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(zhàn)略提出之后，國內(nèi)諸多現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)開始引入先進技術(shù)、先進工藝，更新升級先進制造以及高端裝備，工業(yè)自動化水平逐步趨向于智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及集成化。在此過程之中，工業(yè)機器人發(fā)揮著不可替代的重要作用，企業(yè)在工業(yè)機器人方面的需求也日益提高。在工業(yè)生產(chǎn)過程之中，碼垛主要是指把一些形狀、大小基本相似的產(chǎn)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(chǎn)品，可以通過托盤操作機或者機械臂實現(xiàn)碼垛功能，對于此種傳統(tǒng)碼垛方式，已經(jīng)無法適應(yīng)快節(jié)奏的生產(chǎn)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(nèi)碼垛機器人仍未大范圍推廣應(yīng)用，所以開發(fā)設(shè)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(wù)[2]。

2 工業(yè)機器人碼垛功能設(shè)計與實現(xiàn)的意義

隨著我國工農(nóng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)需求日益增長，所以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本成為國內(nèi)各大企業(yè)發(fā)展過程中必須要解決的一個問題。國內(nèi)諸多企業(yè)在生產(chǎn)加工的過程中，均存在碼垛需求、運輸需求等?，F(xiàn)階段，國內(nèi)諸多企業(yè)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(yīng)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(dāng)處于惡劣的環(huán)境之下時，還會對人身體造成巨大損傷。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)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(chǎn)需求，提高了工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性，并且不會受到環(huán)境方面的影響，有效降低了生產(chǎn)成本。從二十世紀(jì)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(yīng)性也日益增強，定位更加清晰、精準(zhǔn)。碼垛機器人的綜合性能越來越完善，應(yīng)用效率也顯著提升，應(yīng)用范圍逐步擴大，也得到了越來越多人的關(guān)注。本文圍繞工業(yè)機器人碼垛功能設(shè)計以及實現(xiàn)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(yè)機器人碼垛功能的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 工業(yè)機器人碼垛系統(tǒng)的構(gòu)成

通常情況下，機器人碼垛系統(tǒng)主要是由機器人和傳輸裝置兩大部分構(gòu)成，其內(nèi)部包含多個機構(gòu)，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(yè)過程中的末端執(zhí)行機構(gòu)，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(yè)機器人的碼垛工作來講，具有十分重要的現(xiàn)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(yīng)用的過程之中，必須要結(jié)合產(chǎn)品的各種類型，選取不同的夾具[4]。例如吸附式夾具一般應(yīng)用在質(zhì)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(yīng)用在袋裝物的碼放上。應(yīng)用夾具之后，可以有效擴寬碼垛的應(yīng)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(zhǔn)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(yīng)用的過程之中，一般會根據(jù)要求對碼垛控制器進行二次開發(fā)。

3.2 工業(yè)機器人碼垛功能需求分析

通過對國外工業(yè)機器人碼垛功能設(shè)計發(fā)展?fàn)顩r進行分析發(fā)現(xiàn)，碼垛作業(yè)由傳統(tǒng)的人工方式逐步向智能化、高效化轉(zhuǎn)變已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展過程中的必然趨勢。首先，工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，自動化設(shè)備的應(yīng)用范圍越來越廣，人工碼垛方式已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展需求，行業(yè)發(fā)展需求均推動碼垛自動化，從而滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)加工的實際要求。其次，現(xiàn)代社會工業(yè)品種類別日益多樣化，一些大型或者對人體生命安全產(chǎn)生一定危害的工業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)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(fù)雜的工況，提高生產(chǎn)加工的安全可靠性[5]。再次，應(yīng)用自動化碼垛還可以有效提升工作效率，降低產(chǎn)品存儲、搬運過程中所產(chǎn)生的損耗，有效降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。在生產(chǎn)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(chǎn)品、生產(chǎn)人員、生產(chǎn)環(huán)境存在差異。生產(chǎn)產(chǎn)品可能是針管，也可能是汽車零配件；對于生產(chǎn)環(huán)境來講，其同樣會隨著生產(chǎn)產(chǎn)品的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，例如一些對生產(chǎn)環(huán)境要求相對較高的產(chǎn)品等?；趪鴥?nèi)外諸多廠家的碼垛機器人應(yīng)用，可以歸納出工業(yè)機器人碼垛功能需求，主要可以歸結(jié)為以下三點：

其一，目前應(yīng)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(xiàn)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(guān)聯(lián)，例如碼垛過程中的半徑、負載、定位精度等一系列參數(shù)，均會對碼垛質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)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(yè)機器人碼垛功能實現(xiàn)方案設(shè)計

從碼垛功能方面進行分析，若想在同一時間內(nèi)實現(xiàn)堆垛、卸垛這兩個不同的功能，并且把大部分應(yīng)用者的需求進行有效統(tǒng)一，提高軟件的利用率，那么必須要設(shè)計合理化的功能實現(xiàn)方案。通過對具體實現(xiàn)流程進行深入、全面分析發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機器人碼垛功能的實現(xiàn)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(shè)計過程中的重要構(gòu)成部分，碼垛功能設(shè)計之初主要是為了提供給使用者進行應(yīng)用，所以在生產(chǎn)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(shè)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(shè)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(diào)研分析，然后以此為重要基礎(chǔ)，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(shè)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(shù)據(jù)，第二是設(shè)置碼垛參數(shù)。

（2）碼垛指令設(shè)計。碼垛指令的合理性以及科學(xué)性與碼垛功能是否可以順利完成存在直接關(guān)聯(lián)。工業(yè)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(xiàn)對程序的調(diào)用，進而順利實現(xiàn)機器人碼垛自動化的最終目的。設(shè)計編寫碼垛程序時，要盡可能地使程序簡單且能準(zhǔn)確快速實現(xiàn)工藝生產(chǎn)要求，這就要用到跳轉(zhuǎn)指令、條件指令、判斷指令、偏移指令、多維數(shù)組的應(yīng)用等，這樣能提高代碼的應(yīng)用率，使機器人程序處于最優(yōu)狀態(tài)，盡可能地減少重復(fù)工作，提高生產(chǎn)效率。值得強調(diào)的一點是，要想快速準(zhǔn)確地進行碼垛程序的編寫，偏移指令、數(shù)組的創(chuàng)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(shù)、行數(shù)、列數(shù)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(jié)束。一般情況下，根據(jù)人們的思維習(xí)慣，把工件層數(shù)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(guān)重要的一項內(nèi)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(yè)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(biāo)，必須要通過合理化的方式準(zhǔn)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(shè)定。具體運算方式為：首先，結(jié)合實際情況，確定參考工件，找出參考工件在機器人坐標(biāo)之中的具體位置以及姿態(tài)；其次，根據(jù)工件序號以及垛型選取合理化、科學(xué)化的預(yù)算方式，求出工件相對于參考工件的具體位置；再次，依據(jù)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(biāo)[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(chǎn)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(tài)干涉檢測法。當(dāng)應(yīng)用該種算法時，在進行碼垛之前，檢測碼垛剁型參數(shù)、工件參數(shù)的設(shè)定是否合理科學(xué)，判定碼垛過程之中是否會產(chǎn)生干涉，其核心思想便是把工件假定為一個長方體，結(jié)合實際情況，對碼垛參數(shù)進行合理化設(shè)定，然后分析工件參考位置、工作尺寸等，并依據(jù)這些參數(shù)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(fā)生干涉，反之，工件不會發(fā)生干涉[9]。二是機器人碰撞檢測法。此種算法在具體應(yīng)用過程之中，主要是對機器人運行時是否會與固定物體產(chǎn)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(chǎn)生干涉，當(dāng)機器人與物體產(chǎn)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(chǎn)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(fā)生意外事故，同時也便于后期的維修、保養(yǎng)等，有效提高了碼垛工業(yè)機器人在工作過程中的安全穩(wěn)定性[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，本文從不同層面、不同維度對碼垛機器人系統(tǒng)的構(gòu)成、各構(gòu)成設(shè)備的基本特點等進行了詳細介紹與分析，并對工業(yè)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(yè)機器人碼垛功能設(shè)計與實現(xiàn)總體方案。