面向倉儲物流的碼、拆垛直角坐標機器人系統設計

李曉丹，鄧家軍，胡 剛，張祥麗，龍立云

（云南昆船電子設備有限公司，昆明 650000）

0 引言

作為一種成本低廉、系統結構簡單的自動化機器人系統解決方案，直角坐標坐標機器人可以被應用于碼垛、拆垛、分揀、包裝、搬運、上下料、裝配等常見的工業生產領域，在替代人工，提高生產效率，穩定產品質量等方面都具備顯著的應用價值。

針對不同的應用場合，對坐標機器人有不同的設計要求，比如面向倉儲物流中的應用，根據對精度、速度的要求選擇不同的傳動方式，根據特定的工藝要求為末端工作頭選擇不同的夾持設備（夾具、爪手、安裝架等），以及對于示教編程，坐標定位、視覺識別等工作模式的設計選擇等，從而使之能滿足于不同工況的應用要求。本文就將用具體例子來介紹直角坐標機器人在倉儲物流碼、拆垛這兩個環節中的應用。

1 簡介

1.1 直角坐標機器人簡介

直角坐標機器人是指在工業應用中[1]，能夠實現自動控制的、可重復編程的、運動自由度僅包含三維空間甚至多維的自動化設備。各個運動軸通常對應直角坐標系中的X軸，Y軸和Z軸。X軸和Y軸是水平面內運動軸，Z軸是上下運動軸。在一些應用中Z軸上帶有一個旋轉軸（a軸），或帶有一個擺動軸（b軸）和一個旋轉軸（a軸）。在絕大多數情況下直角坐標機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角。直角坐標機器人其組成部分包含直線運動軸、運動軸的驅動系統、控制系統、終端設備。可在多領域進行應用，有超大行程、組合能力強等優點。

1.2 碼、拆垛物料基本情況簡介

已某倉儲物流庫情況為例，具體該倉庫成品物料規格如表1所示。

表1 物料基本情況

托盤規格：外形尺寸L×W×H為1250×1000×150（mm）；

重量：40kg；

結構形式：四向進叉式（單面歐式托盤）。

機器人在碼第一、二、三層時，根據碼垛步序不同，自輸入輸送機上依次抓取3件、2件立放的物料（每層抓取4次），然后直接擺放到對應工位托盤的相應位置上。一個完整30件垛型需要進行12次的碼垛抓取作業。同時，拆垛步驟順序與碼垛剛好相反。

1.3 碼、拆垛直角坐標機器人傳動方式

設計碼、拆垛機器人采用4軸門式機械手[2]，其活動部分由水平運動的X軸、水平運動的Y軸、升降運動的Z軸、旋轉運動的A軸等組成。綜合對比圖1的傳動方式后，水平運動的X、Y軸主要由2根同步帶直線運動導軌副、伺服電機、行星減速機、電纜拖鏈等組成[3]。

圖1 物料分步碼垛圖（順序為從左至右、從上到下）

表2 碼、拆垛直角坐標機器人傳動方式對比

2 碼、拆垛直角坐標機器人系統結構設計

2.1 碼垛直角坐標機器人系統

該系統包含機器人運動控制器、伺服驅動器、示教器等電控器件和直角坐標機器人機架、傳動部分、碼垛夾具等機械結構兩大部分組成，如圖2所示[5]。

圖2 碼垛直角坐標機器人結構示意圖

機器人運動控制器就好比人的大腦中樞，機器人一切運行動作都要聽其指揮。運動控制器的底層結構搭建決定著機器人的類型（直角坐標/關節）、軸的數量、每個軸的回零點模式、每軸的速度參數、軸的運行方向和與上位通訊的方式等；

伺服驅動器聽從運動控制器的指揮，控制每個軸的伺服電機的工作，實現沒有生硬的起停，運動平滑穩定，沒有震動，保護機械及傳動結構；

直角坐標機器人機架采用門式雙碼垛工位，避免由于單碼垛工位等待空托盤從等待區域進入碼垛區域對碼垛效率的影響；

機器人末端碼垛夾具使用負壓抽真空原理將物料吸附搬運至托盤制定位置后破真空后放置。

2.2 拆垛直角坐標機器人系統

該系統與碼垛直角坐標機器人系統的相類似，只是拆垛直角坐標機器人機架采用門式單拆垛工位（匹配現場場地和現場工藝），還有末端拆垛夾具結構也與碼垛夾具有所不同（使用原理相同）。

圖3 直角坐標機器人示意圖

3 碼、拆垛直角坐標機器人運行流程及控制系統編程流程

3.1 碼垛直角坐標機器人運行流程

1）碼垛直角坐標機器人運行流程

碼垛時，物料以直立的姿態輸送到抓取工位，機器人到對應的抓取工位上抓取1至3件立放物料。

圖4 進入抓取工位的物料姿態

機器人系統啟動后，接收上位系統傳送下來的各進輥道的品牌信息和垛型信息，同時反饋robot ready信號給上位系統，進入等待抓取狀態；當機器人收到進料輥道中的物料數量滿足抓取要求、對應托盤工位（左或者右）準備好的信號后，機器人進入抓取工位抓取物料，搬運到對應托盤的指定位置上碼放，碼放完成后計算當前該托盤上的數量，上報上位系統，返回等待下一個指令，當完成一個托盤的碼垛作業后，機器人發送托盤碼垛完成信號給上位系統，由上位系統把堆碼完成的實托盤進行入庫。

圖5 碼垛直角坐標機器人運行流程

2）碼垛直角坐標機器人控制系統相關編程流程

使用指令[4]用于條件跳轉控制LABEL…GOTO…語句和IF…THEN…END_IF可以使程序滿足條件時循環執行碼垛步驟。通過示教托盤上的左碼垛工位基本點PTP（LeftBaseP0）和右碼垛工位基本點PTP（RightBaseP0）可以帶入坐標計算公式中，并根據誤差公式及來料尺寸計算出12步中每一步的坐標點。之后根據條件使用點到點PTP（PickP0）機器人運動到物料上方，通過電磁閥掉電Sucker.Set（FALSE），使夾具產生負壓，吸附物料搬運至計算好的坐標點并釋放，完成后機器人運動到等待位PTP（WaitP0），等待下一步條件滿足后運行。

3.2 拆垛直角坐標機器人

1）拆垛直角坐標機器人運行流程

機器人系統啟動后，滿托盤物料（也可是不足30件的散盤）經托盤輸送線進入拆垛工位并定位，上位系統將該托盤到位的信號及托盤的相關信息（如品牌、垛型、數量等）發送給機器人拆垛系統，機器人拆垛系統根據接收到的信息到相應位置上抓取物料，搬運放置到對應的輸送機上并輸送，當機器人拆完一個托盤后（也可拆垛指定數量），機器人向上位系統發送工作完成信息，之后空托盤經托盤輸送線離開拆垛工位。

2）拆垛直角坐標機器人控制系統相關編程

與碼垛程序相類似，也是使用指令用于條件跳轉控制LABEL…GOTO…語句和IF…THEN…END_IF可以使程序滿足條件時循環執行碼垛步驟。通過示教托盤上的基本點PTP（StdBase），代入公式中計算出12步中每一步的坐標點。

4 動作時序及行程路徑優化

4.1 直角坐標機器人動作時序優化

調試完成后的直角坐標機器人雖然可以正常使用，但動作時序仍需優化。例如：破真空放置物料時，是應該先停止電磁閥不要產生負壓再破真空還是先破真空再停止電磁閥。如果先先破真空再停止電磁閥會導致放置物料時帶箱的問題，容易將物料放置歪斜。

表3 碼垛直角坐標機器人時序表

表4 拆垛直角坐標機器人時序表

圖6 拆垛直角坐標機器人運行流程

另外與上位實時交互的信息可以適當提前發送和接受交互，這樣可以使機器人運行動作更加流暢，不會出現由于等待某些允許信號而導致的卡頓或是停止等待。

4.2 直角坐標機器人行程路徑優化

調試完成后的機器人雖然可以正常使用，但行程路徑仍需優化。直角坐標機器人的運行是建立在直角坐標系的基礎之上，所以運行軌跡容易呈現直角，軌跡生硬且影響效率。此時我們可以適當采用軸差補運動、圓弧軌跡運動等方式實現對行程路徑的優化。

軸差補運動的意思是若機器人從A點運動到B點，需要每個軸的運動，沒優化之前可能需要軸一個一個運動后才能完成，優化后所有軸可以同時差補運動，最后到達目標B點。這么做可以縮短機器人移動的所消耗的時間，提升工作效率。

圓弧軌跡運動是改善機器人運行軌跡容易呈現直角的問題，該方式是修改機器人的逼近參數，使機器人同一平面從A點運動到B點時，能做到圓弧運動，避免動作生硬，且圓弧運動也能節省些許時間，從提升工作效率的方面也有一定幫助。

4.3 CCD視覺系統的引入優化直角機器人抓取方式

若該倉儲物流庫中物料品種多，且物料的尺寸或是達到碼、拆垛工位前無法做定位，這樣需引入成熟的CCD視覺系統，在機器人抓取物料時，CCD視覺系統通過智能拍照計算出待抓物料所在的坐標點，并通過TCP/IP通訊將坐標點告知機器人運動控制器，從而使機器人按照該坐標點做出相應動作到達并抓取物料。

5 結束語

此次設計規劃了直角坐標機器人碼、拆垛系統（含碼、拆垛夾具）完成物料的入庫碼垛作業和拆垛作業。其中碼垛系統設計了雙托盤輸送線，作為物料的雙碼垛工位，提升碼垛效率。相對于人工生產，直角坐標機器人更適用于多品種、中大批量的物料碼、拆垛，使人從之前的密集型生產中解放出來。