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★重慶機電職業技術大學 羅文

摘要：在制造類企業的生產過程中，對相關成品的碼垛具有重要的工藝要求。在成品貨箱重量大、碼垛速度要求高的情況下，碼垛工作的人工勞動強度大、生產效率低 。隨著生產規模的擴大，借助工業機器人完成碼垛任務，能提高企業生產中碼垛作業的效率和質量，加快物流速度。

為了加快將工業機器人應用到生產中去，傳統的人工示教方法已不能滿足企業的要求，并成為阻礙生產力快速發展的瓶頸。因此，離線仿真編程是解決這個問題的一劑良方。本文以碼垛機器人為研究對象，針對立方體貨箱碼垛的具體應用背景，對碼垛機器人系統的組成與布置，設計了可調節的機械手，進行了運動學分析和軌跡規劃，利用Robotstudio軟件完成了運動仿真驗證與離線編程。

關鍵詞：工業機器人；系統設計；離線編程

1 引言

碼垛是指按照設定的模式，將物料堆碼成垛，從而以集成單元化的料垛來實現物料的儲藏和運輸^[1]。在所儲運的物料質量不大、尺寸不大，以及對碼垛的速度要求不高的情況下，人工完成碼垛是最普遍的方式。隨著經濟的發展，生產活動的速度越來越快，碼垛速度和碼垛質量也有了較高的要求，人工碼垛方式已經越來越難以跟上經濟發展的要求，尤其在比較惡劣的環境下，工作成本大且效率低，在這種情況下，碼垛機器人應運而生^[2]。機器人碼垛既能增強工作過程中的安全可靠性，又可以提高工作效率，這意味著節約了大量的人力和物力，能產生很大的現實和經濟意義。

對于制造企業來說，生產過程物料的輸送工序和能否及時有效地輸送入庫，直接影響整個物料的生產效率。傳統的物料采用人工或者叉車搬運的方式，機械而單調地完成托盤的碼垛任務。成品物料本身的質量較大，這就大大加劇了工人的工作強度，降低了工人的工作積極性。為此，在物料生產線引入碼垛機器人，對物料進行碼垛，從而有效地輸送，提高設備的利用效率，保障物料生產過程的入庫需求，并能達到制造企業對生產效率、生產質量和生產安全的要求。

2 物料機器人碼垛系統總體設計

2.1 機器人碼垛系統總體方案設計

機器人碼垛工作區可以看成一個輸入輸出系統，通過輸送機等生產流水線方式輸入已經完成包裝的貨物，經過機器人碼垛區域后，輸出整齊的貨物垛型，然后利用人工、叉車或者專用的托盤機及其輸送鏈等方式將貨物運走。

該系統在很多生產線都可以應用。比如，在飲料加工廠內，灌裝好的飲料瓶在裝箱生產線完成自動裝箱、封箱、滾碼，并通過傳送帶輸出，在碼垛機器人工作區域，不同的品類的貨箱完成各自的碼垛并入庫。

機器人碼垛系統整體規劃設計如圖1所示。

圖1 機器人碼垛系統平面規劃圖

2.2 機器人碼垛輸送系統

物料經過各個工序形成箱型后，需通過流水線輸入碼垛區域。本系統選用輥筒輸送機承接前段作為物料輸入的工具。

輥筒輸送機主要由傳動輥筒、機架、支架、驅動部分等部分組成，相對于皮帶輸送機、板鏈輸送機等其他輸送方式，輥筒輸送機能夠輸送單件重量很大的物料，或承受較大的沖擊載荷。另外，輥筒輸送機結構簡單，可靠性高，使用維護方便。

2.3 選型碼垛機器人

本次設計物料的重量考慮在20kg到40kg之間，此時碼垛機器人的負載重量較大，并且在碼垛過程中，機械臂需要頻繁扭曲反轉，查閱相關資料，可知六自由度機器人是最好的選擇。根據碼垛機器人系統的設計要求，機器人碼垛對重復精度要求高，對防護等級沒有特殊要求。綜上所述，可選用適合于大負載的ABB公司的六自由度機器人。

本系統選用的ABB-IRB6640是一款產能高且適合各類應用的機器人產品，多用于物料搬運、上下料和點焊。ABB-IRB6640最大的優勢之一是提高了載重能力，其有效載重量較大，滿足眾多生產的承重要求，并且該機器人繼承了優異的慣性曲線特性，最大有效荷重高達235kg，更加適合重型甚至寬型物料的搬運。另外，該型號的機器人生產效率高，設計緊湊，維護保養簡單，比其他型號更長的上臂配合多種手腕形式，使該機器人能夠適應多種工藝過程，其手臂可向后彎曲到底，大大擴展了工作范圍。

該機器人融合了第二代TrueMove和QuickMove技術，路徑精度得到了優化，運動精度更高，其基本參數如表1所示。

表1 機器人性能參數表

2.4 機器人碼垛信號處理系統

機器人碼垛系統一般包括輥筒輸送機、碼垛機器人、托盤輸送機等設備和多種電氣元件、驅動元件及檢測元件。碼垛系統全年連續工作，這就要求其可靠性必須非常高才能完成設計要求。根據對碼垛機器人系統的功能及工作原理的分析，其控制系統包含了可編程邏輯控制器、光電傳感器、氣缸、電機，控制柜等。

為了配合碼垛生產線上的動作要求，機器人本身需要進行各種碼垛動作軌跡的調試，還要和PLC連接進行通訊，進行信號的交互。只要將工業機器人和PLC有效地連接起來并進行相互之間的信號傳輸即可。因此，在掌握了工業機器人的編程的基礎上，必須進行PLC的控制系統設計，進而通過PLC控制機器人。工業機器人與PLC之間的通訊傳輸有“I/O”連接和通訊線連接兩種，本系統以最常用的機器人與S7-200PLC之間使用“I/O”連接的方式進行控制。

PLC可通過I/O模塊連接碼垛區域的機器人及現場設備，它們接收來自于PLC的命令并控制相關設備的啟停，最后，將碼垛機器人及相關設備的所處狀態返回給PLC，其他相關物流設備也由PLC控制。碼垛機器人控制系統如圖2所示。

圖2 機器人碼垛控制系統示意圖

3 基于Robotstudio的機器人碼垛運動仿真與優化設計

隨著工業機器人越來越多地應用到實際工作中，采用軟件模擬實際的機器人運動動作可以為工業機器人系統設計提供很好的輔助作用。只要整個碼垛機器人系統投入運行，仿真的可到達性、循環時間以及機器人規劃路徑就可準確執行。機器人采用離線編程方式可以在很大的程度上提高生產的效率。特別的，仿真功能可以對模擬實際情況，檢驗方案的可行性，提高方案設計的準確性，并縮短研發周期。本章主要進行碼垛機器人的運動仿真及離線編程，驗證機械手夾持中心軌跡規劃的正確性，并對其運動過程提出了優化的方法。

3.1 Robotstudio功能分析

RobotStudio是ABB機器人公司開發的機器人離線仿真編程軟件，可以為ABB公司的所有類型的ABB機器人提供相應的離線編程和三維仿真工作，為工程師進行相關的碼垛機器人應用提供了平臺。RobotStudio可以實現以下主要功能：

（1）導入各種主要的CAD格式數據。通過關聯跟機器人應用系統所需要的組件的3D模型數據，機器人程序設計師可以據此在軟件中生成更為精確的機器人RAPID程序，為提高產品生產質量提供了可能性。

（2）自動路徑生成。這是Robotstudio軟件非常優秀的一個功能，在很多系統中，通過使用待處理部件的CAD模型，軟件可在短短幾分鐘內自動生成跟蹤曲線所需的機器人位置。此項任務如果人工執行，會需要數小時或數天時間才能完成。

（3）自動分析伸展能力。這項功能可讓軟件操作者靈活地移動機器人或工件，不斷地根據現場的實際情況進行相應的調節，直至所有位置均可達到，并可在短短幾分鐘內驗證和優化所設計的工作單元布局。

（4）碰撞檢測。在RobotStudio中，對機器人在運動過程中是否可能與周邊設備發生碰撞進行驗證和確認，提前發現并處理潛在的問題，確保機器人離線編程得出的程序具有可用性。

（5）在線作業。為了使調試與維護工作更輕松，可使用RobotStudio與真實的機器人進行連接通信，便捷地對機器人進行監控、程序修改、參數設定、文件傳送及備份恢復等各種操作。

3.2 基于RobotStudio軟件的機器人碼垛運動軌跡仿真

RobotStudio強調機器人編程與新的生產系統和工具的建設并行。在軟件中，離線虛擬仿真機器人技術所使用的代碼與實際控制器中的代碼完全相符，精度極高，其獨特之處在于它下載到實際控制器的過程中沒有翻譯階段。離線編程在實際機器人安裝前，通過可視化及可確認的解決方案和布局來降低風險，并通過創建更加精確的路徑來獲得更高的部件質量。

機器人運動路徑可以插補目標點。一般來說，路徑的插補點數越多，機器人運動路徑就會越精確，也可以修改機械手的姿態和機器人的軸配置，使得機器人路徑平滑過渡，這樣的話，編程精度可以得到保證。

Robotstudio離線編程軟件自身帶有仿真功能，既能通過仿真來檢查機器人運動效果，又能對機器人路徑進行人工修正，甚至是較大的改變。

其中，人機交互功能的實現靠的是示教器，示教器是一種高品質的可進行機器人的手動操縱、程序編寫、參數配置以及監控用的手持終端。控制柜實體按鈕只是負責常規的啟停等功能，而示教功能的完成則必須具備觸摸功能的示教器完成，在實際生產活動中，其遠程操作功能也能為程序員提供安全距離。

4 結論

本文主要設計了以ABBIRB6640碼垛機器人為主體的碼垛系統，先對碼垛機器人系統和機械手進行了分析設計，并對碼垛機器人運動學進行了分析，并對機器人的運動軌跡進行了規劃，借助離線仿真軟件Robotstudio，實現了對機器人碼垛過程的運動仿真驗證和離線編程，為碼垛機器人的現場安裝應用和生產中的相關物流流轉活動的進一步分析研究提供了基礎。

作者介紹：

羅文 （1978-），男，重慶人，副教授，學士，現任教于重慶機電職業技術大學電氣與電子工程學院，研究方向是電氣自動化技術。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2022年10月刊