★重庆机电职业技术大学 罗文

摘要：在制造类企业的生产过程中，对相关成品的码垛具有重要的工艺要求。在成品货箱重量大、码垛速度要求高的情况下，码垛工作的人工劳动强度大、生产效率低 。随着生产规模的扩大，借助工业机器人完成码垛任务，能提高企业生产中码垛作业的效率和质量，加快物流速度。

为了加快将工业机器人应用到生产中去，传统的人工示教方法已不能满足企业的要求，并成为阻碍生产力快速发展的瓶颈。因此，离线仿真编程是解决这个问题的一剂良方。本文以码垛机器人为研究对象，针对立方体货箱码垛的具体应用背景，对码垛机器人系统的组成与布置，设计了可调节的机械手，进行了运动学分析和轨迹规划，利用Robotstudio软件完成了运动仿真验证与离线编程。

关键词：工业机器人；系统设计；离线编程

1 引言

码垛是指按照设定的模式，将物料堆码成垛，从而以集成单元化的料垛来实现物料的储藏和运输^[1]。在所储运的物料质量不大、尺寸不大，以及对码垛的速度要求不高的情况下，人工完成码垛是最普遍的方式。随着经济的发展，生产活动的速度越来越快，码垛速度和码垛质量也有了较高的要求，人工码垛方式已经越来越难以跟上经济发展的要求，尤其在比较恶劣的环境下，工作成本大且效率低，在这种情况下，码垛机器人应运而生^[2]。机器人码垛既能增强工作过程中的安全可靠性，又可以提高工作效率，这意味着节约了大量的人力和物力，能产生很大的现实和经济意义。

对于制造企业来说，生产过程物料的输送工序和能否及时有效地输送入库，直接影响整个物料的生产效率。传统的物料采用人工或者叉车搬运的方式，机械而单调地完成托盘的码垛任务。成品物料本身的质量较大，这就大大加剧了工人的工作强度，降低了工人的工作积极性。为此，在物料生产线引入码垛机器人，对物料进行码垛，从而有效地输送，提高设备的利用效率，保障物料生产过程的入库需求，并能达到制造企业对生产效率、生产质量和生产安全的要求。

2 物料机器人码垛系统总体设计

2.1 机器人码垛系统总体方案设计

机器人码垛工作区可以看成一个输入输出系统，通过输送机等生产流水线方式输入已经完成包装的货物，经过机器人码垛区域后，输出整齐的货物垛型，然后利用人工、叉车或者专用的托盘机及其输送链等方式将货物运走。

该系统在很多生产线都可以应用。比如，在饮料加工厂内，灌装好的饮料瓶在装箱生产线完成自动装箱、封箱、滚码，并通过传送带输出，在码垛机器人工作区域，不同的品类的货箱完成各自的码垛并入库。

机器人码垛系统整体规划设计如图1所示。

图1 机器人码垛系统平面规划图

2.2 机器人码垛输送系统

物料经过各个工序形成箱型后，需通过流水线输入码垛区域。本系统选用辊筒输送机承接前段作为物料输入的工具。

辊筒输送机主要由传动辊筒、机架、支架、驱动部分等部分组成，相对于皮带输送机、板链输送机等其他输送方式，辊筒输送机能够输送单件重量很大的物料，或承受较大的冲击载荷。另外，辊筒输送机结构简单，可靠性高，使用维护方便。

2.3 选型码垛机器人

本次设计物料的重量考虑在20kg到40kg之间，此时码垛机器人的负载重量较大，并且在码垛过程中，机械臂需要频繁扭曲反转，查阅相关资料，可知六自由度机器人是最好的选择。根据码垛机器人系统的设计要求，机器人码垛对重复精度要求高，对防护等级没有特殊要求。综上所述，可选用适合于大负载的ABB公司的六自由度机器人。

本系统选用的ABB-IRB6640是一款产能高且适合各类应用的机器人产品，多用于物料搬运、上下料和点焊。ABB-IRB6640最大的优势之一是提高了载重能力，其有效载重量较大，满足众多生产的承重要求，并且该机器人继承了优异的惯性曲线特性，最大有效荷重高达235kg，更加适合重型甚至宽型物料的搬运。另外，该型号的机器人生产效率高，设计紧凑，维护保养简单，比其他型号更长的上臂配合多种手腕形式，使该机器人能够适应多种工艺过程，其手臂可向后弯曲到底，大大扩展了工作范围。

该机器人融合了第二代TrueMove和QuickMove技术，路径精度得到了优化，运动精度更高，其基本参数如表1所示。

表1 机器人性能参数表

2.4 机器人码垛信号处理系统

机器人码垛系统一般包括辊筒输送机、码垛机器人、托盘输送机等设备和多种电气元件、驱动元件及检测元件。码垛系统全年连续工作，这就要求其可靠性必须非常高才能完成设计要求。根据对码垛机器人系统的功能及工作原理的分析，其控制系统包含了可编程逻辑控制器、光电传感器、气缸、电机，控制柜等。

为了配合码垛生产线上的动作要求，机器人本身需要进行各种码垛动作轨迹的调试，还要和PLC连接进行通讯，进行信号的交互。只要将工业机器人和PLC有效地连接起来并进行相互之间的信号传输即可。因此，在掌握了工业机器人的编程的基础上，必须进行PLC的控制系统设计，进而通过PLC控制机器人。工业机器人与PLC之间的通讯传输有“I/O”连接和通讯线连接两种，本系统以最常用的机器人与S7-200PLC之间使用“I/O”连接的方式进行控制。

PLC可通过I/O模块连接码垛区域的机器人及现场设备，它们接收来自于PLC的命令并控制相关设备的启停，最后，将码垛机器人及相关设备的所处状态返回给PLC，其他相关物流设备也由PLC控制。码垛机器人控制系统如图2所示。

图2 机器人码垛控制系统示意图

3 基于Robotstudio的机器人码垛运动仿真与优化设计

随着工业机器人越来越多地应用到实际工作中，采用软件模拟实际的机器人运动动作可以为工业机器人系统设计提供很好的辅助作用。只要整个码垛机器人系统投入运行，仿真的可到达性、循环时间以及机器人规划路径就可准确执行。机器人采用离线编程方式可以在很大的程度上提高生产的效率。特别的，仿真功能可以对模拟实际情况，检验方案的可行性，提高方案设计的准确性，并缩短研发周期。本章主要进行码垛机器人的运动仿真及离线编程，验证机械手夹持中心轨迹规划的正确性，并对其运动过程提出了优化的方法。

3.1 Robotstudio功能分析

RobotStudio是ABB机器人公司开发的机器人离线仿真编程软件，可以为ABB公司的所有类型的ABB机器人提供相应的离线编程和三维仿真工作，为工程师进行相关的码垛机器人应用提供了平台。RobotStudio可以实现以下主要功能：

（1）导入各种主要的CAD格式数据。通过关联跟机器人应用系统所需要的组件的3D模型数据，机器人程序设计师可以据此在软件中生成更为精确的机器人RAPID程序，为提高产品生产质量提供了可能性。

（2）自动路径生成。这是Robotstudio软件非常优秀的一个功能，在很多系统中，通过使用待处理部件的CAD模型，软件可在短短几分钟内自动生成跟踪曲线所需的机器人位置。此项任务如果人工执行，会需要数小时或数天时间才能完成。

（3）自动分析伸展能力。这项功能可让软件操作者灵活地移动机器人或工件，不断地根据现场的实际情况进行相应的调节，直至所有位置均可达到，并可在短短几分钟内验证和优化所设计的工作单元布局。

（4）碰撞检测。在RobotStudio中，对机器人在运动过程中是否可能与周边设备发生碰撞进行验证和确认，提前发现并处理潜在的问题，确保机器人离线编程得出的程序具有可用性。

（5）在线作业。为了使调试与维护工作更轻松，可使用RobotStudio与真实的机器人进行连接通信，便捷地对机器人进行监控、程序修改、参数设定、文件传送及备份恢复等各种操作。

3.2 基于RobotStudio软件的机器人码垛运动轨迹仿真

RobotStudio强调机器人编程与新的生产系统和工具的建设并行。在软件中，离线虚拟仿真机器人技术所使用的代码与实际控制器中的代码完全相符，精度极高，其独特之处在于它下载到实际控制器的过程中没有翻译阶段。离线编程在实际机器人安装前，通过可视化及可确认的解决方案和布局来降低风险，并通过创建更加精确的路径来获得更高的部件质量。

机器人运动路径可以插补目标点。一般来说，路径的插补点数越多，机器人运动路径就会越精确，也可以修改机械手的姿态和机器人的轴配置，使得机器人路径平滑过渡，这样的话，编程精度可以得到保证。

Robotstudio离线编程软件自身带有仿真功能，既能通过仿真来检查机器人运动效果，又能对机器人路径进行人工修正，甚至是较大的改变。

其中，人机交互功能的实现靠的是示教器，示教器是一种高品质的可进行机器人的手动操纵、程序编写、参数配置以及监控用的手持终端。控制柜实体按钮只是负责常规的启停等功能，而示教功能的完成则必须具备触摸功能的示教器完成，在实际生产活动中，其远程操作功能也能为程序员提供安全距离。

4 结论

本文主要设计了以ABBIRB6640码垛机器人为主体的码垛系统，先对码垛机器人系统和机械手进行了分析设计，并对码垛机器人运动学进行了分析，并对机器人的运动轨迹进行了规划，借助离线仿真软件Robotstudio，实现了对机器人码垛过程的运动仿真验证和离线编程，为码垛机器人的现场安装应用和生产中的相关物流流转活动的进一步分析研究提供了基础。

作者介绍：

罗文 （1978-），男，重庆人，副教授，学士，现任教于重庆机电职业技术大学电气与电子工程学院，研究方向是电气自动化技术。

参考文献：

[1] 胡洪国, 等. 码垛技术综述[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2020 ( 06 ) : 9 - 11+21.

[2] 张碧波. 浅谈包装码垛自动生产线的发展、应用现状及发展趋势[J]. 中国高新技术企业, 2018 ( 23 ) : 75 + 77.

[3] 李宗龙. 自动化码垛机器人系统的设计和研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2014.

[4] 李东洁, 邱江艳, 尤波. 一种机器人轨迹规划的优化算法[J]. 电机与控制学报, 2019, 13 ( 01 ) ： 123 - 127.

[5] 叶晖, 等. 工业机器人工程应用虚拟仿真教程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014.

摘自《自动化博览》2022年10月刊