KUKA工业机器人码垛程序的优化设计

杨晓华　李天祥　孙雨晴

摘 要：工业机器人在制造行业的应用能缓解企业人力不足的压力，改善工人的工作环境和安全生产条件，提高生产效率。鉴于此，围绕KUKA工业机器人进行码垛作业时采用示教编程长时间占用机器人影响生产效率，以及示教编程程序过长，烦琐、不易阅读等问题，结合for循环、计算和操作机器人位置及数组等功能对码垛程序进行优化，优化后的程序具有通用性强、简洁、易于阅读、维护简便、能提高生产效率等优点，可供企业编程人员借鉴使用。

关键词：工业机器人；程序；优化；通用性

中图分类号：TP242.2    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）13-0039-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.010

0    引言

为落实《“十四五”机器人产业发展规划》重点任务，加快推进机器人应用拓展，2023年1月19日，工业和信息化部、教育部、公安部等十七部门发布《“机器人+”应用行动实施方案》[1]，方案中指出：到2025年，制造业机器人密度较2020年实现翻番。由于机器人大量投入，企业对工业机器人技术人才的需求量增大，有助于高职院校人才的输出。聚焦机器人十大应用重点领域之一的制造业领域，方案提出研制焊接、装配、喷涂、搬运、磨抛等机器人新产品，推动其在汽车、电子、机械、轻工、纺织、建材、医药等已形成较大规模应用的行业，喷釉、修坯、抛光、打磨、焊接、喷涂、搬运、码垛等关键环节应用，推进智能制造示范工厂建设[1]。未来，工业机器人将得到更多的应用，技术也将不断进步，将为企业提供更高效、更安全、更节能的解决方案，为社会经济发展做出更大贡献。

码垛机器人是从事码垛作业的工业机器人，即将已装入容器的货物按要求排列码放在托盘、栈板（木质、塑胶）上，进行自动堆码。机器人码垛可全天作业，减少人员的投入，能节约大量的人力成本，动作灵活精准、快速高效、稳定性高，作业效率高，大大提高了生产效率[2]。但是如果在码垛作业时使用简单的示教进行编程，码垛的货物越多，程序就越长，而且示教占用机器人的时间也比较长，一旦码垛的货物尺寸发生变化又要重新示教，程序的通用性较差，影响生产效率。

1    码垛的定义及应用

对几个具有代表性的点进行示教，即可以从下层到上层按照顺序堆叠货物，常见于物流行业、运输行业以及仓库存储等。同一形状的立体形货物，可以采取重叠式、纵横交错式、正反交错式和旋转交错式码垛，如图1所示。

1.1    重叠式

重叠式是指货物各层之间以相同的方式码放，上下完全相对，各层之间不会出现交错的现象。这种码垛作业方式简單，作业速度快，货物的四个角和边垂直并重叠，承载能力大，能承受较大的荷重。缺点是层与层之间缺少咬合，稳定性差，容易发生塌垛，但是如果货品底面积较大，就可以保证足够的稳定性。

1.2    纵横交错式

纵横交错式是指相邻的两层货物之间摆放旋转90°，一层呈横向放置，另一层呈纵向放置，层间纵横交错堆码。这种码垛方式操作简单，层与层之间有一定的咬合效果，但咬合强度不高，稳定性不够高。

1.3    正反交错式

正反交错式码放货物时，在同一层中，不同列货物以90°垂直码放，相邻两层货物码放形式旋转180°。该码垛方式不同层间咬合强度较高，相邻层次之间不重逢，稳定性较高，但是操作较麻烦，速度较慢。

1.4    旋转交错式

旋转交错式的第一层相邻的两个货物之间都互为90°，两层之间的堆码相差180°，这种码垛方式相邻两层之间咬合交叉，托盘货品稳定性较高，不容易塌垛，但是码垛难度大，中间形成空穴，降低了托盘承载能力。

综合上述四种码垛方式优缺点的分析，结合实际码垛货物的尺寸，本文编写码垛程序时采用重叠式码垛方式，这种码垛方式速度快，各层重叠后，货物四个角重叠垂直，装卸操作也比较省力[3]。

2    基于KUKA工业机器人的货物码垛程序设计

以600 mm×450 mm×300 mm尺寸的货物为对象进行码垛，整体成4行5列3层，码垛方式为重叠式。基于KUKA工业机器人设计码垛程序，应用KRL语言的计算或操作机器人位置、数组位置存储及for高级循环指令进行码垛程序的设计。

2.1    运动规划和程序流程图制定

2.1.1    运动规划

在编写码垛程序之前，首先对码垛任务进行运动轨迹规划，包括任务动作分解、动作规划和路径规划[4]，如图2所示。

首先把机器人的码垛任务动作进行分解，分为抓取货物、搬运货物和码垛货物三个动作。接下来就是对分解的动作进行规划，抓取货物可以进一步分解为机器人的“回原点” “移动到货物上方的安全点”“直线移动到抓取点” “气爪夹紧货物”，搬运货物可以进一步分解为机器人“直线退回到货物正上方安全点” “移动到码垛区上方安全点”，码垛货物可以分解为机器人“直线移动到摆放点正上方安全点” “直线移动到摆放点” “气爪松开货物” “直线移动到摆放点正上方”。最后规划路径，规划时要考虑到机器人姿态以及机器人与周围设备的干涉，每个分解的动作可能会对多个点形成运动轨迹，比如机器人在回原点时，根据外围设备的复杂程度，应设置避让点来组成路径。本文为了更好地说明程序的结构，避让点都只取一个点，实际设计时应根据具体情况取避让点个数。

2.1.2    制定程序流程图

码垛货物由传送带输送，传感器检测货物的位置，每个货物能精准到位，把抓取货物、搬运货物规划在子程序里面，摆放货物规划在主程序里面，程序流程图如图3所示。

2.2    货物码垛程序的设计

2.2.1    货物码垛子程序设计

货物由传送带输送，位置不发生变化，把抓取货物、搬运货物的路径编写在一个程序里面作为子程序调用，码垛程序的编写基于工业机器人的工具坐标系Tool[10]： pick和基坐标系（工件坐标系）Base[10]： block，基坐标系定义沿工作台横向为Y（右正、左负），纵向为X（前正、后负），上下为Z（向上为正、向下为负），子程序的编写如表1所示。

2.2.2    货物码垛主程序设计

示教第一个货物位置，采用位置被应用，并被保存在一个位置变量数组wei[100，100]中，结合两个for循环计算出所有货物的位置，并存储在数组里面，使用for进行点位调用码垛货物，该程序为主程序，如表2所示。

3    结束语

本文以KUKA工业机器人货物码垛作业为研究对象，应用KUKA机器人的计算或操纵机器人位置、for循环指令、数组等功能进行程序优化，优化后程序不需要对每个货物进行示教，只需要示教一个货物的点位，其他货物点位通过计算或操纵机器人位置结合for循环指令进行计算，计算后存储在数组里面，码垛时只需要通过for循环调用货物的位置[5]。优化后的程序，对于不同货物进行码垛作业时，只需要修改程序中码垛层数、行数、列数及货物X、Y方向之间的距离就可以使用，程序通用性强、简洁、易于阅读、维护简便，减少了示教编程占用的机器人生产时间，达到提高生产效率的目的，可供企业编程人员借鉴使用。

[参考文献]

[1] 左宗鑫.十七部门联合发布《“機器人+”应用行动实施方案》[EB/OL].（2023-01-31）[2023-03-01].https：//bai

jiahao.baidu.com/s？id=1756493244324316530&wfr=

spider&for=pc.

[2] 吴应桦.ABB工业机器人码垛教学编程案例分析[J].内燃机与配件，2017（21）：147-148.

[3] 李培根.工业机器人操作与编程[M].北京：电子工业出版社，2016.

[4] 许怡赦，邓三鹏.KUKA工业机器人编程与操作[M].北京：机械工业出版社，2019.

[5] 林祥.KUKA工业机器人编程高级教程[M].北京：机械工业出版社，2020.

收稿日期：2023-03-15

作者简介：杨晓华（1981—），女，四川眉山人，讲师，主要从事职业技术教育、机电一体化技术等方面的研究工作。