要求释放某几个吸盘。

　　第二次释放：由于不同码垛规格，5个纸箱不一定一次都放下，所以再第一次释放后还需提升Z轴，X、Y轴以及A轴联动到指定位置，再释放吸盘。

　　根据实际情况，最多可能需要3次释放吸盘才能完成一次码垛。

　　(4)机器人系统空载返回初始位置

　　机器人放下纸箱后，X、Y、Z快速联动返回至初始位置，通过传感器反馈给控制系统到位信号。

　　三、码垛顺序和时间节拍分析

　　1、码垛顺序分析

　　由于纸箱的外形尺寸不同，莱茵公司设计了5种码垛规格，现以其中一例详细介绍码垛的顺序及过程。

　　1)吸盘每次抓取5个纸箱，图中数字代表第几次抓取。

　　2)按次序码垛，从第一层至第三层(位置可根据实际优化)

　　3)受托盘尺寸和纸箱尺寸的限制，有时一次抓取的5个纸箱要分两到三次在不同的位置摆放。

　　4)如此类推一层层码放到总高度达到要求为止。

　　2、时间节拍分析

　　根据之前的分析，纸箱码垛越高所用时间越多，那么我们把5个纸箱搬运到托盘上纸箱的最高层最远处位置，并完成3次释放，只要到达这个位置11秒内顺利完成，那么就能满足其它所有位置的搬运。下面是完成一次搬运的完整运动顺序：

　　1)机器人在初始位置，Z轴下降50mm，接触到纸箱，用时200ms

　　2)等待真空度检测信号，确保吸盘吸牢纸箱，用时200ms

　　3)在工作台上方，Z轴从800mm需要先提升至最高点。Z轴上升1050mm，最高速度F = 620mm/s，加速度=2.06m/s2，平均速度F = 530mm/s， 用时2000ms

　　4)X轴，Y轴和Z轴联动，同时运动到最远处。 其中X轴运动1400mm，Y轴运动少于800mm，Z轴升高100mm。由于X轴运动距离远，速度高，这里仅分析X轴的运动就可以。X轴运动1400mm，最高速度F = 820mm/s，加速度=2.75m/s2，用时2000ms

　　5)吸盘释放纸箱，到此完成第一次放置纸箱， 用时200ms

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

　　7)X轴、Y轴和A轴联动，运动到下一个位置，同时吸盘转动90度。 其中X轴和Y轴运动400mm(例子)，运动距离远，平均速度F = 500mm/s，用时800ms

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

　　9)吸盘释放纸箱，到此完成第二次放置纸箱，用时200ms

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

　　11)X轴和Y轴联动，运动到下一个位置。其中X轴和轴运动400mm(例子)，平均速度F = 500mm/s，用时800ms

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

　　13)吸盘释放纸箱，到此完成第三次放置纸箱，用时200ms

　　14)X轴和Y轴同时运动回到抓取纸箱处。其中X轴运动大约800mm，运动距离远，速度高，这类仅分析X轴的运动就可以。X轴运动800mm，最高速度F = 1140mm/s，加速度=3.81m/s2，用时1000ms 由于已没有负载了，所有运动速度完全可以块些。

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

　　在极限情况下，码垛5个纸箱，总体用时10.6s，平均2.12s/箱，满足要求。

　　3、实际优化节拍：

　　1)第二次搬运最高层的位置时，由于运动距离近了，搬去和运动回来可以再节省1s

　　2)在工作台一下区域，可以实现3轴联动，可以节省Z轴上升或下降时间2-3s

　　3)码垛5个纸箱，一般情况下，只需2次释放就可以全部放置完毕，这样还可以节约1.3s

　　四、结论

　　经过反复的抓取释放及码垛实验，本套机器人系统最终实现平均1.94s/箱的搬运码垛速度。

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　　来源：国际金属加工网