李亞軍，吳振強(qiáng)，徐 慧，邱 野，侯 偉

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

在某制藥廠項(xiàng)目中，機(jī)器人碼垛系統(tǒng)采用的是ABB碼垛機(jī)器人，具有多機(jī)器人，多工位，多箱型，多跺型的特點(diǎn)，為了方便產(chǎn)品的輸送，儲(chǔ)存，銷(xiāo)售和管理，該機(jī)器人碼垛不但具有操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，可視性強(qiáng)，維修方便，而且還具有增加箱型簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它通過(guò)與PLC和觸摸屏的連接，能夠?qū)崿F(xiàn)信息實(shí)時(shí)追蹤，信息傳遞，遠(yuǎn)程診斷和方便WMS，EMS管理。下面結(jié)合實(shí)例，綜合分析碼垛的算法，比較其優(yōu)缺點(diǎn)，分析碼垛的應(yīng)用范圍，掌握編程的思路，這樣可以在安裝調(diào)試階段減少大量人力物力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

1 包裝碼垛工藝流程簡(jiǎn)介

某制藥廠項(xiàng)目是紙箱碼垛，采用3臺(tái)ABB公司IRB460機(jī)器人，其中每臺(tái)機(jī)器人完成4工位碼垛任務(wù)，即2條產(chǎn)品拾取工位和4個(gè)產(chǎn)品碼垛工位，機(jī)器人碼垛布置圖如圖1所示。

其中，L0為左側(cè)拾取工位，對(duì)應(yīng)碼垛放置工位L11和L12；R0為右側(cè)拾取工位，對(duì)應(yīng)右側(cè)碼垛放置工位R11和R12。

2 影響機(jī)器人碼垛放置順序的因素

在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器人在碼垛過(guò)程中，影響機(jī)器人碼垛放置順序的主要因素有：

圖1 機(jī)器人碼垛布置圖

1）機(jī)器人卡具的影響。常用的機(jī)器人卡具主要有鉤爪式，真空吸盤(pán)式和夾抱式等。若采用鉤爪式卡具，在放置時(shí)，要考慮鉤爪的位置，否則有可能會(huì)壓箱子，損壞設(shè)備；

2）箱子尺寸的影響。箱子的尺寸應(yīng)在機(jī)器人卡具的工作變徑范圍內(nèi)，若箱子的長(zhǎng)度小于機(jī)器人卡具的長(zhǎng)度時(shí)，箱子被夾在卡具內(nèi)部，在放置時(shí)應(yīng)考慮卡具對(duì)已碼跺型的影響。

3）條碼標(biāo)簽的影響。為便于操作，客戶(hù)要求標(biāo)簽朝外，方便手持掃碼拼盤(pán)。

最后，綜合工藝流程和現(xiàn)場(chǎng)因素，確定了左右放置工位的奇數(shù)層偶數(shù)層的“32跺型”碼垛順序，如圖2所示。其他跺型不在贅述。

圖2 碼垛工位順序圖

在圖2中，(a)為左側(cè)工位碼垛奇數(shù)層順序，(b)為左側(cè)工位碼垛偶數(shù)層順序，(c)為右側(cè)工位碼垛奇數(shù)層順序，(d)為右側(cè)工位碼垛偶數(shù)層順序。

3 參考點(diǎn)選擇

3.1 拾取參考點(diǎn)設(shè)定

拾取參考點(diǎn)選擇如圖3所示。由于拾取工位箱子定位的對(duì)稱(chēng)性，所以，覺(jué)得碼放位置碼放的對(duì)稱(chēng)性，使左右放置工位位置的不一致，決定拾取參考點(diǎn)選擇的對(duì)稱(chēng)性，所以引入碼垛算法比例系數(shù)K。在L0拾取工位，箱子靠右側(cè)定位，K=1；在R0拾取工位，箱子靠左側(cè)工位，K=-1。

圖3 拾取參考點(diǎn)選擇

3.2 放置基準(zhǔn)點(diǎn)選擇

3.2.1 基于放置位置的碼垛算法放置基準(zhǔn)點(diǎn)選擇

基于放置位置的碼垛算法，就是要求在工具坐標(biāo)系中，要求放置基準(zhǔn)點(diǎn)pBase0與放置位置點(diǎn)1重合，放置基準(zhǔn)點(diǎn)pBase90與放置位置3重合。

L11號(hào)棧板的放置基準(zhǔn)位置pBase0，如圖4(a)中1位置，此棧板的上其他位置若姿態(tài)與此基準(zhǔn)相同，則可以通過(guò)偏移算法得出。示教時(shí)使用工具坐標(biāo)系tGripper，工件坐標(biāo)系Wobj0。

L13號(hào)棧板的放置基準(zhǔn)位置pBase90，如圖4(c)中3位置，此棧板的上其他位置若姿態(tài)與此基準(zhǔn)相同，則可以通過(guò)偏移算法得出。示教時(shí)使用工具坐標(biāo)系tGripper，工件坐標(biāo)系Wobj0。

右側(cè)棧板與此類(lèi)似，不再贅述。

3.2.2 基于棧板位置的碼垛算法放置基準(zhǔn)點(diǎn)選擇

基于棧板位置的碼垛算法，就是要求在工具坐標(biāo)系中，要求放置基準(zhǔn)點(diǎn)pBase0，pBase90， pBase180，pBase270棧板的角位置重合。

L11號(hào)棧板的放置基準(zhǔn)位置pBase0，如圖4(b)中1位置，此棧板的上其他位置若姿態(tài)與此基準(zhǔn)相同，則可以通過(guò)偏移算法得出。示教時(shí)使用工具坐標(biāo)系tGripper，工件坐標(biāo)系Wobj0。

L13號(hào)棧板的放置基準(zhǔn)位置pBase90，如圖4(d)中3位置，此棧板的上其他位置若姿態(tài)與此基準(zhǔn)相同，則可以通過(guò)偏移算法得出。示教時(shí)使用工具坐標(biāo)系tGripper，工件坐標(biāo)系Wobj0。

右側(cè)棧板與此類(lèi)似，不再贅述。

圖4 放置基準(zhǔn)位置圖

4 常用碼垛算法

4.1 基于放置位置的碼垛算法

以左側(cè)工位L11為例說(shuō)明，放置位置的順序如圖2(a)和圖2(b)所示。

首先，位置1和位置3分別是需要示教位置的放置基準(zhǔn)點(diǎn)pBase0和pBase90。

其中，位置1與創(chuàng)建好的放置基準(zhǔn)點(diǎn)pBase0重合，則直接將pBase0各項(xiàng)數(shù)據(jù)賦值給當(dāng)前的放置目標(biāo)點(diǎn)；相對(duì)于放置基準(zhǔn)點(diǎn)pBase0，位置2只是在X正方向偏移了一個(gè)產(chǎn)品長(zhǎng)度，只需要在pBase0目標(biāo)點(diǎn)X數(shù)據(jù)上面加上一個(gè)產(chǎn)品長(zhǎng)度即可；位置3則和pBase90重合，以此類(lèi)推，則可計(jì)算出剩余的全部碼放位置。

在碼垛應(yīng)用過(guò)程中，通常奇數(shù)層跺型一致，偶數(shù)層跺型一致，這樣只要算出第一層和等二層，三層及其以上奇數(shù)層位置是可以直接復(fù)制第一層各項(xiàng)X，Y軸位置，然后在Z軸正方向上面疊加相應(yīng)產(chǎn)品碼垛高度（通常為箱子高度整數(shù)倍）即可完成。四層及其以上偶數(shù)層，則直接復(fù)制第二層各項(xiàng)X，Y軸位置，然后，在Z軸的基礎(chǔ)正方向上疊加相應(yīng)產(chǎn)品的碼垛高度即可完成。這樣即可完成整個(gè)跺型的碼放位置，如表1所示。

其次，為方便對(duì)各箱型碼放位置進(jìn)行調(diào)整，利用Offs功能在已經(jīng)計(jì)算好的碼放位置基礎(chǔ)上，沿X,Y,Z再進(jìn)行微調(diào)，其中調(diào)用的是已創(chuàng)建好的三維數(shù)組Compensation，例如碼放不同類(lèi)型箱型，nBoxType不同，第一個(gè)位置時(shí)，則拍Target：=Offs（pTarget，Compensation{nBoxType,1}, Compensation{nBoxType,2},Compensation{nBoxType,3}）。

表1 碼垛算法1放置目標(biāo)點(diǎn)位置計(jì)算表

4.2 基于棧板位置的碼垛算法

以左側(cè)工位L11為例說(shuō)明，放置位置的順序如圖2(a)和圖2(b)所示。

首先，位置1和位置3分別是需要示教位置的放置基準(zhǔn)點(diǎn)pBase0和pBase90，但是，考慮到棧板尺寸的影響，要求放置基準(zhǔn)點(diǎn)的參考點(diǎn)與棧板的頂點(diǎn)重合，箱子的邊緣與棧板的邊緣平行。

表2 碼垛算法2放置點(diǎn)目標(biāo)位置計(jì)算表

其中，位置1的放置目標(biāo)點(diǎn)，其姿態(tài)與放置基準(zhǔn)點(diǎn)即是pBase0一致，位置也即是在其X,Y,兩個(gè)方向偏移了箱子邊緣與棧板邊緣之間的距離。

表3 碼垛算法總結(jié)

X軸方向偏移距離為：

Delta X:=0.5*(TL-2*nBoxSize{nBoxType,1}-Compensation{nBoxType,1})

Y軸方向偏移距離為：

Delta Y:=0.5*(TW-nBoxSize{nBoxType,1}-nBoxSize{nBoxType,2}-Compensation {nBoxType,2});

位置2的放置目標(biāo)點(diǎn)，其姿態(tài)與放置基準(zhǔn)點(diǎn)pBase0一致，位置2是在位置1的基礎(chǔ)上在X軸方向便移了箱子長(zhǎng)度的距離，Y軸與位置1一致。

X軸方向偏移距離為：

Delta X :=0.5*(TL-2*nBoxSize{nBoxType,1}-Compensation{nBoxType,1})+ nBoxSize{nBoxType,1}+C ompensation{nBoxType,1}

位置3的放置目標(biāo)點(diǎn)，其姿態(tài)與放置基準(zhǔn)點(diǎn)即是pBase90一致，位置也即是在其X,Y兩個(gè)方向偏移了一定的距離。即X軸方向偏移距離為：箱子上長(zhǎng)邊邊緣與棧板上寬邊邊緣之間的距離。

Delta X :=0.5*(TL-2*nBoxSize{nBoxType,1}-Compensation{nBoxType,1})

Y軸方向偏移距離為：箱子右短邊邊緣與棧板右長(zhǎng)邊邊緣之間的距離。

Delta Y :=0.5*(TW-nBoxSize{nBoxType,1}-nBoxSize{nBoxType,2}-Compensation {nBoxType,2}) +nBoxSize{nBoxType,2}+Compensation{nBoxType,2};

以此類(lèi)推，則可計(jì)算出剩余的全部碼放位置，如表2所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于放置位置的碼垛算法，雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，易于理解，但是適用品種單一，增加跺形不便，后期工作量比較大，影響效率；而基于棧板位置的碼垛算法，程序算法復(fù)雜，前期編程工作量比較大，但是適用于多箱型的碼垛，增加跺形方便。因此可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用的要求，針對(duì)具體作業(yè)方案，選擇具體算法。