李 倩 ，劉廣亮 ，孫 潔

（1.山東省機(jī)器人與制造自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250014；2.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南250014）

碼垛機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)包裝和物流自動(dòng)化的關(guān)鍵裝備，針對(duì)生產(chǎn)線中各式產(chǎn)品的碼垛要求，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高速、準(zhǔn)確、連續(xù)的碼垛作業(yè)，并能降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。因此，碼垛機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于飲料、食品、藥品、石化等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，ABB、FANUC、KUKA等主流機(jī)器人廠家均擁有系列化的碼垛機(jī)器人產(chǎn)品，并壟斷了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)；而在國(guó)內(nèi)，碼垛機(jī)器人的研究才剛剛起步，國(guó)產(chǎn)的、成熟的、產(chǎn)業(yè)化的碼垛機(jī)器人產(chǎn)品還未出現(xiàn)[1～3]。

本文參考國(guó)內(nèi)外知名品牌機(jī)器人，通過(guò)分析已有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究各品牌機(jī)器人的本體性能參數(shù)，大致明確了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本指標(biāo)，為碼垛機(jī)器人開(kāi)發(fā)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)分析

與通用型機(jī)器人不同，碼垛機(jī)器人有獨(dú)特的作業(yè)特點(diǎn)：搬運(yùn)物料實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的平移和水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，無(wú)需進(jìn)行物料的翻轉(zhuǎn)，因而采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。下面以KUKA的KR 180-2 PA為例，對(duì)碼垛機(jī)器人一般所采用的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析。

KR 180-2 PA最大負(fù)載總質(zhì)量為180 kg，采用4軸鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，由6部分組成：基座、腰轉(zhuǎn)部件、大臂、小臂、腕部和工具法蘭，由JT 1、JT 2、JT 3和JT 4共4個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

其中，JT 1驅(qū)動(dòng)腰部轉(zhuǎn)件實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，JT 2和JT 3分別驅(qū)動(dòng)大臂和小臂的擺動(dòng)，JT 4驅(qū)動(dòng)工具法蘭旋轉(zhuǎn)。各關(guān)節(jié)由交叉滾子軸承承載，利用交流伺服電機(jī)+精密RV減速器驅(qū)動(dòng)。根據(jù)物料形狀特點(diǎn)，可以在工具法蘭配置不同的抓手。機(jī)器人末端工具法蘭的位置，通過(guò)控制JT 1、JT 2和JT 3關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)；末端工具法蘭的姿態(tài)，則通過(guò)控制JT 1和JT 4關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)保證；在腕部姿態(tài)的控制上，采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。通過(guò)兩組平行四連桿傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了JT 4軸線與JT 1軸線始終保持平行，使腕部始終保持垂直于地面的姿態(tài)。

圖1 碼垛機(jī)器人KR 180-2 PA結(jié)構(gòu)示意圖

2 本體性能研究

碼垛機(jī)器人主要用于搬運(yùn)重載物體實(shí)現(xiàn)大空間轉(zhuǎn)移，且高速度、高精度運(yùn)行，其本體的主要性能參數(shù)包括負(fù)載能力、工作空間、運(yùn)動(dòng)性能、重復(fù)定位精度等[4]。這些性能參數(shù)選擇的合理與否，將直接關(guān)系到碼垛機(jī)器人本體開(kāi)發(fā)的成敗。以下通過(guò)分析比較已有碼垛機(jī)器人產(chǎn)品的性能參數(shù)，基本明確了碼垛機(jī)器人本體開(kāi)發(fā)中的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

2.1 負(fù)載能力

負(fù)載總質(zhì)量表明了機(jī)器人搬運(yùn)重物的能力，它取決于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸和驅(qū)動(dòng)容量，還與機(jī)器人的運(yùn)行速度有關(guān)。按照負(fù)載總質(zhì)量能力劃分，各機(jī)器人廠家均形成了完整的碼垛機(jī)器人規(guī)格系列，表1列出了 ABB、FANUC、KUKA、YASKAWAKAWASAKI這5大品牌的四軸碼垛機(jī)器人負(fù)載系列[5]。

表1 各品牌碼垛機(jī)器人的負(fù)載總質(zhì)量系列規(guī)格表（單位：kg）

在包裝行業(yè)，對(duì)于碼垛機(jī)器人的需求主要集中在100～300kg負(fù)載總質(zhì)量范圍內(nèi)。而在這一區(qū)間里，各品牌一般擁有大小兩種規(guī)格的機(jī)型，且采用統(tǒng)一的外形尺寸與機(jī)械結(jié)構(gòu)，只需替換伺服電機(jī)與減速器，即可實(shí)現(xiàn)型號(hào)間互換。如ABB的IRB 660-180和 IRB660-250、KUKA的KR100-2 PA和KR 180-2 PA、FUANC的 M-410 iB/160 M-410 iB/300 KAWASAKI的ZD 130 S和ZD 250 S等。

2.2 工作空間

工作空間指機(jī)器人末端可在空間到達(dá)的最大范圍。圖2是ABB的IRB660-180、KUKA的KR180-2 PA和KAWASAKI的ZD 130 S工作空間的疊加圖?？梢钥闯?，各款機(jī)器人的工作空間基本重合，大致反映了市場(chǎng)的實(shí)際需求（托盤(pán)尺寸、垛堆高度等）。

圖2 碼垛機(jī)器人的工作空間

表2 各品牌碼垛機(jī)器人性能指標(biāo)橫向比較

表2將各品牌碼垛機(jī)器人對(duì)應(yīng)型號(hào)的性能指標(biāo)進(jìn)行了橫向比較，從中可以發(fā)現(xiàn)碼垛機(jī)器人性能指標(biāo)的共性[6～8]；表3則以KUKA為例[6～8]，將碼垛機(jī)型KR 180-2 PA與其對(duì)應(yīng)的通用機(jī)型KR 180-2進(jìn)行了縱向比較[7]，凸顯了碼垛機(jī)器人不同于通用型機(jī)器人的性能特點(diǎn)。

表2中，數(shù)款機(jī)器人的最遠(yuǎn)到達(dá)距離，都約為3200 mm，而最大搬運(yùn)高度約為3000 mm。

2.3 運(yùn)動(dòng)性能

為了適應(yīng)前端包裝工段的生產(chǎn)速度，碼垛作業(yè)往往對(duì)節(jié)拍要求高。目前，世界上碼垛速度最快的機(jī)器人，可達(dá)2000回/h以上。當(dāng)然，最直接的運(yùn)行性能參數(shù)，還是各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)速度。表2列出了幾款機(jī)器人各個(gè)軸的最大運(yùn)動(dòng)速度，可作為本體設(shè)計(jì)的參考指標(biāo)；表3中，各個(gè)軸逐一對(duì)比，KUKA的碼垛機(jī)型KR 180-2 PA比通用機(jī)型KR 180-2的運(yùn)動(dòng)速度都要快，顯示了碼垛機(jī)器人本體設(shè)計(jì)里運(yùn)動(dòng)性能的重要性。

表3 KR 180-2 PA與KR 180-2的縱向?qū)Ρ?/p>

2.4 重復(fù)定位精度

重復(fù)定位精度，指機(jī)器人在相同的運(yùn)動(dòng)指令下，連續(xù)重復(fù)運(yùn)動(dòng)若干次，其位置之間的誤差度量，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)之一。碼垛機(jī)器人主要用于實(shí)現(xiàn)大尺寸物料的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，對(duì)精度要求并不高。從表2可看出，其重復(fù)定位精度能控制在±0.5 mm以內(nèi)即可；在表3里，碼垛機(jī)型KR 180-2 PA比通用機(jī)型KR 180-2的重復(fù)定位精度明顯低了一個(gè)檔次。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)已有碼垛機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析和本體性能參數(shù)的研究，得出了其通常所采用的結(jié)構(gòu)形式，明確了本體設(shè)計(jì)的基本性能指標(biāo)，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了參考。但在具體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，僅確定了本體的結(jié)構(gòu)形式、負(fù)載能力、工作空間、運(yùn)動(dòng)性能和重復(fù)定位精度等，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還有許多實(shí)際問(wèn)題需考慮。各性能指標(biāo)間存在一定矛盾，應(yīng)綜合分析考慮；有的結(jié)構(gòu)形式雖然有利于提高機(jī)器人性能，但工藝復(fù)雜，考慮國(guó)內(nèi)加工水平，需合理選擇制造工藝；樣機(jī)完成后的性能測(cè)試，亦是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。相信在克服了碼垛機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程中的諸多難題后，一定會(huì)出現(xiàn)國(guó)產(chǎn)的、成熟的、產(chǎn)業(yè)化的碼垛機(jī)器人產(chǎn)品。

[1]李曉剛，劉晉浩.碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策[J].包裝工程，2011，(3)：96-101.

[2]胡洪國(guó)，高建華，楊汝清.碼垛技術(shù)綜述[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2000，(6)：7-9.

[3]孫立寧.機(jī)器人技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r[J].國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2002，(4)：29-41.

[4]熊有倫，丁 漢，劉恩滄.機(jī)器人學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993，10-28.

[5]葉 暉，管小清.工業(yè)機(jī)器人實(shí)操與應(yīng)用技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，3-14.

[6]上海ABB工程有限公司.IRB 660機(jī)器人產(chǎn)品手冊(cè)[Z].上海：上海ABB工程有限公司，2004.

[7]庫(kù)卡機(jī)器人（上海）有限公司.KR180-2系列手冊(cè)[Z].上海：庫(kù)卡機(jī)器人（上海）有限公司，2011.

[8]上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司.M-410iB規(guī)格說(shuō)明[Z].上海：上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司，2007.